本發(fā)明涉及光纖測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵在光纖激光器和光纖傳感領(lǐng)域的研究和應(yīng)用非常重要，光柵周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長(zhǎng)周期光纖光柵(Long period fiber grating,LPFG)，其特點(diǎn)是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間耦合，基本無(wú)后向反射光，屬于透射型帶阻濾波器。與光纖布拉格光柵相比(Fiber Bragg grating,FBG)，長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)和諧振強(qiáng)度對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感，具有更大的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；同時(shí)，在光纖激光器領(lǐng)域，利用其敏感特性可以對(duì)透射譜峰進(jìn)行調(diào)諧，作為可調(diào)諧濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)可切換激光輸出。因此，長(zhǎng)周期光纖光柵具有更多的優(yōu)點(diǎn)，在光纖傳感和光纖激光領(lǐng)域具有更大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

相比于以上介紹的長(zhǎng)周期光纖光柵的傳統(tǒng)制備方法，利用飛秒激光光源，采用逐點(diǎn)刻寫方法在各種光纖內(nèi)制作布拉格光柵用于光纖傳感和光纖激光等領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。飛秒激光加工技術(shù)具有傳統(tǒng)激光加工技術(shù)中加工精高度、操作簡(jiǎn)便、效率高的技術(shù)特點(diǎn)，又憑借其飛秒量級(jí)的超短脈寬和帕瓦量級(jí)的超強(qiáng)峰值功率在光纖微納材料的高精密、高分辨率和低損傷的加工中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前飛秒激光制備光纖光柵主要是掩模法，掩模法是指將掩模板放置于光纖上方，采用飛秒激光照射工作波長(zhǎng)為800nm的掩模板，使光纖纖芯發(fā)生折射率變化。雖然該方法成柵一致性較好，但是由于掩模板成本較高，且制備長(zhǎng)周期光纖光柵靈活性較差。另外，長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜較寬，在實(shí)際測(cè)量中容易受到環(huán)境變化的影響，容易對(duì)應(yīng)變測(cè)量的精確度造成誤差。

因此，需要一種有效降低透射譜的寬度，提高測(cè)量的精確度的熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法，所述應(yīng)變測(cè)量方法包括如下步驟：

a、搭接雙程MZ結(jié)構(gòu)，所述雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器以及第一光纖、第二光纖、第三光纖和第四光纖；其中

所述第一光纖與第二光纖熔接在所述第一光耦合器與第二光耦合器之間，所述第三光纖和第四光纖的一端與第二光耦合器連接；

b、將長(zhǎng)周期光纖光柵熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中，其中長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖和第四光纖熔接，所述長(zhǎng)周期光纖光柵構(gòu)成雙程MZ結(jié)構(gòu)的反射端，其中

第三光纖和第四光纖選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖；

c、將步驟b熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)中熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的一側(cè)與應(yīng)變材料相貼合，逐漸改變應(yīng)變材料的應(yīng)變大小，選取長(zhǎng)周期光纖光柵的波谷為采樣點(diǎn)，利用光譜儀監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)移動(dòng)；

d、利用步驟c監(jiān)測(cè)到的波長(zhǎng)移動(dòng)繪制波長(zhǎng)與應(yīng)變變化的關(guān)系曲線，利用所述關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變的材料應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。

優(yōu)選地，通過(guò)長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)制備所述長(zhǎng)周期光纖光柵。

優(yōu)選地，所述改變應(yīng)變材料的應(yīng)變大小采用對(duì)應(yīng)變材料進(jìn)行拉伸、彎曲或壓縮的方式。

優(yōu)選地，所述長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行應(yīng)變?cè)籼幚怼?/p>

本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)，所述長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)包括光纖激光、波分復(fù)用器、摻銩光纖、單模光纖、高精度移動(dòng)平臺(tái)、飛秒激光器和光譜儀，所述單模光纖搭接在所述高精度移動(dòng)平臺(tái)上，一端連接光纖激光、另一端連接光譜儀，在所單模光纖的刻寫區(qū)域熔接細(xì)芯光纖。

優(yōu)選地，所述飛秒激光器設(shè)置在所述高精度移動(dòng)平臺(tái)上方，使所述飛秒激光器發(fā)射的激光與所述細(xì)芯光纖相互垂直，在所述飛秒激光器激光發(fā)射口設(shè)置光閘。

