王義平， 唐 劍， 尹國路， 鐘曉勇， 廖常銳

(深圳大學(xué)光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳，518060)

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光纖光柵制作方法及傳感應(yīng)用*

王義平， 唐 劍， 尹國路， 鐘曉勇， 廖常銳

(深圳大學(xué)光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳，518060)

詳細(xì)闡述了光纖光柵常用的幾種制備方法，包括紫外激光曝光法、CO2激光照射法、電弧放電法、飛秒激光法等，并分析比較了各種方法的適用性和局限性；系統(tǒng)綜述了光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，討論了光纖光柵溫度、應(yīng)力、彎曲、壓力、扭曲以及生化等幾種典型的傳感器；最后，對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

光纖傳感； 光纖光柵； 制作方法； 傳感器

1 引 言

光纖傳感以其靈敏度高、成本低、體積小、能埋入工程結(jié)構(gòu)、操作簡便等特點(diǎn)使其在傳感領(lǐng)域越來越倍受關(guān)注，使得智能結(jié)構(gòu)成為可能，極大地改變了人們的生活方式。隨著光纖與光纖器件制備方法和技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，光纖光柵已成為最具代表性、最有發(fā)展前途和發(fā)展最為迅猛的光纖無源器件之一。

光纖光柵出現(xiàn)至今，隨著研究的深入和應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)大，用途各異的光纖光柵層出不窮且各具特性。根據(jù)光纖光柵的周期大小主要可以分為短周期光纖光柵和長周期光纖光柵兩種。短周期光纖光柵，也叫光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, 簡稱FBG)，其周期通常小于1 μm，能實(shí)現(xiàn)反向模式間耦合的光纖光柵，屬反射型光纖光柵。由加拿大通信研究中心的Hill 等人在1978 年首次利用駐波法在摻鍺光纖中研制成功[1]。LPFG(Long-period fiber grating, 簡稱LPFG)的周期為幾十到幾百微米，由AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的Vengsarkar等[2]于1996 年用紫外光通過振幅掩模板照射氫載硅鍺光纖的方法研制而成，可實(shí)現(xiàn)基模耦合到同向傳輸?shù)母靼鼘幽?，屬透射型光纖光柵。此外，光纖光柵還可以根據(jù)光柵的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理、光纖材料類型等不同進(jìn)行分類。

光纖光柵傳感是利用在光纖中寫制的光柵作為傳感頭，當(dāng)外部應(yīng)力、壓力、溫度、濃度等環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，引起光纖有效折射率、光柵周期等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致通過光柵區(qū)域的光波受到的調(diào)制情況發(fā)生改變來實(shí)現(xiàn)傳感。通過測(cè)量光纖光柵諧振波長或譜形邊沿的響應(yīng)變化量可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的參量監(jiān)測(cè)，而且光纖光柵的傳感信息通常是以波長編碼的，使其克服了強(qiáng)度調(diào)制傳感器必須補(bǔ)償光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏的不足。光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的電子或機(jī)械傳感器相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如抗電磁干擾、高靈敏度、高可靠性、低成本、緊湊性、耐腐蝕、可埋入智能結(jié)構(gòu)等。這使其在強(qiáng)磁場(chǎng)、輻射性、腐蝕性或危險(xiǎn)性大的環(huán)境監(jiān)測(cè)方面有良好的適用性，已經(jīng)在橋梁、大壩、建筑物、飛行器、艦船、火車、礦井、油田、油罐等方面的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)得到了廣泛應(yīng)用。

1 光纖光柵的寫制方法

光纖光柵出現(xiàn)至今，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖光柵的寫入方法進(jìn)行了廣泛的研究，形成了多種多樣的寫制方法。它們各有優(yōu)勢(shì)，而且通過不同制備方法得到的光纖光柵的光學(xué)特性也有不相同之處。FBG和LPFG的光傳輸原理分別如圖1中(a)和(b)所示。以下對(duì)迄今為止常見的光纖光柵寫入方法進(jìn)行簡單描述。

