一种干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法与流程

本发明涉及光纤光栅制备领域，尤其涉及一种干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法。

背景技术：

光纤传感网以其单纤多探测点，同时作为信号载体实现长距离传输的独特优点，在传感应用领域中呈现快速的发展趋势。一种基于大容量光栅对干涉型振动传感网以其高灵敏度，同时能在单纤上实现大规模，远距离探测的诸多特点,在军事、海洋资源勘探、海底地质监测以及重要场所周界安防上具有广泛的应用前景。

基于光栅对干涉型结构的振动传感器工作机理是一束相干光在相邻两光栅上被反射，两反射光在探测器处发生干涉，若两光栅间的光纤受外界振动影响，两反射光的光程差将发生改变，从而引起干涉光强度的变化；通过检测干涉光的强度变化及变化频率感知外界振动；光栅在该类型传感器中的作用仅作为两面反射镜实现对种子光的反射。众所周知，两束光发生干涉的必要条件之一是光频率(波长)相同，这要求光栅对具有波长同一性。对于武汉理工大学已有的在线动态制备光栅技术而言，能理想实施全同Bragg光栅阵列的在线制备，制备出Bragg中心波长一致性良好的光栅阵列。然而，本身作为高灵敏的传感基元，光纤光栅受外界应力，温度及振动等影响，其Bragg中心波长会发生漂移。因此，在工程实施和应用中，往往原本高度一致的光栅阵列受外界因素影响，其Bragg波长一致性变差，这将会导致基于Bragg光栅对干涉型的振动传感器性能变差或完全失效。对于常规8-10mm长的Bragg光纤光栅，其3dB反射带宽约0.2nm左右，一旦光栅对受外界应力、振动或温度的影响，两光栅的反射谱极有可能完全错开，导致传感器失效；即使两光栅的反射谱发生部分错位，由于两光栅对相干种子光的反射功率不同，将导致光干涉强度减弱，从而造成检测信噪比变差。

如何保证工程施工及应用中的光纤光栅阵列对相干种子光的可靠反射成为该类型振动传感系统能否成功的关键。采用展宽光栅(较宽的3dB反射带宽)取代常规Bragg光栅为一种可有效增强光栅阵列波长抗干扰能力的有效途径。随着光纤Bragg光栅物理长度的减短，光栅反射功率谱曲线呈现反射主峰对波长的选择性变差，主峰覆盖的波长范围更广。当光栅长度由8mm变短为0.5mm时，其反射主峰3dB带宽由约0.2nm增加至3nm左右。仅从波长展宽角度考虑，(超)短光栅能有效解决常规Bragg光栅阵列波长一致性抗干扰性能差的问题，然而由于(超)短光栅的反向能量耦合系数变小，导致其各波长上反射的光能量密度成指数衰减，这给后端信号检测增加难度。如何在增大光栅反射带宽的前提下，确保光栅反射率不显著降低是本发明专利申请关键所在。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有常规Bragg光栅3dB带宽窄，检测中波长抗振动稳定性差，信噪比较低；以及(超)短光栅反向能量耦合低，反射光能量密度超弱的缺陷，提供一种基于啁啾光栅技术与光栅在线制备技术相结合实施具有一定反射带宽、平坦度好，同时具有较强反射率的光纤光栅阵列的干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法，在啁啾光纤光栅的在线制备过程中，采用高光子能量的193nm单脉冲准分子激光作为光源，对在线动态拉丝的光纤进行刻写，得到用于干涉型振动传感的光纤光栅阵列。

进一步地，本发明的制作振动传感用光纤光栅时，通过变化的光栅周期实现一定带宽的反射，同时通过较长的光栅长度保证在所需带宽内具有较强的反向能量耦合系数，通过优化啁啾模板的啁啾率和干涉区波长，将光栅反向耦合能量约束在所需带宽内，从而确保振动传感用光栅具有一定反射带宽的同时，具有相对较强的反射率。

进一步地，本发明的在线制备过程中使用展宽光栅。

进一步地，本发明的优化啁啾掩模板的啁啾率和掩模板的干涉区长度的方法为：根据激光光斑大小设计啁啾掩模板的干涉区长度，并根据刻写光栅的光纤纤芯有效折射率，设计确定啁啾掩模板的中心波长，在此基础上优化掩模板啁啾率，确保将光栅反向耦合能量约束在所需带宽内，并增强光栅反射率。

本发明产生的有益效果是：本发明的干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法，通过在啁啾光纤光栅在线制备过程中，采用高光子能量的193nm单脉冲准分子激光作为光源，对在线动态拉丝的光纤进行刻写；能够克服传统Bragg光纤光栅3dB带宽窄、振动传感应用中抗干扰能力差，以及超短Bragg光栅反射率极低、传感信号信噪比低等缺点；能够获取具有一定反射带宽，平坦度好，同时具有较强反射率的光纤光栅阵列，能够用于干涉型振动传感。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法的不同长度的Bragg光纤光栅反射谱；

