一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有温度记忆功能的光纤布拉格光栅,包括一段光纤以及写制于光纤纤芯的布拉格光栅结构。所述的光纤布拉格光栅具有分别对应于次生光栅和IIa型光栅的两个反射峰谱线结构，双峰波长差值对其所经受过的最高环境温度值具有记忆功能；所述的双峰波长差的记忆功能只与环境温度有关，因此可以排除应变、侧向压力等参量的交叉敏感；所述的光纤布拉格光栅可以在高温环境下实现记忆功能。
【专利说明】
一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅
技术领域
[0001]本发明涉及光纤光栅传感领域，特别是一种具有温度记忆功能的光纤布拉格光栅。
【背景技术】
[0002]光纤布拉格光栅(fiberBragg grating，FBG)，是一种纤芯具有周期性折射率变化的光纤光子学无源器件，具有抗电磁干扰、结构灵活、光纤兼容、波长编码、谱线简单易于解调、复用能力强、结构简单制作方便、体积小巧等特点，在光纤传感和通信领域中得到了广泛的应用。
[0003]由于光纤的热光效应及热膨胀效应，光纤布拉格光栅的Bragg反射波长会相应的发生改变，因此，通过波长-温度的一一对应关系，可以实现FBG对于环境温度的传感功能。
[0004]在FBG温度传感的相关研究中，主要分为三个方面:
[0005]—、温度传感灵敏度的增敏:可以通过表面涂覆高热膨胀系数材料，在高热光系数光纤上写制FBG来实现；
[0006]二、温度传感中应变、压力所带来等交叉敏感的消除:可以通过参考FBG，偏振双峰FBG，谐波法等方式实现；
[0007]三、提高光纤布拉格光栅的耐高温能力:可以通过II型光栅、IIa型光栅、再生光栅、特殊掺杂光纤光栅等方式实现。
[0008]上述方式都是为了FBG对温度的传感功能，主要关注于FBG对于环境温度变化的响应并实现实时监测，而FBG的传感信号本身对于环境温度并不具有记忆性。因此，在实际的应用中往往需要测量和数据处理同时进行，这就需要在传感过程中配备整套的数据解调处理系统。然而，在某些应用场合，这种实时监测的方式就会受到较大的限制，如野外探测，极端环境下的探测等。
【发明内容】
[0009]本发明的主要目的在于提供一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，利用其双峰波长差值的方法对其所经受过的最高环境温度值实现保存与记录的功能，而且，这种波长差的记忆功能只与环境温度有关，因此可以排除应变、侧向压力等参量的交叉敏感。
[0010]本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，带有次生光栅的IIa型光纤布拉格光栅(后简称“次生-1Ia光栅”)，其反射谱线具有双峰结构，分别为次生光栅和IIa型光栅构成，次生光栅反射峰位于IIa型光栅反射峰的短波长方向。这种独特的双峰现象与光纤的双折射、光栅旁瓣以及高阶模耦合无关。
[0011 ]所述双峰峰值波长对于温度都具有正向响应，而次生光栅反射峰的温度响应更大，随着环境温度的提高，次生光栅反射峰在波长上呈现逐渐靠近IIa型光栅反射峰的趋势。当环境温度降温至常温时，此双峰并不会分开至初始状态，而是保持在最高温度时的波长差，因此只要通过对双峰波长差的追迹，便可以得出光栅所经受的最高温度，以此实现对温度的记忆功能。
[0012]所述次生-1Ia光栅对于写制光纤的具体要求是:光纤纤芯直径必须小于6微米，优选的，为3微米，纤芯锗离子含量大于10 %。
[0013]所述次生-1Ia光栅反射器的制造方法具体是:采用准分子激光器结合相位掩膜板，对上述有源光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制。
[0014]所述准分子激光光源仅采用193纳米紫外准分子激光器，避免额外的光纤载氢等增敏手段实现直接刻写，同时可以提供较大的空间Talbot长度。
[0015]所述相位掩膜板，可以通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的设计，优选的，光栅反射波长设计于C波段。
[0016]所述次生-1Ia光栅在曝光调制中的传输谱线衍化特征为:首先，初生光栅随着曝光量的积累，光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征。当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向。随后，初生光栅达到饱和后，随着曝光量的继续积累，反射强度逐渐消退开始衰减并达到最小值，而其反射波长依旧向长波方向漂移。在这个过程中，次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，次生光栅的反射率将超过初生光栅，呈现双反射峰结构。最后，随着曝光量的继续累积，在长波长方向出现一个新的反射峰，且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，为IIa型光栅的衍化特征，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，初生光栅完全消退，因此形成一个新的次生光栅-1Ia型光栅的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向。在此过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向移动。光栅的谱线最终状态是两个反射峰，具有一定的波长差。其波长差初始值取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力。
