胡义慧，郭小珊，江 超，刘继兵

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

用于温度与应力同时测量的光纤传感器

胡义慧，郭小珊，江 超，刘继兵

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

为了实现温度和应力的高精度同时测量，利用波长800nm飞秒激光脉冲在普通单模光纤上加工一个微腔，然后用拉锥机把光纤拉成一个锥形光纤，微腔变为椭圆形腔，利用光纤切割刀把锥形光纤的一个端面切断后与普通单模光纤熔接在一起，构成一个Mach-Zehnder干涉仪，利用它进行温度和应力同时测量。理论分析了该传感器实现温度和应力同时测量的原理，利用该结构进行了温度与应力传感实验。实验结果表明：利用传感器透射谱第一个谐振峰(dip1)进行测量获得的灵敏度为40.4 pm/℃和0.32 pm/με；利用传感器透射谱第二个谐振峰(dip2)进行测量获得的灵敏度为52.0 pm/℃和0.38pm/με。这种光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高的特点。

光纤传感技术；飞秒激光；温度传感器；应力传感器；光纤微结构

0 引言

随着飞秒激光技术的快速发展，飞秒激光微纳制造技术日趋成熟。该技术具有加工精度高，质量好，能够实现三维加工等优点，被广泛应用于微纳光纤器件制造中。飞秒激光脉冲能量能够在极短时间内注入到焦点区域的材料内，有效抑制了加工过程中热效应的影响，属于冷加工技术。近年来，人们利用飞秒激光微纳制造技术在光纤表面或内部制作了新颖的光纤器件[1-3]。还能够利用飞秒激光在光纤中制作各种类型的传感器[4-10]，例如，利用飞秒激光器在光纤中制作Fabry-Perot(F-P)干涉仪传感器[4-5]，能够用于各种物理量的测量中；利用飞秒激光器在光纤中制作Mach-Zehnder干涉仪(MZI)传感器[6-10]，由于灵敏度高在传感领域也得到广泛应用。本文利用飞秒激光微纳制造技术构造了一种能够用于温度与应力同时测量的MZI。介绍了传感头的制作方法，分析了该结构实现温度和应力同时测量的原理，实验测量了该传感器温度灵敏度与轴向应力灵敏度。

1 光纤传感头的制作方法与传感原理分析

1.1 光纤传感头的制作方法

利用飞秒激光微加工技术、光纤拉锥技术与光纤熔接技术制作了图1所示的新型光纤温度和应力传感器探头。首先，把普通单模光纤剥去涂覆层，用光纤切割刀把单模光纤端面切割平整，将此端面垂直固定在显微镜下的三维平台上；然后，用波长800nm、脉冲宽度35fs、重复频率为1KHz的飞秒激光经过20×物镜聚焦后照射到光纤端面中心位置上，飞秒激光功率控制在20mW，通过显微镜顶端CCD实时观察光纤端面的变化，在单模光纤端面中心加工出一个凹形槽， 利用光纤熔接机将它与另外一个端面平滑的单模光纤熔接起来，进行可控光纤拉锥，在光纤内部形成一个长度理想的空气腔，空气微腔两端的光纤直径要小于普通单模光纤直径。最后，将空气微腔一端的锥形光纤切断，用特种光纤熔接机(Fujikura FSM-100P+)把它与普通单模光纤再熔接起来，构成一个理想的传感器探头。

图1 飞秒激光在光纤中加工的微腔结构与光传输示意图

1.2 传感原理分析

在图1中，由于在光纤内部形成了一个空气腔和对光纤进行了拉锥，使得原来在光纤内部传播光的模式发生了改变。光经过纤芯、空气腔和锥形光纤时被分为两部分，一部分沿包层传播，另外一部分在空气腔内传播，空气腔中的模与包层模会形成干涉；同时光在直径较细与较粗的光纤连接处，包层模和纤芯模也会形成干涉。选择好参数后最终形成一个马赫泽德干涉仪，透射谱就会形成一个稳定的分布。当外界条件(例如温度或应力)改变时，会造成光纤纤芯有效折射率的变化，从而使透射谱的谐振幅值波长发生线性改变。通过测量谐振峰值波长的改变，可以进行温度或应力等物理量的测量。设空气腔和包层的光表示为Iair和Iclad，经过空气腔后两束光会发生干涉。干涉强度可表示为：

