引言

光纖光柵傳感器可用于溫度、應變、壓力、濃度等物理量的傳感測量，具有抗電磁干擾、體積小、質量小、兼容智能設備等特點。其工作機理是基于波長編碼減少解調光路中光源功率波動帶來的測量誤差，容易實現分布式傳感。光纖光柵傳感器在航空航天、核電、工程工業監測、橋梁、安防等方面具有重要的應用前景。?

光纖光柵傳感器常被用于溫度和應變測量。由于溫度和應變的變化都可能引起光纖布拉格光柵(FBG)中心波長偏移，因此在實際光纖光柵傳感應用中存在溫度和應變的交叉串擾問題。解決FBG傳感器溫度與應變的串擾問題是其實用化的前提。目前解決交叉串擾問題的方法為采用特殊材料對FBG進行封裝，抑制溫度(應變)的影響，實現應變(溫度)的解調，但該方法在封裝的過程中需要對FBG預加應力，因此縮小了傳感器的測量范圍。劉鳳超等提出通過特殊的封裝方法在應變傳感FBG附近增加一個溫度測量FBG，對應變傳感FBG的測量進行溫度的補償。此外，各國科研工作者也提出了多種能同時解調出應變和溫度的雙參量解調方法。其中一種方法為使用FBG構成法布里-珀羅(F-P)腔，當溫度和應變改變時，通過測量光柵布拉格波長的偏移和F-P腔的干涉光譜的變化得到溫度和應變的變化量，但是干涉光譜的測量失去了FBG傳感波長編碼的優點;另一種方法是用兩個溫度、應變系數不完全相同的FBG組合進行溫度和應變的測量，同時監測兩個光柵的布拉格波長偏移，通過聯立兩個方程得到溫度和應變變化量。趙洪霞等通過用氫氟酸(HF)腐蝕部分FBG，使得兩部分FBG的應變響應系數差異較大，而溫度響應系數差異較小，從而實現溫度和應變的同時測量。關柏鷗等先將普通石英光纖和載氫后的鉺鐿共摻光纖兩種異質光纖熔接在一起，用紫外準分子激光在兩種光纖連接處刻寫FBG，由于兩種不同光纖中的光柵結構具有不同的溫度響應系數，因此可以用作溫度、應變雙參量傳感測量，異質FBG雙參量傳感解調只需要一個解調光源，并保留了FBG傳感器波長編碼特性的優點。但以上方案均是利用紫外準分子激光在光敏光纖中制備FBG。紫外準分子激光對光敏光纖的寫入機理是基于纖芯對紫外激光輻射的線性吸收而形成“色心”結構，這種類型的FBG在400℃就會被擦除，很難適用于高溫環境。另外紫外光刻寫FBG的方法要求光纖必須具有光敏性，對弱光敏光纖則需要經過長時間的載氫處理，限制了該加工方法所適用的光纖范圍。飛秒激光脈沖具有超強的峰值功率，可以對各種材料進行加工。利用飛秒激光可以直接在普通石英光纖中加工FBG，不需要載氫處理。所制備的FBG溫度穩定性遠遠高于傳統紫外光在光敏光纖制備的FBG，適用溫度可達1000 ℃。此外，利用飛秒激光在摻鐿、鉺鐿共摻等光纖中均實現了FBG的直接制備，但目前利用異質FBG實現耐高溫溫度和應變雙解調的研究還未見報道。?本文利用飛秒激光在兩種異質光纖熔接處刻寫FBG，構成異質FBG溫度應變雙參數傳感器。研究了摻鐿FBG、鉺鐿共摻FBG和普通石英FBG三種不同FBG溫度和應變響應系數，基于鉺鐿共摻光纖和普通石英光纖兩種異質FBG的溫度響應系數不同，利用鉺鐿共摻-石英異質FBG實現溫度應變雙參量解調。同時，研究了鉺鐿共摻-石英FBG的耐溫特性，結果表明鉺鐿共摻-石英FBG溫度、應變雙參量傳感器可用于700℃以內的傳感。

1FBG 溫度和應變傳感原理

1、FBG 溫度和應變傳感?

