長周期光纖光柵的彎曲傳感特性

江柳清，胡義慧，江 超

（湖北師范大學物理與電子科學系，湖北黃石 435002）

長周期光纖光柵的彎曲傳感特性

江柳清，胡義慧，江 超

（湖北師范大學物理與電子科學系，湖北黃石 435002）

長周期光纖光柵是一種先進的光纖無源器件，在光纖傳感領域中應用廣泛。利用高頻CO2激光刻寫了長周期光纖光柵，進行了彎曲傳感特性實驗。實驗結果表明：在圓周角度達到80°時和320°時彎曲靈敏度最高，在80°時彎曲量越大諧振波長越小，彎曲量與諧振峰波長變化呈線性關系。在圓周角度達到0°和160°時彎曲靈敏度最低，在160°時彎曲量變化時諧振峰波長基本不變。在0°～360°之間，彎曲量與損耗幅值變化均呈現一定的線性關系。因此，能夠利用長周期光纖光柵制作高靈敏度彎曲傳感器。

光纖光柵傳感器；長周期光纖光柵；高頻CO2激光；彎曲特性

0 引言

長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統中不需隔離器，測量精度較高［1］。與光纖布拉格光柵不同，長周期光纖光柵的光柵周期相對較長，滿足相位匹配條件的是同向傳輸的纖芯基模和包層模。這一特點導致了長周期光纖光柵的諧振波長和幅值對外界環境的變化非常敏感，具有比光纖布拉格光柵更好的溫度、應變、彎曲、橫向負載、折射率靈敏度［2－6］。因此，長周期光纖光柵在光纖傳感領域具有比光纖布拉格光柵和其他傳感器器件更多的優點和更加廣泛的應用。利用長周期光纖光柵有多個損耗峰的特性，可以用一個長周期光纖光柵實現對多參數的測量［7］。傳統長周期光纖光柵傳感特性的研究，都是基于紫外寫入的光柵，隨著一些新的長周期光纖光柵的出現，相應的傳感特性的研究不斷出現，特別是CO2激光寫入的長周期光纖光柵的傳感特性［8－10］。本文研究CO2激光器刻寫的長周期光纖光柵的彎曲傳感特性，試圖得出一些有益的結論，為光纖光柵彎曲量傳感器提供一些有益的參考。

1 彎曲特性實驗

長周期光纖光柵的彎曲實驗裝置如圖1所示。首先調節實驗裝置，使兩個三維移動平臺的X軸在同一條直線上，Y軸和Z軸保持平行，使得三維平臺在移動X軸時靠向一起能完全重合在一起。然后光纖光柵從寬帶光源出發，依次穿過兩個三維移動平臺再到光譜分析儀，刻寫好的長周期光纖光柵位于兩個三維移動平臺正中間，調節三維平臺X軸，使光纖光柵保持繃直狀態。實驗時，旋轉轉輪使圓周角度從0度依次遞增，每隔40度測試一次實驗數據，記錄數據，繪制表格，找出實驗中光纖光柵對彎曲最敏感和最不敏感方向的圓周角度，然后針對這個角度進行詳細測量，彎曲量從0mm遞增，每隔0．5mm測試一次實驗數據，記錄數據，繪制表格，對數據進行分析，得出結論。

圖1 長周期光纖光柵彎曲實驗裝置示意圖

2 實驗結果與分析

利用高頻CO2激光器刻寫出長周期光纖光柵［9－10］，圖2為刻寫的長周期光纖光柵的透射譜。下面是利用該光柵進行的彎曲傳感特性實驗研究獲得的數據與結果，以及分析和結論。