(1)

λ为入射光的波长，L为空气腔的腔长，为纤芯与空气腔的有效折射率差。设L为常数，当两束光满足马赫泽德干涉仪条件时，可以推导出谐振峰值波长随温度变化的关系[10]：

(2)

(3)

(4)

同样在微拉过的光纤与普通光纤连接处，较细光纤纤芯和包层传输的光会在普通光纤的纤芯中再次发生耦合，形成更多的干涉条纹。我们取其中两个对温度与应力比较敏感的谐振峰波长作为测量对象，通过监测它们的波长变化量，找出波长变化量与温度和应力之间的对应关系，可以写成下面变化关系矩阵：

(5)

△λ1和△λ2是选定的两个谐振峰波长的变化量，kT1KT2和kε1Kε2分别表示两个峰对应的温度和应力测量灵敏度。△T和△ε分别表示光纤的温度和轴向应力的变化量。通过对这个矩阵进行反变换，能够获得温度和轴向应力的同时测量的关系式：

(6)

2 实验结果与分析

2.1 传感器探头干涉光谱的测量

在室温下(22℃)，把制作好的光纤传感探头连接上宽带光源与光谱分析仪，在没有施加轴向应力的情况下，测得的透射谱如图2所示，透射谱是一个稳定的分布。与文献[10]相比，我们这个结构由于发生了两次干涉，获得更多光谱谐振峰，为进行多参量同时测量提供了更多的选择。在后面实验中，我们选择图中dip1与dip2这两个强度较大、波长相隔较远的两个谐振峰值波长作为测量对象进行实验研究。

图2 光纤MZI的透射光谱图

图3 光纤MZI的干涉光谱的空间频谱图

为了分析干涉模式的数量与功率分布，把图2的波谱通过傅里叶变换得到了图3的空间频谱。从图中可以分析，第一个功率强度峰在零点，涉及到的是纤芯模。非零点的功率强度分布峰是纤芯模与包层模相互耦合作用的结果。图中第二个强度分布峰是纤芯模与低阶包层模耦合作用的结果。图中多个较小的强度峰对应高阶包层模。纤芯模与高阶包层模之间的那些干涉也修饰了整个干涉的包络，对整个稳定的干涉分布均作出了贡献。

2.2 温度与应力同时传感测量

光纤传感实验装置如图4所示，实验装置包括宽带光源(BBS)、光谱分析仪(AQ6370D)、精密可控温度炉(GSL-1600X，温度精度为±1℃)、两个平台一个固定平台和一个可以移动平台。利用温度炉进行温度传感测量实验，利用可移动平台进行应力测量实验。

图4 光纤传感测量的实验装置示意图

在温度测量实验时：将光纤传感器探头部分放在温度炉里，用控温程序控制温度均匀上升，从50℃上升到110℃，每隔10℃用光谱仪记录下传感器的透射谱数据，传感器在每一个温度测量点保持30min，以保证测量数据的准确性。图5为记录的不同温度下传感器的透射谱波形变化图。

图5 不同温度下传感器的透射谱波形变化图

图6 不同温度下谐振峰值波长变化的线性拟合图

从图5可以发现，当温度上升时，透射谱的谐振峰值波长会向右漂移(红移)。而且波形整体向上还有一定的漂移，说明谐振峰损耗幅值在温度变化时也会变化，但损耗峰幅值变化幅度在1dB以内，相较于初始损耗幅值来说，变化不大，不会影响它作为温度传感器测量温度的性能。温度变化造成的谐振峰值波长变化的线性拟合如图6所示，在dip1(1442nm)和dip2(1522nm)两个波段的线性度分别为0.984和0.977，说明谐振峰值波长与环境温度之间存在比较好的线性度。当温度变化时引起的谐振峰值波长变化值比较大，说明温度测量的灵敏度较高。由图中曲线可以得到dip1与dip2两个点温度测量灵敏度达到了40.4 pm/℃和52.1 pm/℃，与其他类似结构温度传感器的灵敏度基本相当[10]，与理论分析计算的结果吻合。

