本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其涉及基于馬赫-曾德濾波和長(zhǎng)周期光纖光柵的液體折射率特性方向的研究方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。目前利用光纖傳感測(cè)量液體折射率的方法有法布里珀羅干涉法[2]、馬赫-曾德干涉法(mzi)、邁克爾遜干涉法和長(zhǎng)周期光纖光柵(longperiodfibergrating，lpfg)等。傳統(tǒng)的長(zhǎng)周期光纖光柵制作方法如紫外曝光掩模板法、高頻co2激光逐點(diǎn)寫(xiě)入法和腐蝕刻槽等在光纖載氫處理、高溫穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和靈敏度等方面都具有不同程度的缺陷。飛秒激光制作的lpfg，具有高靈敏度和耐高溫等優(yōu)勢(shì)。

利用飛秒激光制作lpfg與全光纖型mzi的制作是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。2011年lib等人采用紫外飛秒激光逐點(diǎn)刻寫(xiě)方法實(shí)現(xiàn)了諧振波長(zhǎng)為1476nm，柵區(qū)長(zhǎng)度為25mm的lpfg制備，并將lpfg用于液體折射率傳感測(cè)試，觀(guān)察到隨著折射率的增加，lpfg的透射波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。2012年苗飛等人利用飛秒激光制作出柵區(qū)長(zhǎng)度為40mm的lpfg并對(duì)該lpfg的高溫傳感特性進(jìn)行了研究。2013年張琪等人利用單模光纖和長(zhǎng)周期光纖光柵制作了錐體光纖-長(zhǎng)周期光纖光柵-錐體光纖型全光纖mzi；2014年楊凱等人利用單模光纖采用錐腰擴(kuò)大熔接技術(shù)制作了同軸式液封mzi。2015年ahmedf等人利用飛秒激光首次在無(wú)摻雜的純硅光纖中制作了光柵長(zhǎng)度為26.97mm的lpfg，并對(duì)lpfg的高溫和折射率特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著折射率的增加諧振波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。2016年卞繼城等人在保偏光纖中通過(guò)電弧放電和熔接推擠的方式制作了mzi溫度傳感器，溫度靈敏度為0.0998nm/℃。綜上所述，研究纖芯錯(cuò)位熔接法制作mzi和飛秒制備高折射率靈敏度、短?hào)艆^(qū)的lpfg具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于馬赫-曾德濾波和長(zhǎng)周期光纖光柵的液體折射率特性研究方法，其特征在于，包括步驟1：利用飛秒激光器、三維位移平臺(tái)、寬帶光源和光譜分析儀等器件搭建了紅外飛秒激光制作長(zhǎng)周期光纖光柵的加工系統(tǒng)；步驟2：利用搭建的飛秒激光加工系統(tǒng)完成諧振波長(zhǎng)為1548.5nm的長(zhǎng)周期光纖光柵的制作；步驟3：利用光纖熔接機(jī)通過(guò)纖芯錯(cuò)位熔接的方式完成光纖馬赫曾德干涉儀的制作；步驟4：將馬赫曾德干涉儀與長(zhǎng)周期光纖光柵連接在一起，對(duì)lpfg的透射光譜進(jìn)行濾波；步驟5：利用馬赫曾德干涉儀與長(zhǎng)周期光纖光柵組成的系統(tǒng)完成對(duì)液體折射率特性研究。

優(yōu)選地，所述步驟1中的激光器中心波長(zhǎng)800nm、脈沖寬度120fs、重復(fù)頻率1khz的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器；采用的顯微物鏡的放大倍數(shù)為100倍、數(shù)值孔徑為0.70；光譜分析儀的工作波長(zhǎng)范圍1200nm～2400nm，最小分辨精度為0.02nm。

優(yōu)選地，所述步驟2中的長(zhǎng)周期光纖光柵的周期為400，占空比為0.5，諧振強(qiáng)度為7db，半高寬為6.3nm。

優(yōu)選地，所述步驟3中的光纖熔接機(jī)的放電時(shí)間為2500ms，預(yù)熔時(shí)間為180ms；馬赫曾德干涉儀的干涉光譜對(duì)比度為10db。

優(yōu)選地，所述步驟4中的長(zhǎng)周期光纖光柵經(jīng)馬赫曾德干涉濾波器濾波后的諧振波的半高寬為5.6nm。

優(yōu)選地，所述步驟5中的測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)酒精、蔗糖和nacl溶液的折射率特性進(jìn)行測(cè)試，三種溶液的折射率靈敏度分別為01.78nm/riu、132.67nm/riu和138.80nm/riu。