圖2 高頻CO2激光器刻寫的長周期光纖光柵的透射譜（選擇一個諧振峰）

表1 圓周角度從0°到360°依次遞增40°時諧振波長與損耗幅值

由表1可以畫出圖3、4曲線圖（如圖3、圖4）：

圖3 不同圓周方向彎曲時諧振波長隨圓周角度的變化圖

圖4 不同圓周方向彎曲時損耗幅值隨圓周角度的變化圖

通過以上從0°到360°旋轉光纖光柵過程中測量出的數據，可以發現：

1）長周期光纖光柵諧振峰波長對彎曲最敏感的方向是80°和320°；2）長周期光纖光柵諧振峰波長對彎曲最不敏感的方向是0°和160°．

由以上數據，選取最敏感和最不敏感兩個方向分別測量彎曲量與諧振峰波長及損耗幅值的關系。每隔0．5mm測量一次諧振峰波長與損耗幅值，總共彎曲量為3mm．

表2 最敏感方向（80°）時測量的彎曲量與損耗峰波長和幅值的數據

表3 最不敏感方向（160°）時測量的彎曲量與損耗峰波長和幅值的數據

由表2數據可以繪出變化曲線圖如圖5、6，表3．數據可以繪出變化曲線圖如圖7、8．

圖5 圓周角為80°時諧振波長與光柵彎曲量的關系圖

圖6 圓周角為80°時損耗幅值與光柵彎曲量的關系圖

圖5中藍線為線性擬合后的曲線，線性擬合公式為：

線性度：R2＝0．933；可得其彎曲靈敏度為－1．136，且線性度較好。

由圖6可見，除去第一個點后曲線線性度較好，去掉第一個點后的線性擬合公式為：

線性度：R2＝0．9675，最敏感方向的損耗幅值靈敏度可達到－3．291dB，且在測量范圍內，相對總的損耗幅值變化量20dB，這個值還是很顯著的。

圖7 圓周角為160°時諧振波長與光柵彎曲量的關系圖

圖8 圓周角為160°時損耗幅值與光柵彎曲量的關系圖

圖7為最不敏感方向160°的諧振峰波長與彎曲量的關系圖，從圖中可以看到，諧振峰波長隨彎曲量的增加沒有變化。

圖8是160°時損耗幅值與彎曲量的關系圖，可以發現，隨彎曲量的增加，損耗幅值呈現近似線性的增加，但增加幅度較小，總變化量大約為2dB。損耗幅值與彎曲量的線性擬合公式（線性度為0．9327）：

綜合諧振波長和損耗幅值的變化來看，在160°這個圓周方向上，所刻寫的長周期光纖光柵的諧振波長對彎曲量的變化不敏感，這也印證了前面彎曲方向相關性的實驗結果。

通過實驗及分析數據得到以下結論：

1）在圓周角度達到80°時和320°時靈敏度最高。在80°時，彎曲量越大，諧振波長越小，彎曲量與諧振峰波長變化呈線性關系；彎曲量越大，其損耗幅值越小，也呈線性關系。

2）在圓周角度達到0°和160°時靈敏度最低。在160°時，彎曲量變化時，諧振波長基本不變；而且彎曲量變化時，損耗幅值越大，也呈現一定的線性關系。

3 結束語

實驗研究了高頻CO2激光脈沖刻寫的長周期光纖光柵的彎曲特性，實驗測量了彎曲量以及圓周扭曲角度下諧振波長和損耗幅值等量的變化規律，得出高頻CO2激光脈沖刻寫的長周期光纖光柵諧振波長的橫向負載特性具有明顯的負載方向相關性，在圓周0°～360°范圍內，存在兩個對諧振波長線性最敏感的彎曲方向，和兩個不敏感的彎曲方向。利用這些結論，可以制作出性能優良的彎曲度測量傳感器。

［1］饒云江，王義平，朱 濤．光纖光柵原理及應用［M］．北京：國防工業出版社，2006．

［2］王義平．新型長周期光纖光柵特性研究［D］．重慶：重慶大學，2003．

［3］Gaudron J O，Surre F，Sun T，et al．Long period grating－based optical fiber sensor for the underwater detection of acoustic waves［J］．Sensors ＆Actuators A Physical，2013，201，（10）：289～293．

［4］張黎明，張小棟，牛 杭．齒輪彎曲應力的光纖動態測試系統設計［J］．光電工程，2016，43（3）：36～40．

［5］Fei Tian，Jiri Kanka，Henry Du．Characterization of external refractive index sensitivity of a photonic crystal fiber long－period grating［J］．Chinese Optics Letters，2015，13（7）：45～47．

［6］何萬迅，施文康，葉愛倫．基于長周期光纖光柵的高靈敏度溫度傳感方案［J］．傳感技術學報，2002，36（l）：60～63．

［7］梁麗麗，劉明生，李 燕，等．長周期光纖光柵溫度傳感器應變交叉敏感的研究［J］．紅外與激光工程，2015，44 （3）：1020～1023．

［8］Davis D D，Gaylord T K，Glytsis E N，et al．Long－period fiber grating fabrication with focused CO2laser pulses ［J］．Electronics Letters，1998，34（3）：302～303．

［9］王義平，饒云江，冉 曾，等．高頻CO2激光脈沖寫入的長周期光纖光柵傳感器的特性研究［J］．物理學報，2003，52（6）：1432～1437．

［10］Rao Y J，Ran Z L，Zhu T．Novel Fiber－Optic Sensors Based on Long－Period Fiber Gratings Written by High－Frequency CO2Laser Pulses［J］．Journal of Lightwave Technology，2003，52（6）：1432～1437．

Bend－sensing characteristics of long period fiber gratings

JIANG Liu－qing，HU Yi－hui，JIANG Chao

（College of Physics and Electronic Science，Hubei Normal University，HuangShi，435002，China）

Long period fiber gratings were an advantage passive fiber device．They were applied in optical sensing widely．Long period fiber gratings had been written with high frequency CO2laser，and the bend sensing characteristics experiments had been finished．The experimental results showed that the bend sensitivity was highest at 80degree of circle and 320degree of circle．The resonance wavelength changed smaller with bend size increasing and the linear dependence for bend size on resonance wavelength at 80degree of circle．The bend sensitivity was lowest at 0degree of circle and 160degree of circle．The resonance wavelength had not changed with bend size changing at 160degree of circle．The dependence for gratings loss amplitude on bend size was linear at 0to 360degree of circle．Thus，long period fiber gratings could be fabricated high sensitivity bend sensor．

fiber grating sensor；long period fiber gratings；high frequency CO2laser；bend properties

TN253

A

1009－2714（2016）04－0030－05

10．3969／j．issn．1009－2714．2016．04．008

2016—06—16

湖北師范大學2015年優秀創新團隊項目資助（T201502）．

江柳清（1990— ），男，碩士研究生，主要從事光纖光柵傳感器方面的研究．