圖1 光纖光柵傳輸原理圖Fig.1 1 The optic transmission schematic of fiber grating

(1)紫外曝光寫入法

紫外激光曝光法是出現(xiàn)較早也是最常見的光纖光柵寫入方法，主要是利用紫外激光經(jīng)過振幅掩模板曝光載氫摻鍺光纖，引起纖芯折射率周期性調(diào)制形成光纖光柵，其制作原理如圖2所示。該方法技術(shù)比較成熟，而且具備批量生產(chǎn)條件，但要求光纖具有摻雜稀土元素(鍺、磷等)的光敏纖芯，而且常常需要載氫來增強(qiáng)光纖的光敏性，但載氫對(duì)光柵熱穩(wěn)定性有較大影響。此外，由于相位掩模板的周期是固定的，使得這種寫入法不夠靈活多變。1989年，Meltz等[3]首次通過兩束相干紫外光形成的干涉條紋對(duì)載氫光纖進(jìn)行側(cè)面曝光寫入FBG。并且通過改變激光波長或兩束相干光之間的夾角可以在任何感興趣的可用波段寫入FBG。1993年，Hill等[4]在Meltz的研究基礎(chǔ)上利用紫外光垂直照射相位掩模法在載氫光纖寫入FBG，有力地推動(dòng)光纖光柵真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。盡管紫外曝光法最先應(yīng)用于FBG的寫制，但該法對(duì)LPFG同樣適用[2，5-7]。多年來，研究者們對(duì)該方法進(jìn)行了各種改進(jìn)優(yōu)化，主要是采用不同的掩膜板如微透鏡陣列法、介質(zhì)膜幅度掩模法、莫爾條紋振幅法，或選用不同的激光器如193 nm ArF準(zhǔn)分子激光器、244 nm Ar離子激光器或是264 nm紫外飛秒激光器等。

圖2 紫外激光寫制光纖光柵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment setup for fabricating fiber grating using UV laser

(2)CO2激光寫入法

CO2激光照射法寫入光纖光柵是近年來實(shí)驗(yàn)室比較常用的方法，主要是通過CO2激光脈沖周期性加熱光纖造成殘余應(yīng)力釋放或者物理變形引起折射率調(diào)制從而形成光纖光柵。該方法可直接在任意類型光纖上寫制光柵，不需要光纖具有光敏性或其他載氫增敏處理，寫制效率高、成本低，寫制的光柵熱穩(wěn)定性好，而且可通過軟件控制靈活改變光柵的周期大小以及周期數(shù)目等。但由于目前CO2激光聚焦的最小焦斑直徑大小在30 μm左右，遠(yuǎn)大于FBG的周期，該法不適用于FBG的寫制。1998年，Davis等[8]首次用聚焦的CO2激光沿光纖軸向逐點(diǎn)加熱寫入LPFG，使LPFG的制作進(jìn)入一個(gè)新的階段。2002年，等[9]利用該方法首次在純硅光子晶體光纖中寫入LPFG。2003年，饒?jiān)平萚10]提出由計(jì)算機(jī)精確控制的高頻CO2激光脈沖二維掃描寫入LPFG的方法。2004年，韓國的Oh等[11]報(bào)道了利用高頻CO2激光連續(xù)曝光同時(shí)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)光纖的方法形成螺旋結(jié)構(gòu)的LPFG。2008年，王義平等[12]首次利用高頻CO2激光脈沖二維掃描法周期性塌陷空氣芯光子帶隙光纖包層空氣孔成功寫入LPFG，打破了長期以來阻礙光子帶隙光纖光柵發(fā)展的瓶頸。2009年，H. F . Xuan等[13]用CO2激光在微納光纖上制得LPFG。2014年，鐘曉勇等[14]利用改進(jìn)的CO2激光掃描法結(jié)合氣壓輔助方式，首次在光子晶體光纖中寫入一種膨脹式的LPFG，其寫制原理和光路如圖3所示。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)CO2激光照射法做了廣泛的研究，提出了各種改進(jìn)CO2激光寫入光纖光柵的方法，包括單側(cè)周期性刻槽[15-17]、對(duì)稱聚焦刻寫[18-19]、周期性拉錐[20]等。

圖3 氣壓輔助式CO2寫制膨脹式LPFGFig.3 Experimental setup of inflated LPFG inscription with a pressure-assisted CO2laser beam scanning technique