FBG 的布拉格波長可表示為?

mλ_B=2n_effΛ， (1)?

式中:m為布拉格波長的階數;λ_B為FBG的布拉格波長;n_eff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為FBG的周期。FBG所處環境的溫度和應變的變化會引起n_eff和Λ發生改變，從而導致λ_B發生偏移。溫度引起的FBG布拉格波長偏移的主要原因可以歸結為光纖熱膨脹效應和光纖的熱光效應。在只考慮溫度變化時，布拉格波長偏移Δλ_B可表示為?

Δλ_B= λ_B(α+ξ)ΔT=K_TΔT， (2)?

式中:α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數和熱光系數;ΔT為溫度的變化量;K_T為FBG布拉格波長偏移對溫度T的靈敏度。對于摻鍺石英光纖α=5.5×10^－7℃^－1，ξ= 6.4×10^－6℃^－1;當λ_B=1550nm時，可得K_T=10.9 pm·℃^－1。應變引起的FBG布拉格波長偏移的主要原因可以歸結為應變致使光柵周期Λ的伸縮和應變通過光纖的彈光效應使有效折射率n_eff改變。當只考慮沿光纖軸向應變時，在軸向應變ε_x條件下，布拉格波長偏移可以表示為

Δλ_B=λ_B(1－p_e)ε_x?= K_εε_x，(3)?

式中:K_ε為布拉格波長偏移對軸向應變的靈敏度; p_e為有效彈光系數。對于摻鍺石英光纖，纖芯和包層的彈光系數分別為p₁₁=0.113，p₁₂= 0.252，泊松比為μ=0.16，可得有效彈光系數p_e≈0.22;當λ_B=1550nm時，進一步可得FBG的應變靈敏度Kε=1.21 pm·με^－1。?

2、FBG溫度應變串擾問題?

由(1)式可知，FBG的布拉格波長λ_B偏移和光柵周期Λ和有效折射率n_eff的變化有關。當溫度發生變化時，熱膨脹效應和熱光效應會使得λ_B變化;FBG產生的軸向應變會通過改變光柵周期Λ和彈光效應造成λ_B變化。結合(2)式和(3)式可得，由溫度和應變共同作用引起的FBG布拉格波長變化可表示為?

Δλ_B=λ_B［(α+ξ)ΔT+(1－p_e)ε_x］= K_TΔT+K_εε_x，(4)?

因此當Δλ_B變化時，無法確定是溫度還是應變引起的，這就造成了FBG在傳感測量中的串擾問題。采用兩個溫度和應變系數不完全相同的FBG，測定兩個Δλ_B，并聯立方程就可以解出溫度ΔT和應變ε_x，從而解決FBG傳感測量中溫度和應變交叉串擾問題。

2實驗和結果討論

1、異質FBG刻寫?

實驗中樣品為普通單模石英光纖(SMF-28，康寧公司，美國)、摻鐿光纖(SM-YSF-HI，Nufern)和鉺鐿共摻光纖(SM-EYDF，Nufern)。實驗中首先使用光纖熔接機將兩種異質光纖熔接在一起，利用飛秒激光結合相位掩模板在熔接點的兩端分別刻寫FBG。實驗中采用的飛秒激光中心波長為800nm，脈沖寬度為50fs，重復頻率為1kHz。飛秒激光經過柱透鏡聚焦后垂直入射到相位掩模板形成衍射。柱透鏡焦距為25mm，相位掩模板的周期為2.142μm。實驗中使用的相位掩模板針對800nm激光設計，0級衍射光能量被抑制(低于3%)，±1級衍射光各占35%左右的能量?！?級衍射光在重疊區域形成干涉條紋，誘導光纖纖芯折射率周期性調制形成光柵結構，光柵周期為相位掩模板周期的一半?？虒懝鈻诺倪^程中使用光譜分析儀 (AQ6370D)監測FBG的反射光譜變化。飛秒激光結合相位掩模板刻寫異質FBG反射光譜圖如圖1所示。實驗中分別將摻鐿光纖和鉺鐿共摻光纖與石英光纖進行熔接加工，飛秒激光功率為500mW，所制備的FBG反射光譜分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖 1 飛秒激光結合相位掩模掩模板刻寫異質FBG反射光譜圖。(a)摻鐿-石英;(b)鉺鐿共摻-石英

