光纤布拉格光栅阵列

光纤布拉格光栅阵列（精选7篇）

光纤布拉格光栅阵列 篇1

光纤传感器可实现电磁、机械、温度、化学成分等物理量的精密测量, 与传统传感器相比具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝缘等优点。光纤Bargg光栅 (FBG) 传感技术已成为国内外传感器领域的研究热点。

FBG通过检测信号波长的偏移量来测量被测参数的变化。反射波长变化量的测量精度直接限制了FBG传感系统的测量精度。介绍了FBG的几种解调方法及其优缺点。

1 FBG解调方法

FBG解调方法主要包括匹配光栅滤波法、边缘滤波器法、非平衡Mach-Zehnder干涉仪法、可调谐窄带光源法、可调F-P滤波器法等。

1.1 匹配光栅滤波法[1]

利用一个可驱动的参考光栅, 当参考光栅反射波长与传感光栅反射波长一致时, 光全被反射, 通过测量参考光栅的最大反射功率可得到传感光栅的波长变化量, 如图1所示。匹配光栅法结构简单、造价低廉, 对反射光强无绝对要求, 不受噪声影响, 但精度受光源稳定性和外界干扰的限制, 精度较低。适于测量静态或低频变化的物理量。

1.2 边缘滤波器法[2]

宽带光源发出的光经耦合器l进入传感光栅, 其反射光再经耦合器l进入分光比1:1的耦合器2, 其中一路经与波长有关的滤波器滤波和探测器放大, 另一路经探测器放大作为参考光。两放大器的输出信号相除, 得到与光栅中心波长有关的输出值, 如图2所示。该方法成本较低, 有效地消除光源波动和附加损耗对信号的影响, 电子处理电路简单, 适用于静态、动态检测。但系统的分辨率低, 动态应变测量响应速度慢。

1.3 非平衡Mach-Zehnder干涉仪法[3]

宽带光源发出的光经耦合器1入射到传感光栅, 反射光经耦合器2进入光程差为OPD的M-Z干涉仪, 非平衡M-Z干涉仪把波长变化转化为相位变化, 经探测器探测干涉仪输出光强的变化得到FBG波长的变化, 如图3所示。利用此方法可构成时分复用分布式传感系统高带宽及高分辨率。但不适于绝对应变测量, 干涉仪相位变化范围决定测量范围。

1.4 可调谐窄带光源法[4]

DBR激光器固定在PZT上, PZT受锯齿波电压驱动, 波长在一定范围内扫描, 当波长恰好为光栅的Bragg波长时, 照射到传感光栅阵列上的光就会被强烈反射。反射信号经过探测器在示波器可显示Bragg光栅反射率与波长的关系, 如图4所示。该方法信噪比和分辨率高, 现场检测简单方便。激光器的稳定性及可调谐范围限制传感光栅的复用个数和使用范围。

1.5 可调光纤F-P滤波器法[5]

将F-P滤波器固定于压电陶瓷上, 调整压电陶瓷的驱动电压, 当F-P腔的透射波长与光栅的反射波长重合时, 探测器能探测到最大光强, 此时压电陶瓷的驱动电压对应光栅的反射波长, 进而得到被测量的大小, 如图5所示。该方案体积小、价格低, 在40 nm的范围内可以得到约1 pm的测量分辨率, 在20-200℃范围内温度分辨率可达0.1℃, 长期测量精度可达±0.2℃;可以直接输出对应于波长变化的电信号, 可同时对多个光纤光栅的反射波长进行解调。

2 结论

可调光纤F-P滤波器法精度高、体积小、价格低、稳定性好, 适用于分布式测量, 是比较理想的解调方法。

摘要：阐述了光纤布拉格光栅的几种解调方法及实验原理框图, 并介绍了各种解调方法的优缺点。

关键词：FBG,传感,解调

参考文献

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光纤布拉格光栅阵列 篇2

光纤布拉格光栅作为一种新型的传感器件, 在压力 (应变) 参数监测方面具有其他传感器件无法比拟的优点。生产测井是测井技术的重要内容之一, 通过对生产井测井数据进行分析, 可以了解整个油区的开发状态, 从而调整、优化油田开发、生产方案, 提高原油采收率[1,2,3,4,5,6,7]。目前用于动态监测的生产测井技术主要是电子测量仪器, 自身存在很多不足, 如井下电子部件长期工作漂移问题、可靠性问题;每次测量时生产井必须停产;井下作业和生产成本过高;测量数据不能实时、在线、准确地反映井下动态情况等。光纤Bragg光栅传感技术除了能很好地弥补这些缺点外, 还具有传输损耗小, 抗腐蚀、抗电磁干扰、可组网、在一跟光纤上就可实现实时、在线、分布式测量等优点, 非常适合用于生产井中测量井下各种参数 (温度、压力、流量、应变等) , 能够为油田的动态监测提供一种有效的技术手段。

本文设计一种悬臂梁结构, 对光纤布拉格光栅压力 (应变) 传感特性进行研究。

2、实验方法

采用悬臂梁与光纤光栅相结合的方法来进行应变传感特性测试 (图1) 。

它是一端固定, 另一端自由的梁结构, 设梁的厚度为h, 长度为L, 则当梁的自由端发生位移f (可由微位移调节器来控制读数) 时, 粘贴在悬臂上的光栅将发生拉应变或压应变, 根据材料力学的原理, 可以推导出光纤Bragg光栅波长移动量与梁的自由端位移f的关系[8,9,10,11]

式中Ρe为有效弹光系数, x0为考察点。

上式可变为:

显然, 从上式中可以看出, 光纤光栅波长移动量与悬臂梁自由端位移f成线性关系, 通过测量悬臂梁自由端位移的大小, 即可得到光栅波长移动量ΔλB, 如果将悬臂梁自由端与待测物相连, 可通过测量Bragg波长移动量来确定待测物位移的大小, 从而达到对光栅进行调谐的目的。

3、实验原理

实验设备包括:宽带光源、裸光栅、光纤B r a g g光栅解调仪、耦合器、三角形悬臂梁、微位移调节器、快干胶、改性丙烯酸树脂等。

实验原理:应变会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化, 从而使光纤光栅的反射谱和透射谱中心波长发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱中心波长的变化, 就可以获得相应的压力、应变信息, 反过来, 若知道了压力、应变信息, 就可以测出光纤光栅反射谱和透射谱中心波长的变化, 图2为实验测量原理示意图。