(3)電弧放電寫入法

電弧放電法是通過電極周期性放電使光纖熔融變形，使光纖折射率受到周期性調(diào)制從而形成光纖光柵。該方法寫制機(jī)理與CO2激光類似，制作簡單、可控性好，可隨意改變光柵周期數(shù)，寫制光柵溫度穩(wěn)定性好，而且可自由調(diào)節(jié)電流的大小和放電時(shí)間來控制折射率調(diào)制大小。這種方法的不足主要是電弧放電區(qū)域較大，限制了其寫制周期寬度大小，不適合于FBG寫制。同時(shí)電極容易氧化影響放電強(qiáng)度穩(wěn)定性，而且寫制過程不能重復(fù)放電，靈活性不如CO2激光。1998年，Kosinski等[21]首次提出用電弧放電的方法來寫制LPFG。1999年，In Kag Hwang等[22]利用電弧放電法使光纖發(fā)生周期微彎從而形成LPFG。2011年，Smietana等[23]利用自行改進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制的電弧放電技術(shù)將LPFG的寫制周期從之前的345 μm 減小到221 μm ，是目前為止電弧放電所能寫制的最短的LPFG。同年，Agostino Iadicicco等[24]利用氣壓輔助式的電弧放電技術(shù)在空氣芯光子帶隙光纖中成功寫入無塌陷的LPFG。2014年，Yin等[25]用100P+熔接機(jī)通過二次程序開發(fā)改進(jìn)電弧放電，利用計(jì)算機(jī)程序控制的周期性放電拉錐光纖形成LPFG，其實(shí)驗(yàn)原理和制作裝置如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的電弧放電法寫制光纖光柵Fig.4 Experiment setup for inscribing a LPFG with improved electric discharge method

(4)飛秒激光寫入法

飛秒激光刻寫光纖光柵主要有3種方法：相位掩模板法、逐點(diǎn)法和掃線法。該法是利用近紅外或紫外飛秒激光直接誘導(dǎo)折射率改變從而寫入光纖光柵，光纖無需具有光敏性和增敏處理，且同時(shí)適用FBG和LPFG的寫制。該法聚焦光斑尺寸小，加工精度高，屬于“冷”加工特性，避免熱融化發(fā)生，保證了光柵的機(jī)械強(qiáng)度，制作的光柵熱穩(wěn)定性好且不易老化。典型的飛秒激光加工平臺(tái)如圖5所示。通過控制位移平臺(tái)移動(dòng)速度與激光脈沖重復(fù)率之比就能設(shè)定光柵周期，刻寫快速，操作靈活，但需要復(fù)雜的聚焦光學(xué)系統(tǒng)以及精確機(jī)械位移平臺(tái)，而且外界振動(dòng)對(duì)寫制光柵的影響較大。1999年，Kondo等[26]首次用波長800 nm的紅外飛秒激光逐點(diǎn)曝光在單模光纖上成功寫制了LPFG。2003年，Adrian Dragomir等[27]利用264 nm紫外飛秒激光照射的相位掩模法寫制FBG。2004年，Hindle等[28]首次用紅外飛秒激光在純硅纖芯的光纖柵寫入LPFG。2010年，K.M. Zhou等[29]利用波長800 nm的紅外飛秒激光采用線掃描的方法寫制出四階FBG。2013年，Robert J. Williams等[30]利用直接在纖芯連續(xù)掃描技術(shù)寫入低損耗的FBG。近年來，飛秒激光寫制法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到廣大學(xué)者的青睞，許多研究者都開展了相應(yīng)的研究工作。

圖5 飛秒激光寫制光纖光柵Fig.5 Experiment setup for fabricating fiber grating with femtosecond laser

(5)腐蝕刻槽寫入法

腐蝕刻槽法是利用化學(xué)腐蝕的方法在光纖包層腐蝕出周期性的環(huán)槽結(jié)構(gòu)從而寫入光纖光柵。該方法無需激光曝光，無需光纖具有光敏性，制作成本低，簡單易行，可直接用氫氟酸周期性改變光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，形成光柵穩(wěn)定性好，但機(jī)械強(qiáng)度較弱。此外由于刻槽部分主要發(fā)生在包層上，纖芯基模和包層模之間的耦合一般較弱，而由于刻槽部分和未刻槽部分的直徑不同，若在兩端施加一定應(yīng)力將引起折射率調(diào)制從而形成強(qiáng)耦合的光纖光柵。1999年，Lin等[31]首次報(bào)道了用腐蝕刻槽法在光纖上寫入LPFG。隨后Lin和J. Yan等[32-33]對(duì)這種結(jié)構(gòu)LPFG的應(yīng)力、彎曲、扭曲等多種傳感特性進(jìn)行了比較深入的研究。2011年，R. Yang等[34]先利用飛秒激光誘導(dǎo)折射率變化，然后采用腐蝕微孔陣列的方法制作出FBG。2013年，J.C.Guo等[35]利用飛秒激光燒蝕單模光纖表面，然后通過腐蝕微流通道的方法寫制出LPFG。