從圖中可以看出，兩種異質光纖上刻寫的FBG均出現兩個布拉格共振峰。在摻鐿光纖和普通石英光纖熔接點兩端刻寫的FBG的中心波長分別為1548.732nm和1549.852nm，在鉺鐿共摻光纖和普通石英光纖熔接點兩端刻寫的 FBG中心波長分別為1554.124nm和1550.18nm。這是由于在不同光纖中刻寫的FBG雖然光柵周期相同，但三種光纖具有不同的有效折射率，所以會有不同的布拉格波長，兩個普通石英FBG布拉格波長有微小的差異是加工過程中施加的應變不同造成的。

2、異質FBG溫度、應變傳感特性?

圖 2 異質FBG溫度應變測量實驗裝置

異質FBG溫度應變測量實驗裝置如圖2所示。實驗中將塑料燒杯兩側鉆出兩個微孔(小孔直徑略大過光纖直徑)。將待標定的FBG從燒杯中穿過后兩端分別用膠水粘接固定在位移平臺上，其中一個為微位移平臺(Thorlabs MBT610D/M，位移精度為1μm，位移范圍為200μm)，受限于燒杯和水浴鍋尺寸，FBG兩端固定點距離為28cm，FBG應變范圍為700με。往燒杯中注入水，水面高于光纖，保證 FBG浸沒在燒杯內的水中，然后將燒杯置于水浴鍋(型號:KHW-D-210)中。因燒杯兩側小孔直徑(小于0.5mm)很小且有光纖從小孔穿過，所以實驗過程中只有少量水從小孔滲出，能保證實驗從開始到結束(3～5h) 燒杯內的水平面下降不超過1cm(實驗開始時，FBG距水平面約6cm)。水浴鍋溫度控制范圍為室溫+5℃至液體的沸點，溫度波動度小于等于±1℃。測量光柵的溫度和應變靈敏度時，先保持溫度或者應變不改變，測量應變或者溫度對FBG布拉格波長的影響。?首先在固定應變80με下，測量FBG布拉格波長的溫度響應特性，實驗中利用水浴鍋控制溫度在31～85℃改變，每個溫度保持30min，然后測量相應溫度下的FBG的反射光譜。測得摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長λ_B-溫度曲線分別如圖3(a)和3(b) 所示?？梢钥闯霎愘|FBG中兩個布拉格波長λ_B均隨著溫度增加線性增大。摻鐿-石英異質FBG中摻鐿FBG和石英FBG的溫度響應系數分別為9.27 pm·℃^－1和9.26pm·℃^－1，鉺鐿共摻-石英FBG中鉺鐿共摻FBG和石英FBG溫度響應系數分別為11.07pm·℃^－1和9.46 pm·℃^－1。

圖 3 (a)摻鐿-石英FBG布拉格波長λ_B -溫度曲線;(b)鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長λ_B-溫度曲線溫度保持為45℃不變，研究FBG的應變響應特性。實驗中，通過調節微位移平臺改變FBG的應變，測量相應應變下的FBG的反射光譜。實驗中應變變化范圍為0～700με，測得摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長λ_B-應變曲線分別如圖4(a)和4(b)所示。

圖 4 (a)摻鐿-石英FBG布拉格波長λ_B?-應變曲線;(b)鉺鐿共摻-石英FBG的布拉格波長λ_B?-應變曲線

實際應用中異質FBG應變范圍可能受限于異質FBG的材料和熔接點的熔接強度?？梢钥闯霎愘|FBG中兩個FBG布拉格波長均隨著溫度的增加而線性增大。通過對實驗數據進行線性擬合，摻鐿-石英FBG中摻鐿FBG和石英FBG應變響應系數都為1.40pm·με^－1，鉺鐿共摻-石英FBG中鉺鐿共摻FBG和石英FBG應變響應系數分別為1.43pm·με^－1和1.41pm·με^－1。兩類異質FBG中所得到的不同材料光纖的溫度和應變響應系數如表1所示。

