一种熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法与流程

本发明涉及光纤测量技术领域，特别涉及一种熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法。

背景技术：

光纤光栅在光纤激光器和光纤传感领域的研究和应用非常重要，光栅周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(Long period fiber grating,LPFG)，其特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合，基本无后向反射光，属于透射型带阻滤波器。与光纤布拉格光栅相比(Fiber Bragg grating,FBG)，长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，具有更大的应变灵敏度系数；同时，在光纤激光器领域，利用其敏感特性可以对透射谱峰进行调谐，作为可调谐滤波器能够实现波长可切换激光输出。因此，长周期光纤光栅具有更多的优点，在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。

相比于以上介绍的长周期光纤光栅的传统制备方法，利用飞秒激光光源，采用逐点刻写方法在各种光纤内制作布拉格光栅用于光纤传感和光纤激光等领域的研究已经成为热点。飞秒激光加工技术具有传统激光加工技术中加工精高度、操作简便、效率高的技术特点，又凭借其飞秒量级的超短脉宽和帕瓦量级的超强峰值功率在光纤微纳材料的高精密、高分辨率和低损伤的加工中显示出其独特的优势。目前飞秒激光制备光纤光栅主要是掩模法，掩模法是指将掩模板放置于光纤上方，采用飞秒激光照射工作波长为800nm的掩模板，使光纤纤芯发生折射率变化。虽然该方法成栅一致性较好，但是由于掩模板成本较高，且制备长周期光纤光栅灵活性较差。另外，长周期光纤光栅透射谱较宽，在实际测量中容易受到环境变化的影响，容易对应变测量的精确度造成误差。

因此，需要一种有效降低透射谱的宽度，提高测量的精确度的熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于提供一种熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法，所述应变测量方法包括如下步骤：

a、搭接双程MZ结构，所述双程MZ结构包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器以及第一光纤、第二光纤、第三光纤和第四光纤；其中

所述第一光纤与第二光纤熔接在所述第一光耦合器与第二光耦合器之间，所述第三光纤和第四光纤的一端与第二光耦合器连接；

b、将长周期光纤光栅熔接到所述双程MZ结构中，其中长周期光纤光栅的光纤两端分别与第三光纤和第四光纤熔接，所述长周期光纤光栅构成双程MZ结构的反射端，其中

第三光纤和第四光纤选用纤芯直径为10/125微米的SMF-28E光纤；

c、将步骤b熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构中熔接长周期光纤光栅的一侧与应变材料相贴合，逐渐改变应变材料的应变大小，选取长周期光纤光栅的波谷为采样点，利用光谱仪监测波长移动；

d、利用步骤c监测到的波长移动绘制波长与应变变化的关系曲线，利用所述关系曲线对待测应变的材料应变进行测量。

优选地，通过长周期光纤光栅直写系统制备所述长周期光纤光栅。

优选地，所述改变应变材料的应变大小采用对应变材料进行拉伸、弯曲或压缩的方式。

优选地，所述长周期光纤光栅进行应变曾敏处理。

本发明的另一个方面在于提供一种长周期光纤光栅直写系统，所述长周期光纤光栅直写系统包括光纤激光、波分复用器、掺铥光纤、单模光纤、高精度移动平台、飞秒激光器和光谱仪，所述单模光纤搭接在所述高精度移动平台上，一端连接光纤激光、另一端连接光谱仪，在所单模光纤的刻写区域熔接细芯光纤。

优选地，所述飞秒激光器设置在所述高精度移动平台上方，使所述飞秒激光器发射的激光与所述细芯光纤相互垂直，在所述飞秒激光器激光发射口设置光闸。

优选地，所述所述细芯光纤的纤芯直径为10/125微米。

优选地，所述光纤激光的波段选取1500～1620nm。

本发明由于双程MZ结构具有较窄的梳状谱密度，而长周期光纤光栅的透射谱通常较宽，两者结合，能够有效降低透射谱的宽度，提高测量的精确度。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明长周期光纤光栅直写系统；

图2示出了本发明熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构；

图3示出了本发明熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法的流程图；

图4示出了本发明长周期光纤光栅波长与应变变化的关系曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

下文中阐释本发明的一个实施例，具体而言本实施例中首先制备需要熔接在双程MZ结构中的长周期光纤光栅。应当理解的是，这里所述的双程MZ结构是双程马赫曾德结构。

如图1所示本发明长周期光纤光栅直写系统，本实施例中根据本发明提供的本发明长周期光纤光栅直写系统100刻写长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅直写系统包括包括光纤激光101、波分复用器102、掺铥光纤104、单模光纤103、高精度移动平台105、飞秒激光器107和光谱仪106，其中

单模光纤103搭接在高精度移动平台105上，单模光纤103的一端通过波分复用器102连接光纤激光101、另一端连接光谱仪106，在单模光纤103的刻写区域110熔接细芯光纤111，飞秒激光器107设置在所述高精度移动平台105上方，使所述飞秒激光器107发射的飞秒激光与细芯光纤111相互垂直，在飞秒激光器107的激光发射口108前端设置光闸109用于对飞秒激光光路进行调整，飞秒激光器107发射飞秒激光并进行调制后，飞秒激光进入高精度移动平台105在细芯光纤111上刻写形成长周期光纤光栅。本实施例中飞秒激光器107可以是在前、后、左、右四个方向移动，调节飞秒激光与细心光纤111的相对位置。