本实验所用等腰三角形悬臂梁的底边为168.0m m, 高为138.0mm, 材质为弹簧钢, 裸光栅的中心波长为1554.4367nm, 所用光谱分析仪为自行组建, 精度为±3Pm。裸光栅粘在三角形悬臂梁中垂线靠近悬臂梁根部的地方 (图2) , 目的防止在应变过程中光栅产生啁啾现象。

4、实验结果及分析

实验温度为室温, 从微位移调节器的24mm刻度处开始, 每下降1mm测量三次, 然后取平均值作为测量值, 目的是减少实验误差, 直至13mm。不改变实验环境, 调节微位移调节器, 从13mm开始测量, 每升高1m m测量三次, 直至24m m。采用同样的实验方法进行第二次测量, 图3、图4和图5为实测数据拟合图。

由图3、图4可以看出粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系, 4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985;4次测量的重复性较好, 拟合的灵敏度相差很小。

由图3和图5可以看出, 第一次测量上升阶段在22cm以后重复性不好, 尤其在22cm处, 误差较大, 分析认为造成误差的原因主要是由于人为读数原因或者三角形弹簧刚片受力发生形变, 当施加压力撤除后, 弹性元件会表现出残余变形、弹性滞后、和弹性后效等现象。

当然还有其他的一些因素会对实验造成误差, 比如光线光栅的粘贴质量问题造成的误差, 由于光纤光栅的粘贴不理想, 光纤光栅与悬臂梁之间是非刚性连接的, 悬臂梁弹簧钢片自由端位移引起的应变并不能完全作用于光纤光栅上等。

由式 (1) 可以看出, 调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度L、厚度h以及光纤光栅的粘贴位置x0有关。增大梁的厚度h, 减小梁的长度L, 使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端, 均可以有效地提高系统的灵敏度。

5、结语

本系统将光纤光栅与三角形悬臂梁结构相结合, 实现了光纤光栅的位移 (压力) 调节。系统结构简单、动态范围较大、线性好、抗电磁干扰, 并可实现再线监测。通过改进悬臂梁结构, 还可以进一步提高系统的响应特性。

摘要：压力参数测量是油藏动态监测一个重要指标。设计一种悬臂梁结构, 在室温下对光纤Bragg光栅压力传感特性进行研究。实验结果表明, 粘贴在三角形弹簧钢片上的光纤光栅中心波长和微位移调节器的位移量之间呈非常好的线性关系, 4次实验测量数据拟合的R2最小值为0.9985;4次测量的重复性较好, 拟合的灵敏度相差很小。调谐系统的灵敏度与悬臂梁长度、厚度以及光纤光栅的粘贴位置有关。增大梁的厚度, 减小梁的长度, 使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端, 均可以有效地提高系统的灵敏度。

关键词：光纤布拉格光栅,压力,传感特性,实验研究

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光纤布拉格光栅阵列 篇3

光纤光栅传感器具有多参量和分布式传感的特性［１］。对于复杂环境使用的大型复用光纤光栅传感网络监测,光纤光栅传感器ΔλＢ的精确解调［２－４］,传感光栅的寻址以及稳定和高速地将解调系统采集和处理的数据传输到上位机进行进一步的处理是整个传感系统的关键［５－６］。2006年,王敏、乔学光等通过波分和时分复用综合设计的光纤光栅传感解调系统,能实现对多达上百个光栅的灵活寻址和检测,系统分辨率达2pm［７］。2007年,李丽、林玉池等利用光开关选择不同光路实现了FBG(光纤布拉格光栅)空分复用传感系统,可对两路传感器中心波长进行解调,系统分辨率为1.5pm［８］。2010年,陶珺、穆磊等运用波分复用和空分复用技术实现了多通道光纤光栅传感阵列的解调,系统分辨率为1pm,解调数据能通过USB(通用串联总线)口和并口传输到上位机［９］。

本文研制了一种多通道FBG解调系统,通过ATMEGA128单片机控制16路光开关的光路切换,实现16个通道不同光纤光栅传感器中心波长的解调,利用串口与USB口通信协议转换,实现系统多端口通信。

1 FBG解调系统的结构与工作原理

FBG解调系统的结构如图1所示。ASE(放大自发辐射)宽带光源发射C波段1 525~1 565nm的宽光谱,经3dB光纤耦合器和16通道光开关后, 入射到一个通道的多个FBG传感器,传感元件反射不同中心波长的光信号。反射的光信号经过3dB耦合器被引导进入BaySpec解调模块,解调模块的光谱分析单元对入射光信号的波长进行分离［１０－１１］,探测单元将光信号转换成电信号,电处理单元对包含光谱信息的电信号进行处理,然后将解调得到的不同FBG传感器中心波长传输到在线监测上位机［１２－１３］。采用ATMEGA128单片机,光开关控制模块可以控制光通道的切换,进而动态选择16个通道的FBG传感器,实现传感器中心波长的解调。电源转换模块采用LM2576芯片设计,实现+12V到+5V的转换,保证FBG解调系统的正常运行。上位机在线监测软件实现与解调仪和光开关通信,完成解调数据传输与采集以及光开关的切换控制。

为给FBG解调系统扩展更多的通道,提高光纤光栅传感的检测数目,满足光纤传感器多点动态监测需求,本系统选用1×16的机械式光开关模块构成空分复用传感网络。

图2为基于ATMEGA128的光开关控制模块原理框图。利用ATMEGA128单片机控制光开关模块IO口的D０~D４以选择通道,D４为高位,D０为低位,最多可控制32路光开关切换。光开关模块处理数据时(复位或通道切换过程中),/Ready为高电平,数据处理完毕,/Ready为低电平。当输入不正确数据时,Error为高电平,直至输入正确数据或复位,Error才恢复为低电平。为了更好地控制光开关,捕捉其返回状态和工作状态指示,对/Ready及Error的状态也要监控。

由于ATMEGA128单片机输入、输出电平为TTL(晶体管-晶体管逻辑)电平,而上位机是标准RS-232串行接口,两者的电气规范不一致,本文选用MAX232芯片完成RS-232到TTL电平的转换, 实现光开关与上位机串口的通信。解调模块为标准RS-232串行接口,要进行串口与USB口通信协议转换,才能实现解调仪与上位机的USB通信。

2单片机程序设计

单片机与FBG在线监测上位机通过RS-232串口进行通信,通信协议如下:波特率为19 200;无奇偶校验位;8个数据位;1个停止位。通信连接成功后,单片机通过中断方式接收上位机发送的光开关控制命令,从而将光开关通道与该通道的多个FBG传感器相结合,实现对FBG传感器多点动态监测的功能。FBG在线监测上位机控制光开关命令如表1所示。