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?zhuān)⒉粦?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示出了根據(jù)本發(fā)明的基于光纖纖芯錯(cuò)位熔接法制作的mzi的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了飛秒激光制作lpfg加工系統(tǒng)圖；

圖3示出了長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu)圖；(a)lpfg柵區(qū)刻寫(xiě)軌跡示意圖；(b)lpfg柵區(qū)顯微結(jié)構(gòu)圖；

圖4示出了基于飛秒激光制作的lpfg透射光譜圖；

圖5示出了基于纖芯錯(cuò)位熔接制備的mzi；(a)光纖1和光纖2纖芯錯(cuò)位熔接顯微圖；(b)光纖2和光纖3纖芯錯(cuò)位熔接顯微圖；(c)mzi透射干涉光譜；

圖6示出了基于mzi濾波的lpfg測(cè)量折射率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖；

圖7示出了mzi與lpfg連接后的透射光譜；(a)mzi連接lpfg前后的光譜圖；(b)lpfg諧振波長(zhǎng)附近的透射光譜；

圖8示出了lpfg的酒精溶液折射率特性曲線(xiàn)；(a)不同折射率下的lpfg的透射光譜；(b)lpfg的諧振波長(zhǎng)與折射率的擬合曲線(xiàn)；

圖9示出了lpfg的nacl溶液折射率特性曲線(xiàn)；(a)不同折射率下的lpfg的透射光譜；(b)lpfg的諧振波長(zhǎng)與折射率的擬合曲線(xiàn)；

圖10示出了lpfg的蔗糖溶液折射率特性曲線(xiàn)；(a)不同折射率下的lpfg的透射光譜；(b)lpfg的諧振波長(zhǎng)與折射率的擬合曲線(xiàn)。

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(kāi)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(shū)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(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。

本發(fā)明設(shè)計(jì)并搭建了基于800nm紅外飛秒激光制作lpfg的加工系統(tǒng)，制作了柵區(qū)長(zhǎng)度為3.2mm的lpfg；通過(guò)光纖纖芯錯(cuò)位熔接的方式制作了全光纖結(jié)構(gòu)的mzi，與長(zhǎng)周期光纖光柵連接對(duì)lpfg的諧振波長(zhǎng)進(jìn)行濾波。利用基于mzi濾波的lpfg分別對(duì)酒精溶液、nacl溶液和蔗糖溶液的折射率傳感特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著折射率增加，長(zhǎng)周期光纖光柵的透射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，具有較高的折射率靈敏度。

具體步驟如下：

1理論分析

圖1是基于光纖纖芯錯(cuò)位熔接法制作的mzi的結(jié)構(gòu)示意圖。該mzi是利用熔接機(jī)通過(guò)光纖纖芯錯(cuò)位熔接的方法制作兩個(gè)纖芯失配衰減器，光纖1纖芯中的光經(jīng)過(guò)第一個(gè)纖芯失配衰減器后進(jìn)入到光纖2中，一部分在光纖纖芯中傳播，另一部分進(jìn)入到包層中傳輸。光纖2的纖芯和包層中傳輸?shù)墓馔ㄟ^(guò)第二個(gè)光纖纖芯失配衰減器后，會(huì)有一部分光耦合到光纖3的纖芯中傳輸。由于光纖2的纖芯模和包層模的相位差異產(chǎn)生不同的干涉光強(qiáng)，對(duì)應(yīng)透射光譜上不同的峰值，形成干涉光譜。

馬赫-曾德干涉儀的傳輸光強(qiáng)為：

式中：i1和i2分別表示為光纖2的纖芯模和包層模耦合到光纖3纖芯中的光強(qiáng)；λ為光纖中傳輸光的波長(zhǎng)；l表示光纖2的長(zhǎng)度；和為光纖2纖芯模和第j模包層模的有效折射率。纖芯模和j階包層模的相位差為：

其中，δneff為纖芯模和第j包層模的有效折射率差。

當(dāng)相位差滿(mǎn)足時(shí)，干涉光強(qiáng)最弱，其中k為整數(shù)，此時(shí)透射光譜中波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為：

根據(jù)耦合模理論，lpfg是光纖中前向傳輸?shù)睦w芯模和前向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖg的耦合，其透射譜中的諧振波長(zhǎng)滿(mǎn)足以下相位匹配條件:

其中，λlp為lpfg透射譜的諧振波長(zhǎng)，和分別是纖芯基模和j階包層模的有效折射率，λ為光柵周期。由于外界折射率的變化會(huì)導(dǎo)致有效折射率的變化，引起長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜上諧振波長(zhǎng)的漂移，因此lpfg可用于液體折射率傳感測(cè)試。