[0017]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0018]1、本发明的次生-1Ia型光纤布拉格光栅不仅具有传统的布拉格光栅的温度传感能力，还具备特殊的温度记忆功能，因此可以在测量时摆脱复杂的监测仪器的需求，达到测量与数据处理的分立化，从而实现便携式探测的目的，实施方法简单，可以应用于野外探测、航空安全等领域。
[0019]2、本发明的次生-1Ia型光纤布拉格光栅的制作无需载氢和退火，同时所述的光纤载体具有高掺锗，小纤芯等特点，具有高效制备的能力，更具经济效益。
[0020]3、本发明的次生-1Ia型光纤布拉格光栅的双峰波长差对温度的记忆功能只与环境温度有关，不受应变、侧压力等光纤本征敏感参量的影响，避免了交叉敏感。
[0021]4、本发明的次生-1Ia型光纤布拉格光栅可以在高温环境下正常工作。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例1的次生-1Ia型光纤布拉格光栅的结构图；
[0023]图2是本发明中上述次生-1Ia型光纤布拉格光栅在193nm准分子激光结合相位掩膜板进行写制过程中光栅传输光谱典型衍化特征；
[0024]图3是本发明上述次生-1Ia型纤布拉格光栅在环境温度升温至一定温度，然后温度降温回常温后的传输光谱对比；
[0025]其中:1-光纤纤芯;2-光纤包层;3-次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0027]实施例1
[0028]如图1所示，一种实现温度记忆功能的光纤布拉格光栅，包括:光纤纤芯I，以及写制于光纤纤芯I上的次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构2;光纤纤芯I的外面包覆着光纤包层3。
[0029]典型值为，光纤纤芯I的直径为3微米，光纤包层3的直径为125微米，光纤纤芯I的锗离子掺杂浓度为10%及以上，只要光纤纤芯I的直径小于6微米，且满足纤芯的锗离子掺杂浓度的光纤都适用于本实施例。
[0030]次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构2是采用193纳米紫外准分子激光器结合相位掩膜板法在光纤纤芯I上形成的周期性折射率改变而形成，准分子激光典型值为:的重复频率设置为200赫兹，激光单位能量为120毫焦耳/平方厘米，相位掩膜板的周期为1067纳米。
[0031]如图2所示，为实施例1在制作过程中的典型衍化传输光谱，衍化方向为“曝光时间I”至“曝光时间5” ο其特征为:首先，初生光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征，为“曝光时间I”所示；当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向，为“曝光时间2”所示；随后，初生光栅达到饱和后，反射强度逐渐消退开始衰减而其反射波长依旧向长波方向漂移，次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，在这个过程中，次生光栅的反射率将超过初生光栅，在长波长方向会出现一个新的反射峰为IIa型光栅，如“曝光时间3”所示。随后，初生光栅继续衰减至完全淹没于背景功率之中，IIa型光栅且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，形成一个新的“次生光栅-1Ia型光栅”的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向，在此过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向化移动;光栅的谱线最终状态为两个反射峰，如“曝光时间4”所示，其波长差和谱线形态取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力，曝光时间的典型值为10分钟，预应力典型值为0.2牛顿。
[0032]如图3所示，为实施例1中，初始双峰波长差为0.44纳米(常温:25摄氏度)的次生_IIa型光纤布拉格光栅在各个温度下以及回到常温后的谱线对比情况。在温度达到200摄氏度时，双峰波长差减小为0.42纳米，随后当温度重新降温至常温(25摄氏度)，双峰波长差依旧为0.42纳米，说明200摄氏度温度被记录；当温度达到300摄氏度时，双峰波长差减小为