上位机在线监测软件可以设置光开关的工作模式,控制光开关工作复位、切换时间和切换通道。光开关的工作模式有连续和单步两种。连续工作模式的功能为:在光开关可切换时间及光开关正常工作的情况下,可连续切换光开关通道,通道间切换的时间即为定时计数器时间;在光开关非正常工作的情况下,光开关模块会自动复位,复位后光路处于断开状态,这时通过数据线或复位线进行复位。单步工作模式的功能为:在光开关正常工作的情况下,可实现单次切换光开关通道,光开关通道即为上位机控制的光开关通道值命令;在光开关非正常工作的情况下,进行光开关手动复位。单片机控制光开关的步骤如下:

第1步:进入10ms的定时器中断,初始化局部变量,时间计数器变量time_count开始计数;接收上位机设定的光开关切换时间变量Count_High和Count_Low;将计数值time_count对接收的设定时间值求余数,并判断余数是否为0,若为0,则设置光通道切换标志swt_flag=0,否则,swt_flag=1。

第2步:检测光通道连续转换标志continuous_ flag,若其值为0x43,则转到第4步;若其值为0x53,则转到第5步。

第3步:检测复位标志变量Resflag,若其值为0x11,则光开关控制口PORTC的值加32,并控制光开关的复位引脚复位,否则,不加。

第4步:连续工作模式。首先完成第3步复位判断;当swt_flag为1时,通道计数变量channel- count在0~15之间循环累加,并将该值作为通道号赋值给单片机C端口输出,直到退出该模式。

第5步:单步工作模式。首先完成第3步复位判断;接收上位机设定的通道号变量phroute,并赋值给C端口输出。

3解调系统测试结果

该解调系统由解调模块和光开关组成了波分复用加空分复用系统,采用光开关将多个通道复用在一起,每个通道上串联多个不同波长的FBG传感器［１４－１５］。利用光开关光路切换的功能,选择不同通道的FBG传感器,进而将不同通道的多个FBG传感器反射的光信号传到解调模块,经过解调模块的处理得到不同的中心波长。此系统可实现对16个通道不同FBG传感器中心波长的解调。多通道多传感的FBG解调系统如图3所示。

中心波长的分辨率是解调系统非常重要的一个参量。为测得解调仪的分辨率,选择中心波长为1 543.432nm的FBG温度传感器,并将其置于恒温油槽内做中心波长偏移实验,该恒温油槽控制精度达0.1 ℃,指示温度达0.01 ℃。将恒温油槽温度依次按表2中序号的温度设定,每次设定后等待数十分钟,确保温度稳定,此时传感器的中心波长亦趋于稳定。FBG温度传感器随着温度0.1 ℃ 步长的变化,其中心波长变化1pm,并随温度的稳定而稳定。

本文设计的16通道FBG解调系统目前已运用于光纤光栅在山地变电站结构健康监测中的关键技术研究项目中,解调系统的16个通道分别采集变电站边坡灌注桩式应变传感器、边坡表面式应变传感器、边坡表面式位移传感器、输电线路铁塔塔架主材应变传感器和塔基土压力传感器的数据。通过实时数据的监测,可分析变电站基础应力和边坡形变量、 塔架应力变化和塔基移位量,从而预测山地变电站结构变形趋势,评估山地变电站结构的安全状况。 FBG解调系统监测的16个通道数据如表3所示, 每个通道串联7个FBG传感器,16个通道共有112个FBG传感器。FBG解调系统利用光开关实现了传感网络的复用,通过光开关通道的动态切换,实现对不同通道多个FBG传感器中心波长的动态监测。 上位机设置光开关工作在单步工作模式,分别控制光开关切换到通道2和通道8时,FBG解调系统实时监测通道2和通道8多个FBG传感器的中心波长。图4以这两个通道FBG传感器中心波长实时监测界面为例,验证了解调系统能实现多通道FBG传感器中心波长的监测。波长工作范围为1 525~ 1 565nm,由图可知,该FBG解调系统波长分辨率为1pm,系统具有较好的稳定性和较高的精度。采用vi函数Tick Count测试Bragg波长信息,进行一次采样的时间约为620ms,16个光通道更新一次传感数据最短时间约为10s,上位机设定光开关一次切换时间间隔为620~3×10５ms,保证每个通道传感数据的正确性。

4结束语

本文以FBG解调系统工作原理为基础,采用多通道、多参量和动态监测的波分加空分复用传感网络,实现了16路光通道的选择,增加了可检测的FBG波长数目。 利用串口与USB口通信协议转换,解调模块和光开关与上位机能进行通信,解调系统实现了多端口通信,提高了其与上位机通信的稳定性与高速性。监测数据表明:解调系统能实现对不同通道、不同FBG传感器中心波长的解调,波长分辨率为1pm,Bragg波长信息进行一次采样的时间为620ms,具有较好的稳定性和较高的精度,能满足FBG传感网络对山地变电站等大型工程结构的实时监测与诊断。每只FBG传感器分配3 000pm的动态范围,基于该原理的解调系统,一个光通道可铺设13只FBG传感器,通过增加波分和空分复用维度数目,解调系统有望最大支持208个FBG传感监测点。

摘要：鉴于单通道解调系统一次可检测的光栅波长数目有限,同时为兼顾FBG(光纤布拉格光栅)解调系统与上位机通信的稳定性与高速性,结合波分复用与空分复用技术,研制了多通道、多通信端口的FBG解调系统。通过控制16路光开关的光路切换,可实现对16通道FBG传感网的空分复用,对各通道传感器中心波长进行解调。测试结果表明,解调系统中心波长分辨率为1pm,一次采集光栅波长信息的时间为620ms,16个光通道的FBG传感信息更新最短时间不大于10s,可对约200只光纤光栅传感器进行有效监测。

光纤布拉格光栅阵列 篇4

光纤布拉格光栅具有结构简单、稳定性好、可靠性高、抗电磁干扰等特点[3], 作为传感器件被广泛地应用于道路桥梁、矿井等领域[4,5]。本文基于FBG优良的传感特性, 将其作为应力传感器, 利用单一变量法, 测试不同温度和不同主盐浓度条件下的电镀应力。

1 FBG传感原理

FBG是一种无源波长调制型传感器, 与宽带光源相连后, 特定波长的光将产生谐振, 从而形成谐振峰。FBG反射中心波长λB与光栅周期∧和纤芯有效折射率neff的关系为:λB=2∧·neff

