一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器   0    0

[0001] 本发明提供了一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器，属于光纤传感领域。

[0002] 倾斜光纤光栅是一类特殊的布拉格光纤光栅，其光栅栅面与光纤轴存在一定的倾斜夹角而不是垂直，许多不同于普通布拉格光纤光栅的特性也因此出现。正向传播的纤芯导模经过倾斜光纤光栅时，由于倾角的存在，满足相位匹配条件的纤芯导模一部分耦合到包层中去，成为后向传输的包层模式，一部分仍然耦合为纤芯内后向传输的布拉格波长。倾斜光纤光栅的折射率调制在圆柱平面内具有非对称性，因此电矢量偏振方向不同的光在通过光纤光栅区域时，偏振方向不同的光之间的耦合强度也各不相同，即倾斜光纤光栅具有偏振光依赖性。

[0003] 表面等离子效应在光纤光栅中的应用也对光纤光栅的发展起到了极大的促进作用。在倾斜光纤光栅的包层上镀金之后，包层模产生的倏逝波会产生表面等离子共振增强效应，偏振态不同的光受到不同的影响，倏逝场的增强也极大的提高了光纤光栅传感器的灵敏度和分辨率。

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器。该装置能够将待测的扭曲角度变化量转化为透射光谱强度变化。具有结构简单、易于操作、量程大、灵敏度高等特点。

[0005] 本发明通过以下技术方案实现：

[0006] 一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、连接光纤(3)、镀金倾斜光纤光栅(4)、扭曲支架(5)和光谱仪(6)组成；宽带光源(1)和偏振控制器(2)通过连接光纤(3)相连，偏振控制器(2)和镀金倾斜光纤光栅(4)通过连接光纤(3)相连，镀金倾斜光纤光栅(4)左端固定在扭曲支架(5)上，镀金倾斜光纤光栅(4)右端连接扭曲支架(5)可旋转端，镀金倾斜光纤光栅(4)和光谱仪(6)通过连接光纤(3)相连，其中扭曲支架(5)左右两端给镀金倾斜光纤光栅(4)施加一定的预应力使得镀金倾斜光纤光栅(4)保持直线状态，镀金倾斜光纤光栅(4)作为扭曲测量的传感探头。

[0007] 所述的一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器，其特征在于：镀金倾斜光纤光栅(4)长度为10～20毫米，栅面倾角为6～30度。

[0008] 所述的一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器，其特征在于：镀金倾斜光纤光栅(4)表面所镀金膜厚度为50～100纳米。

[0009] 本发明的工作原理是：宽带光源(1)发出光波，通过偏振控制器(2)得到沿特定方向偏振的线偏振光，线偏振光沿连接光纤(3)入射进入镀金倾斜光纤光栅(4)，镀金倾斜光纤光栅(4)在扭曲支架(5)右端旋转扭曲装置的控制下会发生扭曲，由光纤光栅模式耦合理论可知，纤芯内的偏振光经倾斜栅面耦合进入包层时，包层中线偏振光的状态会发生变化，镀金层的表面的等立体共振效应会增强包层倏逝场效应，垂直于包层切面的P态偏振光容易穿透镀金层而成为辐射模，平行于切面方向的S态偏振光则更多的被抑制在包层中，从而P态和S态偏振光不同的偏振态强度变化在镀金层表面等离子体谐振效应下产生更加明显的差异，扭曲角度变化量的大小转化为输出偏振光强度变化的大小，最后通过光谱仪测量出P态和S态偏振光的输出光功率即可。首先，当传感探头，即镀金倾斜光纤光栅(4)，没有发生扭曲的时候，假设入射偏振光为S态偏振光(电矢量方向在光纤包层切面方向)，S态偏振光到达镀金倾斜光纤光栅(4)时由于光栅的耦合作用，部分光束耦合进入包层中，根据倾斜光纤光栅耦合特性原理，包层中的偏振光的偏振方向与纤芯入射偏振光的偏振方向一致。然后，当镀金倾斜光纤光栅(4)受到扭曲作用的时候，假设扭曲角度大小为θ，入射光的偏振态仍然不变，但是此时光栅栅面在扭曲作用下已经偏离原来位置θ度，耦合到包层中的偏振光的电矢量方向不再与入射偏振光的电矢量方向一致，而是同样产生θ度夹角，以垂直于包层切面方向为x轴，以入射光前进方向为z轴建立坐标系，记包层中偏振光的强度大小为Ec，Ec可以分解为沿x方向Ecx和沿y方向的Ecy：