2長(zhǎng)周期光纖光柵與馬赫-曾德干涉儀制備

2.1長(zhǎng)周期光纖光柵制備

基于飛秒激光直寫(xiě)法制作長(zhǎng)周期光纖光柵的系統(tǒng)組成如圖2所示?？虒?xiě)系統(tǒng)使用的激光器中心波長(zhǎng)800nm、脈沖寬度120fs、重復(fù)頻率1khz的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器。激光器出射的紅外激光首先經(jīng)過(guò)半波片、偏振片、衰減片和高反鏡，然后通過(guò)100倍的顯微物鏡將光斑聚焦在由光纖夾具固定的hi-1060的光纖上，光纖夾具固定在高精度三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。采用jdsu公司生產(chǎn)的寬帶光源(broadbandlightsource，bbs)作為測(cè)試光源，該光源的出射波長(zhǎng)范圍為1530nm～1600nm。光譜分析儀為日本yokogawa公司的aq6375光譜分析儀(opticalspectrumanalyzer，osa)，工作波長(zhǎng)范圍1200nm～2400nm，最小分辨精度為0.02nm。在加工過(guò)程中利用光譜分析儀實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)光纖光柵的透射光譜，通過(guò)軟件控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)和shutter的閉合從而完成長(zhǎng)周期光纖光柵的制作。

飛秒激光通過(guò)逐線(xiàn)寫(xiě)入的方式對(duì)光纖進(jìn)行加工，其刻寫(xiě)軌跡如圖3(a)所示。設(shè)置飛秒激光的加工速度為10μm/s，功率為50μw，光柵周期λ＝400μm，，逐點(diǎn)劃線(xiàn)間距a＝40μm，單周期內(nèi)刻寫(xiě)長(zhǎng)度b＝200μm，占空比為0.5，圖3(b)為lpfg的柵區(qū)結(jié)構(gòu)顯微圖。

實(shí)驗(yàn)中，刻寫(xiě)8個(gè)周期，lpfg的透射光譜如圖4所示，該lpfg在1548.5nm處諧振峰峰值深度為7db，半高全寬(fullwidthathalfmaximum,fwhm)為6.3mm。光纖柵區(qū)長(zhǎng)度小于約為3.2mm，刻寫(xiě)時(shí)間小于3min。

2.2全光纖馬赫-曾德干涉儀制備

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)采用光纖纖芯錯(cuò)位熔接的方式制備mzi，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，mzi由三根hi1060光纖構(gòu)成。其制作流程為：將光纖2去掉涂覆層并用光纖切割刀將端面切平，采用光纖熔接機(jī)(fujikurafsm-80s)分別與光纖1和光纖3錯(cuò)位熔接。為了實(shí)現(xiàn)光纖纖芯錯(cuò)位熔接，光纖熔接機(jī)的參數(shù)為：對(duì)芯方式為手動(dòng)對(duì)芯，預(yù)熔時(shí)間為180ms，預(yù)熔功率為標(biāo)準(zhǔn)+10，放電時(shí)間為2500ms。熔接過(guò)程中手動(dòng)控制光纖錯(cuò)位間距，鑒于hi1060光纖的纖芯直徑為5.3，為了保證mzi干涉光譜有較高的對(duì)比度和較高的透射光強(qiáng)，手動(dòng)設(shè)置纖芯的錯(cuò)位間距約2，完成mzi的制作。圖5(a)為左右兩個(gè)纖芯錯(cuò)位熔接的顯微圖。將制作完成的mzi一端連接jdsu公司生產(chǎn)的光譜范圍為1530nm～1600nm的寬帶光源，輸出端連接日本yokogawa公司的aq6375光譜分析儀，mzi的透射光譜如圖5(b)所示，圖中可以看出，該mzi的干涉條紋對(duì)比度為10db。

3液體折射率傳感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)將基于錯(cuò)位熔接制作的mzi與lpfg連接在一起，對(duì)lpfg的透射光譜經(jīng)行濾波。利用lpfg分別對(duì)不同折射率的酒精、nacl和蔗糖三種溶液的進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)由寬帶光源、光譜分析儀、mzi、lpfg和nacl溶液、酒精溶液、蔗糖溶液和載玻片等裝置組成。將lpfg固定在載玻片上，在lpfg上滴加不同折射率的溶液，用光譜儀實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)其透射光譜。為了避免每次測(cè)量完成時(shí)lpfg上殘留液體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，每次測(cè)量完成后，用無(wú)水乙醇對(duì)lpfg進(jìn)行擦拭，等待lpfg的諧振波長(zhǎng)與空氣中的原始諧振波長(zhǎng)一致時(shí)在進(jìn)行下一組折射率實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在溫度為20℃的超凈間里完成，避免了溫度變化對(duì)透射光譜的影響。