当FBG受到应力扰动时, 其中心反射波长将随应力的变化Δσ做线性变化, 即:

2测试方法

测试前需要先对FBG表面进行金属化, 使其具有导电性[6]。然后将金属化的FBG作为阴极进行电镀, 电镀过程中产生的应力将会使FBG中心波长λB发生漂移, 利用光谱分析仪以一定的频率记录λB的飘移量, 通过这些漂移量即可反映出电镀时的应力。实验中采用瓦特镀液, 测试方法为单一变量法, 在不同温度和主盐浓度的条件下分别进行了对照实验。

3测试结果

3.1温度对应力的影响测试

通过恒温水箱改变电镀液的温度并使其稳定不变, 温度分别为32℃、40℃、48℃, 其他条件不变, 实验结果如图1所示。

3.2不同主盐浓度对应力的影响测试

其他实验工艺参数不变, 主盐质量浓度分别为20g/L、50g/L、80g/L、120g/L, 实验结果如图2所示。

4分析

由图1和图2可知, 中心波长偏移量的变化能反映应力的变化:由图1可知, 温度变高, 波长偏移量变小, 电镀应力小;由图2可知质量浓度变大, 电镀应力先变小后变大;超过一定浓度时, 质量浓度变大, 电镀应力先变大后变小。这与以往文献结果一致[7,8,9,10]。由于镀层与FBG初期所镀金属层不匹配的原因, 电镀初期的中心波长速率远大于后期[11];在电镀后期, 随着镀层厚度的增加会导致应力的释放, 实验结果与电镀应力理论相符合[11]。

5结语

在电镀FBG过程中, FBG中心波长对电镀应力响应灵敏, 利用这一敏感响应可以实时监测电镀应力。本研究使用单一变量法, 分别测试了不同条件下的FBG中心波长响应。研究结果表明, FBG传感器能正确反映电镀应力的变化。这一测试方法具有简便性、实时性、精确性的特点。该方法拓宽了FBG在传感领域的应用。

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光纤布拉格光栅阵列 篇5

光纤布拉格光栅 (FBG) 是光纤传感领域的重要传感元件, 能感受外部环境物理量 (温度、应力、应变) 的变化;体积小、易于复用、可用于恶劣环境, 有着广泛的应用前景。然而, FBG质脆且灵敏度低, 使用前需要作金属化增敏封装处理[1]。目前, FBG金属化方法主要有真空蒸镀、溅射、化学镀及电镀等方法。其中, 化学镀工艺简单、镀层均匀性好、成本低, 具体品种有化学镀金、银、镍、铜等。化学镀金、银具有良好的物理性能, 但价格昂贵, 应用范围受限;镀镍工艺成熟、稳定, 但镍的线性热膨胀系数较低, 对FBG增敏效果不甚理想[2];镀铜存在镀液不稳定, 对环境有污染等问题[3]。目前, 还未见采用化学镀钴的方法实现FBG金属化的报道。钴具有较高的线性热膨胀系数 (13.8×10-6/℃) , 非晶态钴合金电阻率高、高频损耗小, 晶态钴合金还拥有优异的耐磨性、耐蚀性和耐热疲劳性等。化学镀钴合金属于晶态结构, 镀层均匀、致密, 且与基材结合良好[4]。

本工作从FBG金属化增敏封装出发, 实现了FBG化学镀钴;对镀钴层的外貌、结合状况及结构进行了分析;系统研究了镀钴FBG的温度传感性能, 并采用传感模型对其进行了验证。

1 试验

1.1 基材前处理

基材为FBG, 主要成分是Si O2, 因在化学镀过程中不能直接作自催化反应, 须对其作如下前处理[5]:

(1) 去涂覆层将带有涂覆层的FBG置于丙酮溶液中常温浸泡10~15 min, 用脱脂棉轻擦。

(2) 除油采用无水乙醇浸泡及超声清洗, 常温, 浸泡5 min, 超声清洗2 min。

(3) 敏化敏化条件:10 g/L氯化亚锡, 40 m L/L盐酸;时间15~20 min, 温度25~35℃;烘干。

(4) 活化在FBG表面沉积一层钯原子, 以确保化学镀钴顺利进行:活化液由0.57 g/L氯化钯和5m L/L盐酸组成;时间15~20 min, 温度25~35℃。

1.2 化学镀钴工艺

将前处理后的FBG置于由主盐 (硫酸钴) 、还原剂 (次磷酸钠) 和配位剂 (酒石酸钠) 组成的镀液中 (90℃, p H=10) , 镀液中发生的主反应:

其中, X为酒石酸钠。

除了主反应外, 还有次磷酸根水解而生成磷的副反应, 所以镀层的最后产物为Co, P, 即钴磷合金。

化学镀钴工艺:14.1g/L Co SO4, 21.2 g/L Na H2PO2, 141.1 g/L C11H13KO8, 31.0 g/L H3BO3;温度为90℃, 用Na OH调节p H值为10, 时间1 h。

1.3 镀钴层测试表征

(1) 钴层外观宏观判定其形貌是否完整、光滑、颜色是否均匀性等, 并采用体貌显微镜和扫描电镜观察镀钴层的显微形貌。

(2) 钴层结构化学镀钴后作100℃热处理、24时效后, 采用X射线衍射分析仪分析处理前后的结构。

(3) 钴层性能通过扫描电镜观测镀钴层与PBG的结合状态;采用光栅网格分析仪测试FBG镀钴后的温度传感性能:第1组为FBG, 第2, 3组镀钴层厚度分别为4.1, 5.0μm;3组为同一规格, 理论温度灵敏度系数均为10 pm/℃。

2 结果与讨论

2.1 镀钴层的形貌与组构

图1为FBG镀钴层的显微形貌。从图1可以看出:镀钴层均匀、表面平整、光滑。

图2为镀钴层热处理前后的XRD谱。从图2可以看出:镀钴层为晶态结构[6], 且具有一致性。根据衍射峰的具体形貌结合PDF比对卡可知, 热处理前后镀钴层中均只存在α-Co结构, 其中的3个衍射峰分别为 (100) , (002) 和 (101) 晶面。

根据镀钴原理, 镀层一般有2%~8%P存在[4], 而XRD谱中未显现P结构, P可能存在于α-Co结构中。因为根据P-Co二元相图可知, 室温下P在Co中的溶解度非常小, 镀钴层的结构形式是P溶解于α-Co中的过饱和固溶体;P和Co的原子半径相差3% (差值小于15%) , 所以镀钴层的结构形式是P溶解于α-Co中的过饱和置换固溶体[7]。