優(yōu)選地，所述所述細(xì)芯光纖的纖芯直徑為10/125微米。

優(yōu)選地，所述光纖激光的波段選取1500～1620nm。

本發(fā)明由于雙程MZ結(jié)構(gòu)具有較窄的梳狀譜密度，而長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜通常較寬，兩者結(jié)合，能夠有效降低透射譜的寬度，提高測(cè)量的精確度。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)；

圖2示出了本發(fā)明熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)；

圖3示出了本發(fā)明熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法的流程圖；

圖4示出了本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵波長(zhǎng)與應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

下文中闡釋本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，具體而言本實(shí)施例中首先制備需要熔接在雙程MZ結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)周期光纖光柵。應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所述的雙程MZ結(jié)構(gòu)是雙程馬赫曾德結(jié)構(gòu)。

如圖1所示本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)，本實(shí)施例中根據(jù)本發(fā)明提供的本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)100刻寫長(zhǎng)周期光纖光柵，所述長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)包括包括光纖激光101、波分復(fù)用器102、摻銩光纖104、單模光纖103、高精度移動(dòng)平臺(tái)105、飛秒激光器107和光譜儀106，其中

單模光纖103搭接在高精度移動(dòng)平臺(tái)105上，單模光纖103的一端通過(guò)波分復(fù)用器102連接光纖激光101、另一端連接光譜儀106，在單模光纖103的刻寫區(qū)域110熔接細(xì)芯光纖111，飛秒激光器107設(shè)置在所述高精度移動(dòng)平臺(tái)105上方，使所述飛秒激光器107發(fā)射的飛秒激光與細(xì)芯光纖111相互垂直，在飛秒激光器107的激光發(fā)射口108前端設(shè)置光閘109用于對(duì)飛秒激光光路進(jìn)行調(diào)整，飛秒激光器107發(fā)射飛秒激光并進(jìn)行調(diào)制后，飛秒激光進(jìn)入高精度移動(dòng)平臺(tái)105在細(xì)芯光纖111上刻寫形成長(zhǎng)周期光纖光柵。本實(shí)施例中飛秒激光器107可以是在前、后、左、右四個(gè)方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)飛秒激光與細(xì)心光纖111的相對(duì)位置。

利用本發(fā)明實(shí)施例的上述長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)刻寫過(guò)程中，單模光纖103的另一端連接光譜儀106對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的刻寫過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證長(zhǎng)周期光纖光柵刻寫的準(zhǔn)確性。

本實(shí)施例中優(yōu)選細(xì)芯光纖的纖芯直徑為10/125微，光纖激光101的波段選取1500～1620nm。本實(shí)施例刻寫的長(zhǎng)周期光纖光柵的透射波長(zhǎng)在1.5微米波段，將刻寫好的長(zhǎng)周期光纖光柵與雙程MZ結(jié)構(gòu)結(jié)合進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)定和測(cè)量。

如圖2所示本發(fā)明熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)，熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)包括雙程MZ結(jié)構(gòu)和一段長(zhǎng)周期光纖光柵208，這里的長(zhǎng)周期光纖光柵208由本發(fā)明提供的長(zhǎng)周期光纖光柵直寫系統(tǒng)制備，從而實(shí)現(xiàn)與雙程MZ結(jié)構(gòu)配套熔接，其中

雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207。

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。長(zhǎng)周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中構(gòu)成熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)，其中

熔接方式為：長(zhǎng)周期光纖光柵208的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，長(zhǎng)周期光纖光柵208構(gòu)成雙程MZ結(jié)構(gòu)的反射端。本實(shí)施例中第三光纖207和第四光纖208選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，從而保證與纖芯直徑為10/125微的長(zhǎng)周期光纖光柵配套熔接。

本發(fā)明熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法借助熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，為了更加清楚的說(shuō)明，本實(shí)施例示例性的本發(fā)明的應(yīng)變測(cè)量方法進(jìn)行闡釋，如圖3所示本發(fā)明熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)變的方法的流程圖，具體而言，所述應(yīng)變測(cè)量方法包括如下步驟：

步驟S101、搭接雙程MZ結(jié)構(gòu)，所述雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207；其中