表 1 兩類異質FBG的溫度和應變響應系數

可以看出，在石英光纖和不同摻雜光纖中刻寫的FBG應變系數基本相同(1.40～1.43pm·με－1)。摻鐿FBG和石英FBG溫度系數相差不大，均在9.26～9.46pm·℃^－1之間;而鉺鐿共摻FBG溫度系數為11.07pm·℃^－1，明顯大于摻鐿FBG和石英FBG。因此，利用具有較大溫度響應系數差異的鉺鐿共摻和石英光纖熔接后刻寫的異質FBG更適合用于溫度、應變雙參量測量。摻鐿光纖雖然和石英FBG波長不同，但溫度和應變響應系數差別較小，無法用于雙解調。?由(4)式可進一步得到異質FBG的布拉格波長偏移量與溫度應變之間的函數關系為?

Δλ_B1=K_T1ΔT+K_ε1ε_x， (5)?

Δλ_B2=K_T2ΔT+K_ε2ε_x， (6)?

式中:K_T1和K_ε1分別為鉺鐿共摻FBG的溫度、應變響應系數，需在傳感測量之前進行標定;K_T2和K_ε2為石英FBG的溫度、應變響應系數。解調時，通過測得鉺鐿共摻FBG和石英FBG的布拉格波長偏移量，再由(5)式和(6)式構成的方程組解析可得溫度和應變量。

3、異質FBG耐溫特性?

將鉺鐿共摻-石英FBG置于管式爐中，在600℃下退火2h，再升溫至 800℃退火15min后，研究異質FBG的耐溫特性。經過退火過程后，鉺鐿共摻-石英兩部分FBG的反射率都有下降。鉺鐿共摻FBG反射率由－3.528dB下降到-17.33dB并穩定，石英FBG反射率由－2.277dB下降到－3.28dB并穩定。這可能是因為在退火的過程中，一些高溫下不穩定的光柵結構被擦除了。接著將管式爐的溫度分別設置為300，400，500 ℃，分別保持0.5h，之后再將管式爐溫度分別設置為600，700，800℃，分別保持3h，并且在溫度保持過程中觀察鉺鐿共摻-石英FBG反射光譜的變化。不同溫度下鉺鐿共摻-石英FBG反射率隨保持時間的變化曲線如圖5所示。?

圖 5 不同溫度下鉺鐿共摻-石英 FBG 反射率隨保持時間的變化曲線

由圖5可見，經過退火過程后，鉺鐿共摻-石英FBG在700℃高溫下兩段FBG反射率都具有較好的穩定性。在800℃時，石英FBG反射率逐漸下降，鉺鐿共摻FBG反射率急劇下降，石英FBG的反射率退化速度相對于鉺鐿共摻較慢，這主要是由于刻寫的石英FBG具有更高的折射率調制度。以上結果表明，鉺鐿共摻-石英異質FBG可以在700℃ (或700℃以下)穩定工作。通過進一步優化加工條件，在異質光纖中制備出Type II型FBG，有望能使異質FBG的耐溫特性提升到1000℃。

3總結

將摻雜光纖和普通單模石英光纖熔接在一起，并利用高峰值功率的飛秒激光結合相位掩模板法在熔接點處制備了光柵形成異質FBG;測量了摻鐿-石英FBG和鉺鐿共摻-石英FBG兩類異質FBG的溫度、應變響應系數測量。結果證明:摻鐿-石英FBG對溫度和應變的響應系數相差不大，但鉺鐿共摻-石英FBG的溫度響應系數差異較大。溫度響應系數差異較大，應變響應系數相近表明鉺鐿共摻-石英FBG可應用于溫度、應變雙參數傳感測量。鉺鐿共摻-石英FBG的耐溫特性表明該異質FBG可以在700℃(或700℃以下)穩定工作。(作者：曹后俊，刊名：中國激光)

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總結

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