2.2 镀钴层的温度传感性能

图3为镀钴层的截面显微形貌。由图3可见:镀钴层厚度均匀, 与FBG结合紧密, 这是FBG拥有良好的温度传感性能的前提。

FBG中光纤纤芯折射率呈周期性变化, 反射中心波长λB满足式 (2) :

其中, neff为有效折射率, Λ为光栅周期。当FBG所处环境温度发生变化时, 会导致其反射中心波长变化[见式 (3) ]。

其中, α为热膨胀系数, ξ为光热系数, Kt为FBG温度灵敏度系数。

图4为FBG化学镀钴前后 (3组) 升温和降温的传感性能。由图4可见:第1组升降温的温度灵敏度系数分别为9.91, 10.01 pm/℃ (相差1.0%) , 与理论值 (10 pm/℃) 几乎一致;第2组的升降温的灵敏度系数分别为11.4, 11.64 pm/℃ (相差2.11%) ;第3组的分别为12.08, 12.21 pm/℃ (相差1.08%) , 1, 2, 3组均出现了升降温温度灵敏度系数不一致的迟滞效应现象, 这是由材料自身弹性迟滞所造成的[6]。在升降温过程中波长与温度均具有良好的线性相关性, FBG镀钴后温度的灵敏度系数升高, 与钴镀层的厚度正相关:当镀钴层厚度为4.1μm时, 温度灵敏度系数为11.64 pm/℃;当厚度为5.0μm时, 温度灵敏度系数为12.21 pm/℃。

FBG镀钴后的迟滞效应较未镀钴FBG的有增强, 第2, 3组升降温温度灵敏度系数均比第1组的高。迟滞效应会导致升降温过程中波长的变化路线不重合, 图5为第2, 3组升降温波长变化的路线, 均出现了升降温度变化不一致的退滞现象。

3 模型验证

金属化后的FBG, 由于镀层和基材性能的不一致性, 当所处环境温度高于0℃时, 两者之间将产生热应变 (热应力所致) 。根据胡克定律和牛顿定律, 热应变会影响FBG的温度灵敏度系数, 金属化FBG的温度-波长关系见式 (4) :

式中J1= (1-μ2) E1+ (1+μ2) E2

J2= (1-μ1) E2+ (1-μ2) E1

J3= (α1-α2) μ2E1

J4= (α1-α2) (1-μ2) E1

h———金属镀层厚度

ξ———FBG热光系数

p11, p12———FBG弹光系数

α———FBG半径

αi, Ei, μi (i=1, 2) ———镀层和FBG的线性热膨胀系数、弹性模量以及泊松比

λBSt, λBSz, λBSr———FBG固有温度灵敏度系数、轴向热应力引起的温度灵敏度系数、径向热应力引起的热应变温度灵敏度系数, 3者共同组成了金属化FBG温度灵敏度系数, 当λBSz+λBSr>0时可达到增敏效果

根据金属化FBG传感模型, 通过镀层属性和厚度可确定金属化FBG的温度灵敏度系数。镀钴层的主要成分为α-Co, 所以取α1=13.8×10-6/℃, μ1=0.32, E1=21.53×1010Pa[7,8];FBG主要成分为Si O2, 取α2=0.55×10-6/℃, μ2=0.17, E2=7.0×1010Pa, ξ=6.3×10-6/℃, p11, p12分别取0.121, 0.270, neff=1.47[9]。

FBG半径a=62.5μm, 分别验证第2, 3组镀钴FBG的温度灵敏度系数:当镀钴层厚度为4.1μm时, 由式 (3) 得温度灵敏度系数为12.89 pm/℃, 与实测升温结果11.4 pm/℃相差11.56%, 与降温实测结果11.64 pm/℃相差9.7%;当钴镀层厚度为5.0μm时, 温度灵敏度系数为13.46 pm/℃, 与实测升温结果12.08 pm/℃相差10.25%, 与实测降温结果12.21pm/℃相差9.29%。

从金属化FBG传感模型来看, 计算值 (理论值) 与实际值 (试验值) 最大误差为11.56%, 两者之间基本一致, 故该模型适用于镀钴FBG的温度传感性能研究。

4 结论

(1) 采用本化学镀钴工艺将FBG金属化, 可以获得均匀、平整, 与FBG结合良好的镀钴层。无论是否经过热处理, 镀钴层的结构均为P溶解于α-Co中的过饱和置换固溶体, 实现了对FBG的增敏作用。

(2) EBG化学镀钴后温度灵敏度系数值与镀钴层的厚度成正相关, 钴层厚度为5.0μm时, 温度灵敏度系数为12.21 pm/℃, 迟滞效应有所增强。

(3) 温度传感系数的实测值与理论模型计算结果有较高的一致性。

(4) 目前, 还无法将迟滞效应完全消除, 这对化学镀钴后的FBG温度灵敏度系数的监测结果带来了一定的误差, 其原因和规律有待未来研究。

参考文献

光纤布拉格光栅阵列 篇6

研究热固性聚合物在整个固化周期内体积变化规律的方法有两类:体积膨胀法和非体积膨胀法。体积膨胀法的原理是监控整个固化周期的体积变化,其中常用的方法是基于浮力原理的体积膨胀测量方法[4,5]、毛细管法[6]和活塞法[7]等,然而这些方法不能提供关于凝胶点或玻璃化转变等信息,因此还需要对树脂的固化进程进行DSC,DMA等反应动力学研究来确定树脂的固化行为,因此无法实现树脂体积变化与固化进程的同步测量。非体积膨胀法是通过接触或非接触传感器的方式由材料中的一维或二维应变转化得到。其中,随着光纤传感技术的不断发展,用光纤传感器来在线监测树脂及其复合材料中残余应变的发展成为新的研究热点之一。在树脂固化监测领域应用较多的是光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器[8,9,10,11,12,13]。与传统的应变传感器相比,FBG传感器的优点是能在制造工艺的预成型阶段很容易地埋入材料中,对结构的力学性能影响很小,灵敏度高、可重复性好。采用FBG传感器进行固化过程监测可以获取材料内部温度变化、状态转变、化学收缩、热膨胀系数等信息,这些信息对于固化过程控制、优化以及固化过程残余应力导致变形的研究有着重要的意义。