图7 不同轴向应力下的透射谱波形变化图

图8 不同轴向应力下谐振峰值波长变化的线性拟合图

应力测量实验的透射谱波形变化图如图7所示，发现当应力增加时波形整体向右漂移(红移)。而且波形整体向上还有一定的漂移，说明谐振峰损耗幅值在轴向应力变化时会变化，但损耗峰幅值变化幅度都很小，相较于初始损耗幅值来说变化不大，不会影响它作为应力传感测量的性能。由于应变是在弹性范围内，因此不会造成损耗峰幅值有太大的变化，也不会影响光纤传感器的强度与特性。应力变化造成的谐振峰值波长变化的线性拟合如图8所示，两个峰的线性拟合度分别达到了0.996和0.984，说明谐振峰值波长与光纤轴向应力之间存在比较好的线性度，但应力引起的谐振峰值波长变化值较温度的小，说明应力测量灵敏度比温度的低。由图中曲线可以得到灵敏度分别为0.32 pm/με和0.38 pm/με，与其他类似结构应力器件的灵敏度基本相当[10]，与理论分析计算的结果吻合。

根据不同的温度和轴向应力的灵敏度可以写出测量矩阵：

(7)

利用矩阵逆变换方法，光纤器件的温度变化与轴向应力变化可以利用下面矩阵获得：

(8)

4 结论

利用飞秒激光制作了一款基于光纤内部空气微腔的光纤马赫泽德干涉仪(MZI)，该干涉仪能够用来进行温度与轴向应力同时传感测量。光纤内部的空气微腔和粗细光纤的熔接是利用飞秒激光微加工技术与光纤熔接技术共同实现的。该器件的透射谱有多个稳定的谐振峰，一些谐振峰峰值有较好的温度与应力敏感性。通过选择其中两个谐振峰峰值波长变化进行实验研究，获得较高的温度灵敏度(40.4 pm/℃和52.1 pm/℃)和应力灵敏度(0.32 pm/με和0.38 pm/με)，说明利用该器件可以实现温度与应力的同时测量。这种光纤在线结构的马赫泽德干涉仪构成的温度传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、实用性强的特点。

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Optical fiber sensor for simultaneous temperature and stress measurement by femtosecond laser micromachining

HU Yi-hui, GUO Xiao-shan, JIANG Chao, LIU Ji-bing

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

To realize high-precision temperature and stress simultaneous measurement, a new type of fiber temperature and stress sensor is fabricated by femtosecond laser micromachining. The femtosecond laser with wavelength 800nm is employed to ablate a micro-cavity on single mode fiber, and form a tapered elliptical micro-cavity by taper devices, and tapered fiber end is connected with a single-mode fiber, which fabricates a new Mach-Zehnder interference for temperature and stress simultaneous measurement. The operation mechanisms of temperature and stress measurement by Mach-Zehnder interference are theoretical analyzed. The sensing experiments of the ambient temperature and the axial stress measure are finished. The experimental results show that the dip1 sensitivities are 40.4 pm/℃ and 0.32 pm/με, and the dip2 sensitivities are 52.0 pm/℃ and 0.38 pm/με.

optical fiber sensing technology; femtosecond laser; temperature sensor; stress sensor; fiber microstructure

2016—10—24

湖北师范大学2015年优秀创新团队项目资助(T201502)，湖北师范大学研究生教育教学改革研究与实践项目(20160302)

胡义慧(1991— )，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要从事光纤传感器研究.

TN253

A

2096-3149(2017)01- 0083-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.017