图2是本发明实施例的干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法的不同啁啾率的啁啾光纤反射谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的干涉型振动传感用光纤光栅阵列制备方法，将啁啾光纤光栅技术与光栅在线制备技术相结合，在啁啾光纤光栅的在线制备过程中，采用高光子能量的193nm单脉冲准分子激光作为光源，对在线动态拉丝的光纤进行刻写，得到用于干涉型振动传感的光纤光栅阵列。

根据所制备光纤光栅带宽及波长要求，合理设计啁啾掩模板的啁啾率和掩模板的干涉区长度，根据激光光斑大小设计啁啾掩模板的干涉区长度，并根据刻写光栅的光纤纤芯有效折射率，设计确定啁啾掩模板的中心波长，在此基础上优化掩模板啁啾率，确保将光栅反向耦合能量约束在所需带宽内，并增强光栅反射率。

啁啾掩模板的中心波长的计算公式为：

λ_中心＝n_eff*Λ_中心

其中，Λ_中心为啁啾掩模板干涉区中心周期值，n_eff为纤芯有效折射率。λ_中心为啁啾光栅中心波长。

啁啾光栅带宽的计算公式为：

B＝n_eff·C·L

其中，B为啁啾光栅带宽，C为掩模板啁啾率，L为干涉区长度。

光栅在线制备技术基于单激光脉冲，激光脉冲的能量和作用时间受限，难制备反射率强的光栅；借助啁啾光栅的反射能量限制在所需带宽以提高反射光能量密度的方法，一定程度弥补在线制备技术本身的不足。

高成栅效率的193nm准分子激光源，相比于248nm准分子激光，在低光敏性能、低传输损耗光纤上193nm准分子激光拥有更高的成栅效率。

如图1所示，为不同长度的Bragg光纤光栅的数值计算反射谱。从图中可以看出：在光纤纤芯折射率调制深度不变的前提下，随着光栅长度减小，反射峰3dB带宽显著变宽，光栅长度由4mm减小至0.1mm时，光栅反射谱3dB带宽由约0.37nm增加至10nm左右，从光栅反射带宽角度考虑，0.1mm长的Bragg光纤光栅显然拥有更宽更平坦的反射带宽。然而，从光栅反射率角度考虑，当光栅长度从4mm减至0.1mm，光栅峰值反射率减小3个数量级，从-32dB减至约-63dB；这对于本身反射率弱的单激光脉冲光纤光栅而言，反射率大大减弱无疑会显著降低传感信号的信噪比。显然采用超短光栅实现较宽反射带宽不是一种理想技术手段。

如图2所示，为不同啁啾率的啁啾光纤反射谱。从图中可以看出：在光纤光栅物理长度不变的前提下，随着光栅啁啾率逐渐变大，反射峰带宽也逐渐变宽，反射带宽由3nm(啁啾率k＝0.003)增加至约10nm(啁啾率k＝0.011)。同时，随着啁啾光栅反射带宽增加，光栅的反射率并未呈现显著衰减，其平均反射率控制在同一个量级内，由2X10^-5(带宽3nm)减小至0.5x10^-5(带宽10nm)。这说明采用啁啾光栅技术实施宽带宽反射时，在光栅物理长度不变的前提下，通过优化光栅啁啾率可获得所需带宽的宽谱反射，且光栅反射率并不发生指数级衰减。采用啁啾光栅在线制备技术实施光栅对干涉型振动传感阵列制备，通过对光栅啁啾率的优化控制，确保获得所需反射带宽的前提下，光栅反射率可以有效保证在较高水平。

折射率调制不等周期变化的啁啾光纤光栅可看作为由许多周期逐渐变化的短Bragg光纤光栅级联构成，通过合理设计啁啾掩模板的中心波长和啁啾率，可以获得所需反射带宽内平坦度好的反射谱；由于啁啾光纤光栅拥有较长的物理长度，在反射带宽内具有比超短光栅更高的反向能量耦合效率，用啁啾光纤取代超短Bragg光栅用于干涉型振动传感的反射光栅，在确保获得所需反射带宽的前提下，能有效提高光栅的反射率。

针对传统Bragg光栅具有窄的3dB带宽，由其构成的干涉型传感阵列具有较差的波长稳定抗干扰能力，而超短Bragg光栅虽拥有较宽的3dB带宽，但其极低的反射率影响振动传感的信噪比，本发明专利申请将啁啾光栅技术与光栅在线制备技术有机结合，采用高效193nm准分子激光实施光栅阵列的在线制备，获取具有一定反射带宽、平坦度好，同时具有较强反射率的光纤光栅阵列，用于干涉型振动传感。

本发明申请的特点:光纤光栅在线制备技术可以理想获得连续无焊点、高度一致的光纤光栅阵列。针对传统Bragg光纤光栅3dB带宽窄、振动传感应用中抗干扰能力差，以及超短Bragg光栅反射率极低、传感信号信噪比低等缺点，本专利发明申请啁啾光纤光栅在线制备技术可以较好的解决上述问题，在获取一定反射带宽的前提下，能较好保证光栅在所需反射带宽内拥有相对于超短Bragg光栅更强的反射率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。