此外,在对复合材料制造过程中产生的残余应力和变形进行建模和数值分析时,一般将材料自身性能和状态的改变造成的影响与模具造成的影响分开考虑。因此,了解树脂基体在无模具约束的自由体积变化状态下性能的改变对于复合材料固化变形分析十分重要。基于这种考虑,有研究者[4,5]将树脂置于密封的薄硅橡胶袋中基于浮力原理来测量树脂体积变化情况,但是这种方法不能提供关于凝胶点的信息。本工作采用柔性薄膜作为容器以使被测树脂处于自由体积变化状态,以一种RTM成型环氧树脂为研究对象,在被测树脂中埋入FBG传感器,对树脂固化过程中的内部应变和温度进行了固化全过程在线监测,研究了环氧树脂的固化收缩,证明了采用这种方法测量热固性树脂体积固化收缩以及状态转变点的可行性。

1 实验

以一种适用于RTM工艺成型的航空用环氧树脂作为研究对象,其固化工艺制度如图1所示。树脂升温至80℃固化240min,之后在120℃后固化处理960min以上再冷却至室温,得到完全固化的树脂材料。

图2为采用的树脂固化实验装置示意图。将配制好的环氧树脂倒入柔性耐高温薄袋中并进行真空脱气,之后将装有树脂的柔性袋放入油浴(甲基硅油)中加热固化。树脂中插入了一个未封装的FBG传感器和一个封装的FBG传感器。油浴的热源为电加热台,并有磁力搅拌器不断搅拌使其温度均匀;油浴温度由热电偶和控温装置控制。柔性袋中树脂的厚度由一个限位装置来限制,以使固化后的样品厚度保持在4mm左右。这种相对薄的试样可以保证在固化过程中树脂内部没有大的温度梯度,而柔性袋在树脂固化过程中不会对树脂的体积变化造成很大的限制,可以得到近似处于自由体积变化状态的树脂体积变化。

FBG传感器反射的光波波长称为布拉格中心波长,周围的温度场和作用在传感器上的外力使其产生的应变均能够导致布拉格中心波长漂移。当应变和温度同时发生作用时,布拉格中心波长Δλ的变化可以表示为[8]

式中:kε与kT分别是FBG传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数;Δε和ΔT分别是光纤轴向应变变化量和传感器周围温度的变化量。

由于光纤光栅对温度与应变同时敏感,使得无法对同一个FBG传感器的温度与应变造成的波长相对漂移加以区分。为了解决温度和外力交叉敏感的问题,采用参考传感器对测量传感器进行补偿的方法[8,9,10,14],使两者处于相同的温度场中,对温度的变化具有相同的响应。两者布拉格中心波长相对漂移之差只与测量传感器所受应变有关,与温度的变化无关,此时可以得到材料中的应变为[14]

式中:ΔλM为测量传感器的布拉格中心波长漂移(应变和温度综合作用);ΔλT为参考传感器的布拉格中心波长漂移(只有温度作用)。

本工作的实验装置中,未封装的FBG传感器作为测量传感器,封装的FBG传感器作为参考传感器使用。油浴中也放入一个封装的FBG传感器来记录油温。所用的FBG传感器均选用单模光栅,光纤纤芯的直径为125μm,涂覆层厚度为62.5μm,栅区长度为10mm。布拉格中心波长范围为1525~1565nm。FBG传感器连接到波长调制解调仪上进行监控和记录,波长分辨率为1pm,扫描频率为1Hz。

用于温度测量和补偿的参考FBG传感器一般需要采取特殊措施避免外力的影响,常用的方法是将FBG传感器的栅区封装在一个毛细管内[8,9,10]。本工作选用外径为1.5mm的细铜管作为毛细管,两头用胶黏剂封口,制成温度传感器,如图3所示。

为了验证FBG传感器对于测量热固性树脂体积变化的准确性和可靠性,采用DIL402PC?热膨胀测试仪对固化后的树脂试样进行了测试,升温速率为2℃/min。DIL402PC?热膨胀测试仪是采用推杆式样品支架测量试样长度方向上的尺寸变化。样品支架对试样的夹持力很小,可以认为样品近似处于自由热膨胀状态。

2 结果与讨论

2.1 温度灵敏系数确定

采取油浴加热的方法在室温至200℃的温度范围内测量了作为温度传感器使用的封装FBG传感器的温度响应。将FBG传感器与热电偶置于油浴内同一位置,在升温过程中每隔20℃恒温0.5h,并同时记录FBG传感器的布拉格波长值和热电偶测得的温度值。本工作中采用的FBG传感器的布拉格中心波长与温度之间不是线性关系,需要根据供应商提供的公式进行拟合:

式中:ΔT是指当前温度T与参考温度T0之差;A,B,C为多项式系数;λ是温度为T时的布拉格中心波长;λ0指T0温度下的布拉格中心波长,一般取T0=0℃。

本工作中所用的封装FBG传感器的温度响应实验结果如图4所示。从曲线可以看出,公式(3)的拟合结果与实验结果吻合得很好。A,B,C和λ0拟合结果分别为-9.03℃/nm2,110.59℃/nm,-4.48℃和1561.841nm。

2.2 应变灵敏系数确定

FBG传感器供应商提供的应变灵敏系数kε为1.2pm/με,为了验证该系数,将单根FBG传感器埋入250mm×25mm×2mm的T700炭纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料试样中。试样的铺层为[45/0/-45/90/45/0/-45/0]s,FBG传感器的位置处于试样平面内的中心,在厚度方向上位于铺层对称中心的两层0°层之间。试样固化后在上下表面的对应位置各粘贴一个应变片。在力学试验机上对试样进行恒温拉伸实验,得到的FBG传感器和应变片的响应如图5所示。

图5中FBG传感器的应变测量结果是根据公式(2)计算得到的,ΔλT=0,kε=1.2pm/με。可以看出,直至光纤断裂传感器信号消失之前,FBG传感器与应变片的测量结果有很好的一致性,布拉格中心波长漂移与应变之间呈良好的线性关系。

2.3 传感器监测的温度及应变历程

由FBG传感器测得的油浴温度和树脂材料内部温度变化历程如图6所示。可知,在第一个、第二个升温阶段以及降温阶段,树脂内的温度基本与油浴的温度保持一致。在第一个和第二个保温阶段,树脂内的温度比油浴的温度低4~5℃。如果树脂内部温度过高,就会导致树脂与FBG传感器的结合界面强度下降,甚至使FBG传感器与被测物质脱开,从而引起测试误差。由于试样厚度较薄,树脂内没有出现由于化学交联反应放热引起的温度的急剧升高,测量结果可靠性较高。

