[發明專利]一種飛秒激光直寫FBG結合光纖微球的溫度及氣壓測試方法

在審

• 申請號: 202011431494.0
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112729600A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 張雯;祝連慶;何巍;董明利;李紅;莊煒;何彥霖
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01L11/02;G02B6/02
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11416
• 代理人: 王琦;龐立巖

本發明涉及飛秒激光直寫布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)結合光纖微球的溫度及氣壓測試方法。該傳感器主要由飛秒激光制備的FBG和化學腐蝕結合電弧放電制備的光纖微球結構組成，可實現溫度和氣壓的同時測量。采用本發明提供的技術方案制作的飛秒激光直寫FBG結合光纖微球溫度氣壓傳感器為全光纖結構，可避免電磁干擾，耐高溫，可實現溫度和折射率的同時測量。同時，其結構及制作工藝簡單，可靠性好、靈敏度高。

技術領域

本發明屬于光纖傳感器件領域，特別涉及一種飛秒激光直寫FBG結合光纖微球的溫度及氣壓測試方法。

背景技術

光纖傳感器具有諸多優良特性，可實現復雜環境下的測量工作具有非常廣泛的應用價值。它具有抗電磁干擾、抗輻射、靈敏度高、重量輕、絕緣防爆、耐腐蝕等特點，且光纖尺寸微小，具有良好的光傳輸性能。在光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)是常見的傳感器件，具有結構簡單、體積小、動態范圍大、靈敏度高等優勢，在航空航天、橋梁水利、周界安防、生物醫學等重要領域中受到廣泛關注。FBG是一種在纖芯內形成的空間相位周期性分布的柵類結構，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。當外界溫度變化時，光纖材料的熱脹冷縮會影響柵類結構之間的相對位移，從而使得反射波長產生漂移。通過解調波長漂移的范圍，可以直觀計算出外界溫度的變化。

然而，如何改變傳統光纖FBG傳感器單點檢測的局限性、擴展檢測對象范圍，是光纖傳感器的發展方向。普通光纖FBG傳感器為圓柱型結構，無法直接對待測環境的壓強進行檢測。通過化學腐蝕結合電弧放電制備光纖微球結構，外界氣壓的變化作用于球體，使得纖芯中傳播的光在兩個反射面間的光程差產生變化。通過光纖微球干涉條紋的疏密變化，即可實現外界氣壓的傳感。使用飛秒激光直寫制備FBG，并采用化學腐蝕結合電弧放電制備光纖微球結構，將兩種光纖結構結合進行測量，避免多參數測量時的交叉干擾，實現溫度和氣壓的雙參數測量。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種飛秒激光直寫FBG結合光纖微球的溫度及氣壓測試方法，本發明采用全光纖式結構，可避免電磁干擾對檢測結果的影響。使用飛秒激光制備的FBG可以耐受高溫，使用化學腐蝕結合電弧放電制備的光纖微球結構可以實現氣壓傳感，因此該結構可以擴展傳感參數，同時實現溫度與氣壓的測量。該傳感器可靠性高，使用時只需將傳感器所在部分置于待測環境中，另一端連接光譜儀即可完成測試系統的實時雙參數測量，增加裝置的適用性。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種飛秒激光直寫FBG結合光纖微球制備方法，所述方法包括以下步驟：

(a)飛秒激光制備布拉格光纖光柵，步驟a1、將SMF-28E光纖置于三維移動平臺上，保證視野清晰；步驟a2、將飛秒激光光斑聚焦至所述SMF-28E光纖的纖芯上，采用直寫方式在所述纖芯區域制備布拉格光纖光柵；

(b)化學腐蝕結合電弧放電制備光纖微球結構，步驟b1、將單模光纖端面去除涂覆層，經酒精擦拭后切平，置于氫氟酸溶液中進行端面腐蝕；步驟b2、將腐蝕后的光纖與普通切平光纖置入熔接機內，采用纖芯對準方式，更改放電量與放電時間，完成光纖微球結構制備；

(c)制備光纖FBG結合微球結構，將所述飛秒激光直寫布拉格光纖光柵與所述光纖微球結構通過熔接機高溫電弧放電進行級聯，制備光纖傳感器。

優選的，所述氫氟酸溶液濃度為5％-40％。

一種飛秒激光直寫FBG結合光纖微球的溫度測試方法，所述方法包括以下步驟：步驟301、將光纖傳感器放置于加熱臺表面，所述光纖傳感器通過光纖環行器與光源、光纖傳感分析儀相連；步驟302、改變所述加熱臺溫度，對所述光纖傳感器放進行溫度傳感測試，通過所述光纖環行器使用光纖FBG的反射干涉光譜傳輸至所述光纖傳感分析儀形成反射光譜譜線。