[0010] Ecx=Ec cosθ

[0011] Ecy=Ec sinθ

[0012] 扭曲角度发生变化时，x方向和y方向偏振光分量的大小也会随之发生变化。Ecx是P态偏振光，Ecy是S态偏振光，以P态和S态偏振光强度大小之差作为扭曲角度θ的函数，用y标示光强大小，用x标示扭曲角度大小，可以得出0度至90度二者之间的线性变化关系：

[0013] y=22.3032-0.53646x+0.00245x2

[0014] 本发明的有益效果是：该装置能够将待测扭曲角度的变化转化为输出光强度的变化，通过测量不同偏振光输出强度之差方便实现扭曲测量，避免了采用波长漂移等方法带来的不稳定性，同时利用倾斜光纤光栅的可以有效的解决传感中的温度交叉敏感效应，该传感器还具有灵敏度高、量程大、结构简单、易于操作等优点。

[0020] 下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

[0021] 参见附图1，一种基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、连接光纤(3)、镀金倾斜光纤光栅(4)、扭曲支架(5)和光谱仪(6)组成；宽带光源(1)和偏振控制器(2)通过连接光纤(3)相连，偏振控制器(2)和镀金倾斜光纤光栅(4)通过连接光纤(3)相连，镀金倾斜光纤光栅(4)左端固定在扭曲支架(5)上，镀金倾斜光纤光栅(4)右端连接扭曲支架(5)可旋转端，镀金倾斜光纤光栅(4)和光谱仪(6)通过连接光纤(3)相连，其中扭曲支架(5)左右两端给镀金倾斜光纤光栅(4)施加一定的预应力使得镀金倾斜光纤光栅(4)保持直线状态，镀金倾斜光纤光栅(4)作为扭曲测量的传感探头。

[0022] 本实例中选用的宽带光源(1)以中心波长为1550nm、带宽为200nm的宽带光源，连接光纤(3)是纤芯直径为9微米，包层直径为125微米的单模光纤，镀金倾斜光纤光栅(4)利用氟化氪准分子脉冲激光器制作而成，采用的方法是相位掩膜法，所使用的光纤是Corning SMF-28载氢光敏单模光纤，其长度为10毫米，栅面倾角为10度，布拉格波长为1610纳米，镀金倾斜光纤光栅(4)表面所镀金膜厚度为50纳米，采用溅射工艺法使金层沉积在倾斜光纤光栅表面；图2给出了本传感器中镀金倾斜光纤光栅在不同扭曲角度下的透射光谱图；选取某一范围包层模作为测量对象，包层模谐振峰中的P态和S态偏振分量在扭曲作用下逐渐发生变化，如图3所示，图4给出了P态和S态输出偏振光强度随扭曲角度θ变化关系，把二者强度做差即可得出图5中P-S光强差与扭曲角度θ的函数关系。

[0015] 图1是本发明的基于镀金倾斜光纤光栅的扭曲测量传感器示意图；

[0016] 图2是本发明的透射光谱图；

[0017] 图3是本发明的所选包层模谐振波长P态和S态偏振光强度随扭曲角度θ变化光谱图；

[0018] 图4是本发明的P态和S态输出偏振光强度随扭曲角度θ变化关系图；

[0019] 图5是本发明的P-S光强差与扭曲角度θ函数关系图。