图7为FBG传感器测得的树脂内部温度和应变随时间的变化过程。可以看出,在升温到80℃的过程中直至恒温开始一段时间内,由于液态树脂与FBG传感器没有形成足够强的界面,监测到的应变为0。随着怛温时间的延长,树脂不断进行交联反应,当80℃恒温90min左右,可观察到应变曲线开始下降。一般认为此点是树脂的凝胶点,因为树脂的模量从凝胶点开始迅速增加并由液态转变为橡胶态,从这点开始树脂才能够有效地将应力传递到光纤上,并使FBG传感器作出响应。

2.4 应变随温度的变化

树脂内部应变随温度的变化如图8所示。可以看出在A点到B点的升温过程没有监测到应变。由于B点到C点的第一个恒温阶段温度不变,因此热导致的体积变化为0,应变的下降是由于化学交联反应引起的体积收缩导致埋入树脂中的FBG传感器承受压应力造成的。B点到C点的化学收缩造成的压应变约880με,B点对应图7中的凝胶点。C点到D点是第二个升温过程,FBG传感器监测到的应变变化是化学反应和温度变化共同作用的结果,变化幅度约1440με。D点到E点的第二个恒温阶段没有监测到明显的应变变化,这从图7中应变随时间的变化曲线也可以观察的到,因此在图8中D,E两点不能明显区分开。最后E点到F点的降温过程中,经过足够长时间后固化处理的完全固化的树脂仅承受温度降低导致体积变化,FBG传感器监测到的应变为热导致的应变变化(约6950με)。

对应图8中的A,C,F三个关键点的FBG传感器光谱图如图9所示。从固化开始到测试结束,FBG传感器的光谱波形规整、对称性好,没有波形宽化或者出现杂峰的光谱劣化现象,说明FBG传感器与树脂之间结合良好,没有因为树脂的体积变化对FBG传感器本身造成损伤。

根据图8中E点到F点的降温曲线,对完全固化树脂的冷却过程数据进行线性拟合,得到的不同温度区间的线性热膨胀系数(Coefficient of Linear Thermal Expansion,CLTE)与完全固化树脂试样热膨胀测试仪的测试结果共同列于图10中。FBG传感器测得的线性热膨胀系数比热膨胀测试仪略低,这可能是由于两种测试方法原理不同引起:FBG传感器是测量光纤轴向的应变的变化,传感器所处位置的树脂体积变化可能会受到光纤的限制;而热膨胀仪是测量支架上试样长度的变化,当夹持力足够小时可以认为长度变化不受限制。由图10可知,两种方法测得的线性热膨胀系数均随着温度的升高而增加;两种方法的线性热膨胀系数结果均在同一数量级(10-5℃-1),同一温度区间的值也比较接近;FBG传感器监测树脂固化具有相当的准确性和可靠性。

3 结论

(1)在环氧树脂中埋入FBG传感器进行固化全过程在线监测,能获得从凝胶点开始到树脂完全固化的整个过程中材料内部由于化学反应及温度导致的应变变化,并能同时得到树脂凝胶点的信息。

(2)本工作设计的实验设置使固化过程中树脂内部温度均匀,没有受到反应放热的显著影响,并使树脂处于近似自由体积变化状态。

(3)通过FBG传感器测得的实验数据计算得到的完全固化的树脂在冷却过程的线性热膨胀系数与热膨胀仪测量结果趋势一致,测量值也相当。

摘要：采用光纤布拉格光栅传感器对处于自由状态的热固性树脂在固化工艺过程中的温度和应变进行了实时在线监测,并且利用传感器的测量数据得到了固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数。结果表明:应用光纤布拉格光栅传感器能够实现从树脂凝胶点开始对固化过程中由于体积变化导致的树脂内部应变变化实时在线监测;传感器测得的固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数结果与热膨胀仪的测量结果相当;利用光纤布拉格光栅传感器测量热固性树脂的固化收缩具有较高的灵敏度和可靠性。

光纤布拉格光栅阵列 篇7

由于光纤传感技术和集成光学的飞速发展,许多新型特种光纤开始涌现,带状光纤便是其中一种。将多根光纤紧密排列成平行带状,单层或多层分布,每层为4芯、6芯、8芯等,此种结构光纤具有光纤密度高、体积小重 量轻、光纤易 识别、分路方 便等优点[1],此外带状光纤截面为矩形,其特殊的光纤结构使其很容易固定于物体表面而不发生扭转;较薄的包层结构使带状多芯光纤具有一定的保偏特性和较强的倏逝场。这些特点决定了带状光纤不但可以在大容量的光纤通信系统中作为信息传输媒介[2,3],而且还能被用于制作高集成度光纤器件和高灵敏度的光纤传感器。

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制从而形成的空间相位光栅,其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤光栅作为一种无源器件,在现代光纤通信系统中广泛用作滤波器、波分复用器、均衡器、色散补偿器等[4]。目前通信系统中常用的方式是将单纤上的光栅采用熔接或者活动连接的方式接入系统,其缺点是接续费时、占用空间且不可避免地引入较大插入损耗。

本研究是寻找一种制备工艺[5,6],直接在带纤上实现阵列光栅的刻写,并且每根光栅的波长、反射率等参数可根据需要灵活调整。此种基于带状光纤的阵列光栅可以将带纤和光栅的优势结合在一起,极大方便使用。根据我们掌握的资料,这是第一次有关带纤上阵列光纤光栅刻写工艺的研究。

1刻写系统结构及装置

1.1刻写系统结构

刻写系统构成如图1所示。所用光谱仪为日本Ando公司的AQ-6370C,波长分辨率0.02nm;准分子激光 器为美国COHERENT公司生产 的COMPEXPro-50,波长193nm;三维精密电控位移平台为北京微纳光科生产的WN301ZA,脉冲当量为0.155μm;一维电控位移平台为北京卓立汉光生产的SC300-1B,脉冲当量为0.155μm。

1.2设计专用带纤夹具

为了将带纤平稳地固定在位移平台上,本研究自行设计了一种专用的带纤夹具,可夹持不同宽度带纤且角度可调。夹具采用不锈钢材料制作,L型底板的两面均带有螺纹孔,可以牢固地安放在三维位移平台上。其工作原理是通过带有自锁功能的偏心轮的旋转挤压顶杆,顶杆前移,推动前端不锈钢小块夹紧带纤。调节L型板上不锈钢小块的相应位置实现夹持装置宽度及角度的调整。

为了避免带纤出现相对滑动,夹具夹持面制成如图2所示的宏弯形状以增大摩擦阻力,宏弯轮廓曲线表达式为(1)式,实验结果表明此种结构既能牢固地夹持带纤,又能够保证带纤涂覆层的完整。