將紅外飛秒激光制作的lpfg與纖芯錯(cuò)位熔接法制作的mzi連接在一起，通過(guò)光譜儀觀(guān)測(cè)其在空氣中的透射光譜，圖7(a)是mzi連接lpfg前后的透射光譜對(duì)比圖。從圖中虛線(xiàn)框中的光譜圖可以看出，連接lpfg后，mzi的透射光譜在lpfg諧振波長(zhǎng)處出現(xiàn)明顯的變化。7(b)為mzi與lpfg連接時(shí)波長(zhǎng)在lpfg諧振峰附近的光譜圖。從圖中可以看出，lpfg的諧振峰的諧振強(qiáng)度為9db，半高寬為5.6nm，相較于圖4，諧振峰的質(zhì)量有較為明顯的改善。

3.1lpfg的酒精溶液折射率傳感實(shí)驗(yàn)

利用蒸餾水和無(wú)水乙醇配置了濃度為5％、10％、15％、20％和25％的酒精溶液，將蒸餾水和上述五種濃度的酒精溶液分別滴到lpfg上，其中幾種液體的折射率變化范圍為1.3331～1.3414，用光譜儀觀(guān)測(cè)其透射光譜的變化。圖8(a)為不同折射率的酒精溶液下長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光譜，可以看出，隨著酒精溶液的折射率增加，lpfg的諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，諧振峰發(fā)生紅移。圖8(b)是酒精溶液折射率與lpfg諧振波長(zhǎng)關(guān)系擬合曲線(xiàn)。lpfg諧振波長(zhǎng)對(duì)酒精溶液折射率響應(yīng)靈敏度為301.78nm/riu，擬合曲線(xiàn)的線(xiàn)性度為0.9917。

3.2lpfg的nacl溶液折射率傳感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用膠頭滴管分別將蒸餾水和濃度為3％、6％、9％、12％和15％的nacl溶液滴加到載玻片上的lpfg上，其中液體的折射率變化范圍為1.3331～1.3609，通過(guò)光譜分析儀對(duì)不同折射率的nacl溶液中l(wèi)pfg的透射光譜進(jìn)行觀(guān)測(cè)。nacl溶液不同折射率下lpfg的透射光譜如圖9(a)所示，隨著nacl溶液折射率的增大，lpfg的諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移。圖9(b)為nacl溶液折射率與lpfg諧振波長(zhǎng)的關(guān)系擬合曲線(xiàn)?？梢钥闯龌趍zi濾波的lpfg的折射率響應(yīng)靈敏度為138.80nm/riu，擬合曲線(xiàn)的線(xiàn)性度為0.9915。

3.3lpfg的蔗糖溶液折射率傳感實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)量lpfg對(duì)蔗糖溶液折射率的特性，選用蒸餾水和濃度為3％、6％、9％、12％和15％的蔗糖溶液分別滴到lpfg上，其液體折射率分別為1.3331、1.3386、1.3441、1.3497、1.3552和1.3607。利用光譜儀實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)其透射光譜的變化，圖10(a)為不同折射率的蔗糖溶液中l(wèi)pfg的透射光譜圖。圖中可以看出隨著折射率的增加，lpfg的透射峰發(fā)生紅移。圖10(b)為蔗糖溶液的折射率與lpfg諧振峰波長(zhǎng)擬合曲線(xiàn)。lpfg的蔗糖溶液折射率響應(yīng)靈敏度為132.67nm/riu，線(xiàn)性擬合度為0.9938。

本發(fā)明的有益效果為：

利用飛秒激光器和三維位移平臺(tái)等裝置搭建了長(zhǎng)周期光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，制作了諧振波長(zhǎng)為1548.5nm，諧振強(qiáng)度為7db，柵區(qū)長(zhǎng)度為3.2mm的lpfg；通過(guò)纖芯錯(cuò)位熔接的方法制作了對(duì)比度為10db的馬赫-曾德干涉儀，對(duì)lpfg的透射光譜進(jìn)行濾波，使lpfg的諧振峰的半高全寬從6.3nm降低到5.6nm。實(shí)驗(yàn)中，基于mzi濾波的lpfg在酒精溶液、nacl溶液和蔗糖溶液中的折射率靈敏度分別為301.78nm/riu、132.80nm/riu和132.67nm/riu，線(xiàn)性擬合度分別為0.9917、0.9915和0.9938。因此，設(shè)計(jì)的基于馬赫-曾德濾波和長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖傳感器可用于液體折射率測(cè)量。

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。