(6)機(jī)械微彎寫入法

機(jī)械微彎法是通過帶刻槽的面板施加機(jī)械壓力使光纖發(fā)生周期性的微彎變形，由于彈光效應(yīng)使光纖軸向產(chǎn)生周期性的折射率調(diào)制從而寫入光纖光柵。該法主要通過改變光纖與凹槽之間的夾角便可調(diào)節(jié)光柵周期，通過改變施加壓力的大小可實(shí)現(xiàn)損耗峰幅值的調(diào)節(jié)，寫制的光柵溫度穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高。但是一塊刻槽板的光柵周期調(diào)節(jié)范圍有限，而且很難精確控制施加的機(jī)械壓力，所以光柵諧振峰強(qiáng)度不好調(diào)節(jié)，另外寫制的光柵不能長久保留，多次施壓會(huì)損壞光纖結(jié)構(gòu)。2000年，Savin等[36]首次用機(jī)械微彎法在單模光纖上成功寫入LPFG。2002年，Ham等[37-38]分別提出了對(duì)于機(jī)械微彎法寫入的LPFG的雙折射補(bǔ)償方法。2004年，Lim等[39]利用機(jī)械壓力法在光子晶體光纖上寫入了LPFG。2007年，Danny Noordegraaf等[40]利用機(jī)械壓力法在液晶填充的光子晶體光纖中寫制了LPFG，并對(duì)其電光特性進(jìn)行了研究。由于機(jī)械壓力法簡單易行，制作方便，不需光纖具有光敏性，適用光纖類型多，利用其寫制光纖光柵的工作也頗多。

(7)離子束寫入法

離子束注入法是用聚焦的離子束沿軸向周期性入射到光纖表面并注入到纖芯和包層中，引起折射率周期性改變從而形成光纖光柵。其折射率變化機(jī)理主要是注入的離子(He2+或H+)與玻璃中的原子核相互作用引起玻璃結(jié)構(gòu)致密化，從而導(dǎo)致折射率改變。該方法在室溫下可使硅玻璃的折射率變化高達(dá)1%，因而可在任意常用光纖中寫入光纖光柵，而且可以通過調(diào)節(jié)入射粒子束的劑量改變光纖折射率調(diào)制大小，寫入的光柵高溫穩(wěn)定性較好，適應(yīng)在高溫環(huán)境下工作。2000年，F(xiàn)ujimaki等[41]首次用氦(He2+)離子通過掩模板注入到光纖中成功寫入LPFG。2001年，M.L.vonBibra等[42]提出用聚焦氫離子(H+)逐點(diǎn)入射光纖的方法寫入LPFG。2003年，Grant等[43]中利用2.4MeV氫離子(H+)在多模光纖中通過纖芯調(diào)制寫制LPFG。

2 光纖光柵傳感器研究

自從1989年聯(lián)合技術(shù)研究中心的Morey[44]首次報(bào)道將光纖光柵用于傳感領(lǐng)域以來，經(jīng)過20多的發(fā)展，光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域的作用日益突出，各類傳感器不斷涌現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境不同，光纖光柵傳感器大致可分為以下幾種。