1.3精确拉伸力施加装置

本研究中利用改变施加在光纤上的拉伸力来实现单模板下不同周期光栅的刻写。常用的施加拉伸力的方法是采用悬挂砝码的方式,此种方法结构简单,但其缺点是效率低,自动化程度差,尤其对于带纤这种多纤结构来说悬挂砝码将是一个很大的工作量,所以本研究中采用精密电控位移平台编程来实现光纤上拉伸力的改变。

带纤上相邻光栅中心波长差0.5nm,最大波长与最小波长之差为3.5nm,此时尚处于光纤的弹性形变范围内,胡克定律适用,光栅波长漂移与拉伸量成线性关系。波长漂移0.5nm需要的脉冲数N可按如下公式求得:

其中L为带纤长度,P为位移平台的脉冲当量,Λ为模板周期,neff为纤芯有效折射率,这里取1.447。

2刻写原理

待刻写光纤为单层8芯带纤,相邻两个光纤纤芯的距离为250μm。使用前先 使带纤在12 MPa下加热至75°C并载氢23h,然后选择适当位置去掉涂覆层,剥出2cm长的窗口,再利用自行设计的夹具将准备好的带纤两端分别固定在两个电控三维位移平台上。准分子激光器发出的光束经反射镜反射、柱透镜聚焦及光阑约束后经过相位模板,对去掉涂覆层的带纤窗口区域的第一根光纤进行曝光,待第一根曝光结束后利用电控三维位移平台将带纤向下移动250μm,同时三维位移平台左右移动设定的距离来改变施加在带纤上的拉伸力实现光栅波长的调节,进行第二根光栅的刻写,这样逐根在带纤上刻写符合要求的光栅。刻写过程中移动固定在一维位移平台上的反射镜和聚焦透镜进行扫描来实现良好的切趾,光纤两端连接ASE光源和光谱仪检测光纤透射光谱,对光栅写入过程进行实时监测。

实验中首先刻写中心波长最大的光栅,之后在原有拉伸力的基础上,逐个增大施加在带纤上的拉伸力,从而改变光纤上的拉伸量,直至带纤上所有光栅的刻写完成。

2.1激光与光阑的对准

为了保证单根光纤的刻写成功,必须保证刻写过程中紫外光斑恰好只覆盖单根光纤。实验所使用的带纤是由8根带涂覆层的标准单模光纤排列而成的,单根光纤含涂覆层宽度为250μm,即光斑的宽度应调整为250μm以内。实验中在相位模板前添加光阑,调整光阑宽度为250μm,光阑与模板和光纤平行,正中心与带纤正中心相对。刻写完成第一根光纤后,只需要将带纤整体下移250μm即可对准下一根光纤。

相对于实验中使用的193nm波长紫外光源,250μm光阑不会产生明显衍射;另外250μm的宽度是相邻两个光纤纤芯的距离,这样即使位移平台移动时出现微小偏差,不会漏掉要刻写的纤芯,同样不会重复已曝光的纤芯。

2.2切趾

尽管周期性折射率微扰带来模式耦合,进而获得了独特的光谱结构,但也会带来激烈的旁瓣振荡,尤其是当反射率比较高时,此种现象更加明显。旁瓣振荡带来通信串扰乱码,损害通信质量,必须加以滤除。

实验采用汉明切趾对光纤光栅进行扫描切趾,其切趾包络函数为[3]:

式中为折射率调制初值,H为汉明函数的控制参数,M为光栅长度,本研究中H取0.8,M取13.5mm。

实验中通过控制柱透镜和反射镜的运动实现不同函数的切趾。由于位移平台限制,柱透镜和反射镜的运动不能实现连续曲线的移动,实验时使柱透镜和反射镜以分段曲线运动,调整各分段的长度和扫描速度,可实现近似的汉明切趾,分段越多,切趾曲线越接近设定函数。

2.3带纤中残余应力的消除

由于带纤生产过程中封装工艺的影响,带纤中会存在残余应力,即组成带纤的各单纤应力状态不一致,这种不一致会导致刻栅过程中相同拉伸力下波长漂移不一致,必须在拉伸过程中进行补偿和矫正。本研究中根据初始偏差的不同,对拉伸量进行微调补偿,很好地实现了残余应力的偏差矫正,理论上可以精确到单脉冲,即0.60pm。

综合带纤理想拉伸量以及初始应力偏差数据,可以计算出每一根光纤上的拉伸量,表1为刻写一根完整的带纤三维位移平台需要的水平和垂直移动量。

3实验结果

按照前述刻写流程,充分注意刻栅过程中的影响因素,本研究成功地在8芯带纤上实现了3dB带宽0.2nm、波长间隔0.5nm、反射率80%~85%的阵列布拉格光纤光栅刻写,传输谱如图3所示。

实际应用中为了防止光纤光栅断裂,必需要将光纤光栅进行封装保护。本研究中采用矩形不锈钢管对刻写完成后的带纤进行封装,矩形钢管由底座和顶板组成,长30mm,宽3mm,高2.5mm。将带纤装入方形不锈钢管中,两侧用橡胶头固定,同时在橡胶头处进行粘胶处理,最后扣上顶板,室温下静置24h即可。为减小外界应力对光栅的影响,封装过程中应使带纤保持松弛状态。封装前后的阵列光栅如图4所示。

4结论

为了将带纤和光栅的优势结合在一起,本研究提出了一种在带纤上直接实现阵列光栅刻写的方法,并且每根光栅的波长、反射率等参数可灵活调整。此种基于带纤的阵列光栅可以使光纤通信系统结构更为简单,连接更加方便,光栅密度更高,插入损耗更小,将大大扩展光纤光栅在光纤通信领域的应用。根据我们掌握的材料,这是第一次有关带纤上阵列光纤光栅刻写工艺的报道。

摘要：设计了一种带状光纤上阵列光纤光栅刻写系统,仅利用一块相位掩模板,即实现8芯带纤上阵列光纤布拉格光栅的刻写。使用自行设计的带纤夹具夹持带纤,电控位移平台对带纤整体施加拉伸力,采用相位掩模工艺对光纤逐根曝光,并同时以扫描写入的方法进行汉明切趾。刻栅过程由电脑编程控制,中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整。测试结果表明,刻写完成的阵列光纤布拉格光栅3dB带宽为0.2nm、波长间隔为0.5nm、波长偏差小于±50pm、反射率达到80%~85%。

关键词：带状光纤,光纤光栅,刻写,工艺

参考文献

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