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。

步驟S102、雙程MZ結(jié)構(gòu)中熔接長(zhǎng)周期光纖光柵208，將長(zhǎng)周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中，其中將刻有長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，使長(zhǎng)周期光纖光柵208構(gòu)成雙程MZ結(jié)構(gòu)的反射端，其中

第三光纖206和第四光纖207選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，對(duì)熔接的長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行應(yīng)變?cè)籼幚怼?/p>

步驟S103、將步驟S102中熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)中熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的一側(cè)與應(yīng)變材料相貼合，逐漸改變應(yīng)變材料的應(yīng)變大小，選取長(zhǎng)周期光纖光柵的波谷為采樣點(diǎn)，利用光譜儀監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)移動(dòng)。改變應(yīng)變材料的應(yīng)變大小采用對(duì)應(yīng)變材料進(jìn)行拉伸、彎曲或壓縮的方式，本實(shí)施例優(yōu)選采用對(duì)應(yīng)變材料進(jìn)行拉伸應(yīng)變的方式。

步驟S104、利用步驟步驟S103監(jiān)測(cè)到的波長(zhǎng)移動(dòng)，繪制波長(zhǎng)與應(yīng)變變化的關(guān)系曲線，利用所述關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。

為了對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做出更加清楚的說(shuō)明，下面對(duì)MZ結(jié)構(gòu)的干涉原理做具體說(shuō)明：

光源發(fā)射光強(qiáng)為I的光進(jìn)入MZ結(jié)構(gòu)，其中光強(qiáng)I滿足

其中I₁、I₂和分別為細(xì)芯光纖中纖芯和包層的光強(qiáng)和相移差，且

其中，n₁和n₂分別為纖芯和包層的有效折射率，L₁和L₂分別為光束在纖芯和包層中傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。由于干涉臂長(zhǎng)度相等，且存在折射率差Δn，則有

由公式(1)和公式(3)可知，傳輸譜中的峰值發(fā)生在滿足下式的波長(zhǎng)處，其中m為整數(shù)

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，公式(4)表示為

m＝LΔn/λ (5)

對(duì)公式(5)中λ進(jìn)行求導(dǎo)可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波長(zhǎng)λ處傳輸譜中相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔為

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式(7)可知，MZ結(jié)構(gòu)的梳狀譜中，相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔與中心波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)中心波長(zhǎng)一定時(shí)，相鄰峰值的波長(zhǎng)間隔是細(xì)芯光纖長(zhǎng)度和纖芯與包層間折射率差的函數(shù)。

本發(fā)明的實(shí)施例在MZ結(jié)構(gòu)干涉原理的基礎(chǔ)上，采用了雙程MZ結(jié)構(gòu)，雙程MZ的透射光譜調(diào)制深度是單程MZ的2倍，具有較窄的梳狀譜密度。

實(shí)施中的上述應(yīng)變測(cè)量方法將長(zhǎng)周期光纖光柵與雙程MZ結(jié)構(gòu)熔接進(jìn)行長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程中，熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)置于溫控箱中，光由光源201發(fā)射有第一耦合器202分成兩束，分別進(jìn)入第一光纖203和第二光纖204，經(jīng)過(guò)第二耦合器205將兩束光進(jìn)行耦合后再次分成兩束后，分別進(jìn)入第三光纖206和第四光纖207，之后由長(zhǎng)周期光纖光柵208反射。

同時(shí)，逐漸對(duì)應(yīng)變材料進(jìn)行拉伸，隨著拉力對(duì)應(yīng)變材料的拉伸過(guò)程，應(yīng)變材料的發(fā)生應(yīng)變，長(zhǎng)周期光纖光柵的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，選取長(zhǎng)周期光纖光柵的波谷為采樣點(diǎn)，繪制長(zhǎng)周期光纖光柵與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，如圖4所示本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵波長(zhǎng)與應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。對(duì)待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)中熔接長(zhǎng)周期光纖光柵的一側(cè)與待測(cè)應(yīng)變材料粘貼，通過(guò)光譜儀采集波長(zhǎng)移動(dòng)，通過(guò)繪制的曲線得到待測(cè)應(yīng)變材料的應(yīng)變。

本發(fā)明中由于雙程MZ結(jié)構(gòu)具有較窄的梳狀譜密度，而長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜通常較寬，因此將兩者結(jié)合，能夠有效降低透射峰的寬度，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。