0.38纳米，随后当温度重新降温至常温(25摄氏度)，双峰波长差依旧为0.38纳米，说明300摄氏度温度被记录；当温度达到400摄氏度时，双峰波长差减小为0.35纳米，随后当温度重新降温至常温(25摄氏度)，双峰波长差依旧为0.35纳米，说明400摄氏度温度被记录；当温度达到500摄氏度时，双峰波长差减小为0.3纳米，随后当温度重新降温至常温(25摄氏度)，双峰波长差同样为0.3纳米，说明500摄氏度温度被记录；当温度达到600摄氏度时，双峰完全叠加，波长差为0，随后当温度重新降温至常温(25摄氏度)，谱线形状完全相同，波长差为O，说明600摄氏度温度被记录；
[0033]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，包括光纤纤芯，以及写制于光纤纤芯上的次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构，其特征在于，所述次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构具有双峰反射谱线，且双峰波长的差值具有温度记忆功能。2.根据权利要求1所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述双峰反射谱线分别对应于次生光栅和IIa型光栅，所述次生光栅反射峰位于所述IIa型光栅反射峰的短波长方向。3.根据权利要求2所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述次生光栅峰和所述IIa型光栅反射峰的峰值波长对于温度都具有正向响应，而所述次生光栅反射峰的温度响应大于所述IIa型光栅反射峰的温度响应，同时随着环境温度的提高，所述次生光栅反射峰在波长上呈现逐渐靠近所述IIa型光栅反射峰的趋势，当环境温度降温至常温时，此双峰并不会分开至初始状态，而是保持在最高温度时的波长差，通过对双峰波长差的追迹得出光栅所经受的最高温度，以此实现对温度的记忆功能。4.根据权利要求1所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述光纤纤芯直径小于6微米，纤芯锗离子含量大于10%。5.根据权利要求1所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述次生-1Ia型光纤布拉格光栅结构采用准分子激光器结合相位掩膜板，对所述光纤纤芯直接进行曝光，实现周期性折射率调制。6.根据权利要求5所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述准分子激光器采用193纳米紫外准分子激光器。7.根据权利要求5所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述相位掩膜板通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的设计，其光栅反射波长设计于C波段。8.根据权利要求5所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述对所述光纤纤芯直接进行曝光，实现周期性折射率调制中的传输谱线衍化过程为:首先，初生光栅随着曝光量的积累，光栅反射率逐渐增大，同时光栅的布拉格反射波长随着折射率正改变向长波方向漂移，体现典型的I型光栅衍化特征，当初生光栅反射率接近饱和时，次生光栅开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向；随后，初生光栅达到饱和后，随着曝光量的继续积累，反射强度逐渐消退开始衰减并达到最小值，而其反射波长依旧向长波方向漂移，上述过程中次生光栅的反射率逐渐增大且向长波方向移动，次生光栅的反射率将超过初生光栅，呈现双反射峰结构；最后，随着曝光量的继续累积，在长波长方向出现一个新的反射峰，且反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，为IIa型光栅的衍化特征，而次生光栅反射率继续增强并向长波方向移动，初生光栅完全消退，形成一个新的次生光栅-1Ia型光栅的双峰结构，次生光栅的反射率始终强于IIa型光栅，并处于短波长方向，上述过程中两个反射峰的波长移动方向相反，呈现相向移动，光栅的谱线最终状态是两个反射峰，具有一定的波长差，其波长差初始值取决于累积曝光量以及光栅写制时加载在光纤两端的预应力。9.根据权利要求1至8任一所述的一种具有温度记忆性的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述光纤纤芯的外面包覆着光纤包层。
【文档编号】G02B6/02GK105954831SQ201610227564
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】冉洋, 冯福荣, 关柏鸥, 金龙
【申请人】暨南大学