利用本发明实施例的上述长周期光纤光栅直写系统刻写过程中，单模光纤103的另一端连接光谱仪106对长周期光纤光栅的刻写过程进行实时监测，保证长周期光纤光栅刻写的准确性。

本实施例中优选细芯光纤的纤芯直径为10/125微，光纤激光101的波段选取1500～1620nm。本实施例刻写的长周期光纤光栅的透射波长在1.5微米波段，将刻写好的长周期光纤光栅与双程MZ结构结合进行应变标定和测量。

如图2所示本发明熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构，熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构包括双程MZ结构和一段长周期光纤光栅208，这里的长周期光纤光栅208由本发明提供的长周期光纤光栅直写系统制备，从而实现与双程MZ结构配套熔接，其中

双程MZ结构包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纤203、第二光纤204、第三光纤206和第四光纤207。

第一光纤203与第二光纤204熔接在所述第一光耦合器202与第二光耦合器205之间，所述第三光纤206和第四光纤207的一端与第二光耦合器205连接。长周期光纤光栅208熔接到所述双程MZ结构中构成熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构，其中

熔接方式为：长周期光纤光栅208的光纤两端分别与第三光纤206和第四光纤207熔接，长周期光纤光栅208构成双程MZ结构的反射端。本实施例中第三光纤207和第四光纤208选用纤芯直径为10/125微米的SMF-28E光纤，从而保证与纤芯直径为10/125微的长周期光纤光栅配套熔接。

本发明熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法借助熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构对应变进行测量，为了更加清楚的说明，本实施例示例性的本发明的应变测量方法进行阐释，如图3所示本发明熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构测量应变的方法的流程图，具体而言，所述应变测量方法包括如下步骤：

步骤S101、搭接双程MZ结构，所述双程MZ结构包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纤203、第二光纤204、第三光纤206和第四光纤207；其中

第一光纤203与第二光纤204熔接在所述第一光耦合器202与第二光耦合器205之间，所述第三光纤206和第四光纤207的一端与第二光耦合器205连接。

步骤S102、双程MZ结构中熔接长周期光纤光栅208，将长周期光纤光栅208熔接到所述双程MZ结构中，其中将刻有长周期光纤光栅的光纤两端分别与第三光纤206和第四光纤207熔接，使长周期光纤光栅208构成双程MZ结构的反射端，其中

第三光纤206和第四光纤207选用纤芯直径为10/125微米的SMF-28E光纤，对熔接的长周期光纤光栅进行应变曾敏处理。

步骤S103、将步骤S102中熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构中熔接长周期光纤光栅的一侧与应变材料相贴合，逐渐改变应变材料的应变大小，选取长周期光纤光栅的波谷为采样点，利用光谱仪监测波长移动。改变应变材料的应变大小采用对应变材料进行拉伸、弯曲或压缩的方式，本实施例优选采用对应变材料进行拉伸应变的方式。

步骤S104、利用步骤步骤S103监测到的波长移动，绘制波长与应变变化的关系曲线，利用所述关系曲线对待测应变进行测量。

为了对本发明的内容做出更加清楚的说明，下面对MZ结构的干涉原理做具体说明：

光源发射光强为I的光进入MZ结构，其中光强I满足

其中I₁、I₂和分别为细芯光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且

其中，n₁和n₂分别为纤芯和包层的有效折射率，L₁和L₂分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有

由公式(1)和公式(3)可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

经过简化，公式(4)表示为

m＝LΔn/λ (5)

对公式(5)中λ进行求导可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式(7)可知，MZ结构的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长有关。当中心波长一定时，相邻峰值的波长间隔是细芯光纤长度和纤芯与包层间折射率差的函数。

本发明的实施例在MZ结构干涉原理的基础上，采用了双程MZ结构，双程MZ的透射光谱调制深度是单程MZ的2倍，具有较窄的梳状谱密度。

实施中的上述应变测量方法将长周期光纤光栅与双程MZ结构熔接进行长周期光纤光栅应变标定。标定过程中，熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构整体结构置于温控箱中，光由光源201发射有第一耦合器202分成两束，分别进入第一光纤203和第二光纤204，经过第二耦合器205将两束光进行耦合后再次分成两束后，分别进入第三光纤206和第四光纤207，之后由长周期光纤光栅208反射。

同时，逐渐对应变材料进行拉伸，随着拉力对应变材料的拉伸过程，应变材料的发生应变，长周期光纤光栅的波长向长波方向移动，选取长周期光纤光栅的波谷为采样点，绘制长周期光纤光栅与应变之间的关系曲线，如图4所示本发明长周期光纤光栅波长与应变变化的关系曲线。对待测应变材料进行测量时，将熔接长周期光纤光栅的双程MZ结构中熔接长周期光纤光栅的一侧与待测应变材料粘贴，通过光谱仪采集波长移动，通过绘制的曲线得到待测应变材料的应变。

本发明中由于双程MZ结构具有较窄的梳状谱密度，而长周期光纤光栅的透射谱通常较宽，因此将两者结合，能够有效降低透射峰的宽度，提高测量的准确度。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。