(1)溫度傳感器

溫度傳感是光纖光柵傳感器最主要和最直接的應(yīng)用之一, 通過研究溫度與光纖光柵諧振波長漂移量的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)溫度傳感。盡管FBG和LPFG的光波傳輸理論模型不同，但其溫度傳感機(jī)理主要都是熱脹冷縮效應(yīng)引起光纖光柵的周期和光纖內(nèi)部的有效折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖光柵的中心波長的變化。對(duì)于普通的硅光纖，F(xiàn)BG的溫度靈敏度在800 nm和1.55 μm兩個(gè)波長處的典型溫度值分為6.8 pm/℃和13 pm/℃[45]。普通單模光纖刻寫的長周期光纖光柵的溫度靈敏度的范圍在30 pm/℃到100 pm/℃之間，比FBG的溫度靈敏度高1個(gè)數(shù)量級(jí)。迄今為止許多方法技術(shù)已用以進(jìn)一步提高LPFG的溫度靈敏度，包括利用纖芯摻雜光纖，不同幾何結(jié)構(gòu)的光纖和在包層涂覆特殊的熱敏材料等。1999年，Abramov等[46]在特殊設(shè)計(jì)的聚合物微光纖中實(shí)現(xiàn)了溫度可達(dá)800 pm/℃的LPFG[46]。2001年，X. W. Shu等[47]通過在纖芯摻有B-Ge的光敏光纖上寫制的LPFG的溫度靈敏度可達(dá)到2.75nm/℃。2002年，Khaliq等[48]用在LPFG周圍涂覆高熱光系數(shù)的材料的方法，將其溫度靈敏度提升到19nm/℃，是目前知道的最高靈敏度的LPFG溫度傳感器。2006年，Wang等利用周期性刻槽的LPFG構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的溫度傳感系統(tǒng)，如圖6所示，其測(cè)試精度可達(dá)到0.1℃。此外，溫度傳感器在實(shí)際溫度測(cè)量中還需考慮到光纖光柵的高溫穩(wěn)定性。近年，國內(nèi)外的科研工作者基于不同光纖類型和不同寫制技術(shù)的光纖光柵的溫度特性開展了大量系統(tǒng)性研究工作。

圖6 由CO2刻槽型LPFG構(gòu)成的基于強(qiáng)度調(diào)制的溫度傳感系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic of the CO2 laser-grooved LPFG temperature sensor system based on the intensity modulation

(2)應(yīng)力傳感器

由彈性力學(xué)基本理論和二氧化硅材料的彈光效應(yīng)可知，當(dāng)在光纖兩端施加軸向應(yīng)力時(shí)，彈光效應(yīng)將引起纖芯基模和包層模有效折射發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光柵諧振峰漂移，諧振峰波長會(huì)隨應(yīng)變?cè)黾泳€性變化，應(yīng)變靈敏度與光纖類型、光柵結(jié)構(gòu)、光柵周期及模式階次有關(guān)。對(duì)于普通單模FBG在800 nm和1.55 μm兩個(gè)波長處典型的應(yīng)力靈敏度為0.64 pm/με、1.15 pm/με[45]。紫外光或CO2激光寫入的無物理變形的LPFG，其軸向應(yīng)變靈敏度較低僅為-0.727 nm/mε[49]和-0.428 nm/mε[10]。2006年，Wang等[15]在普通單模光纖上單側(cè)用CO2激光周期性刻槽的LPFG，軸向應(yīng)變時(shí)會(huì)引起光柵微彎而產(chǎn)生較大折射率調(diào)制，從而使應(yīng)變靈敏度提高到-102.89 nm/mε[15]，與無物理結(jié)構(gòu)形變的CO2激光寫制的LPFG的相比，提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。在實(shí)際工程測(cè)量中，往往需要解決光纖光柵的應(yīng)變和溫度的交叉敏感問題。1996年，Patrick等[50]用組合LPFG和FBG的方法解決了溫度和應(yīng)變間的交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。2006年，Wang等[16]用CO2激光掃描實(shí)芯光子晶體光纖使其空氣孔周期性塌陷寫入低溫度靈敏度的LPFG，在單個(gè)LPFG上成功解決了溫度與應(yīng)變的交叉敏感問題[16]。2009年，Zhu等[51]利用CO2激光在單模光纖上旋轉(zhuǎn)刻槽形成LPFG，使光柵諧振峰分裂成兩個(gè)峰，從而實(shí)現(xiàn)了溫度不靈敏的高靈敏度應(yīng)力傳感器。2010年，廖常銳等人利用飛秒激光在全實(shí)芯的光子帶隙光纖中寫制的LPFG其應(yīng)力靈敏度為-1.8 nm/mε，比普通LPFG的應(yīng)力靈敏度高四倍，同時(shí)具有更低的溫度靈敏度[52]。為克服光纖光柵傳感器存在應(yīng)變和溫度交叉敏感問題，國內(nèi)外學(xué)者在此方面做了許多研究工作。

圖7 CO2激光寫制的刻槽型LPFGFig.7 Schematic diagram of the CO2-laser-carved LPFG

(3)彎曲傳感器

1994年，Xu等[53]利用在懸臂梁兩邊分別固定一個(gè)FBG構(gòu)成了彎曲傳感器。2000年，Giinder等[54]首次在利用多芯光纖中寫入的FBG構(gòu)成了彎曲傳感器，靈敏度為48.9 pm/m-1。2002年，SeunginBaek等[55]實(shí)驗(yàn)研究了傾斜FBG作為彎曲傳感器的特性。相對(duì)于FBG而言， LPFG對(duì)彎曲則更為敏感，更適合于做彎曲傳感器。當(dāng)彎曲LPFG時(shí)，不僅使光纖變成彎曲波導(dǎo)引起雙折射，而且將使LPFG折射率調(diào)制區(qū)域發(fā)生傾斜引起模式變化，在光譜上表現(xiàn)為三種變化：諧振波長漂移，諧振峰強(qiáng)度變化以及諧振峰分裂。彎曲使光纖內(nèi)側(cè)擠壓導(dǎo)致折射率減小，外側(cè)拉伸導(dǎo)致折射率增大，由于兩側(cè)折射率變化的非對(duì)稱性使高階包層模發(fā)生變化，導(dǎo)致纖芯基模與包層模的耦合模場(chǎng)失疊，光柵的諧振峰會(huì)相應(yīng)地展寬或分裂。因此LPFG具有極高的彎曲靈敏度, 即使微彎也會(huì)使其的透射譜發(fā)生明顯的變化。1998年，Patrick等[56]首先提出紫外寫入的LPFG可用于結(jié)構(gòu)彎曲曲率的測(cè)量，隨后他們?cè)诶w芯偏移的特殊光纖上實(shí)現(xiàn)了既能測(cè)量彎曲量又能判別彎曲方向的彎曲傳感器。2000年，VanWiggeren等[57]發(fā)現(xiàn)CO2激光寫制的LPFG彎曲靈敏度具有較強(qiáng)方向相關(guān)性。同年，C. C. Ye等[58]在摻硼光纖上寫入LPFG實(shí)現(xiàn)了溫度與彎曲的同時(shí)測(cè)量。2004年，Chen等[59]基于LPFG的彎曲特性制作出對(duì)應(yīng)變和溫度均不敏感的彎曲傳感器[59]。2005年，Wang等[60]利用高頻CO2激光寫制的非對(duì)稱型LPFG實(shí)現(xiàn)了能判別任意彎曲方向或?qū)澢幻舾械牡膫鞲衅鳎鐖D所示。該彎曲系統(tǒng)由一個(gè)UV寫制的LPFG和兩個(gè)CO2激光寫制是LPFGs構(gòu)成。2010年，Shao等[61]利用LPFG和傾斜的FBG構(gòu)成了混合結(jié)構(gòu)的高靈敏度彎曲傳感器。2012年，Geng[62]利用空間上相互正交級(jí)聯(lián)的兩個(gè)LPFG構(gòu)成了二維矢量彎曲傳感器[62]。關(guān)于光纖光柵的彎曲傳感特性，國內(nèi)外學(xué)者已開展了諸多的研究。

圖8 同時(shí)測(cè)量彎曲和方向的LPFGs傳感器Fig.8 Schematic diagram of LPFGs sensor that cannot only measure curvature but also determine bending direction

(4)扭曲傳感器

2001年，Tian等[63]通過FBG的應(yīng)力傳感與扭曲之間的轉(zhuǎn)化，間接地進(jìn)行扭曲形變量的監(jiān)測(cè)。2002年，Zhang等[64]首次通過利用組合扭力梁的方式解決了FBG溫度和扭曲的交叉敏感問題。2004年，Lo等[65]提出了一種提出了一種高雙折射光纖(Hi-Bi fiber)作傳感探頭，白光作光源測(cè)量扭矩的FBG傳感系統(tǒng)。當(dāng)LPFG被扭曲時(shí)，扭曲引起的圓雙折射與光纖內(nèi)在線雙折射結(jié)合，導(dǎo)致沿光纖軸向傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振模發(fā)生變化，模式耦合系數(shù)也隨著變化，因此光柵諧振波長會(huì)隨扭曲變化而漂移。2001年，Lin等[66]提出用腐蝕刻槽法寫入的LPFG直接測(cè)量扭曲率的方法。2004年，Wang等[67]發(fā)現(xiàn)高頻CO2激光脈沖單側(cè)寫入LPFG的扭曲特性具有方向相關(guān)性,因此可實(shí)現(xiàn)既能測(cè)量扭曲量又能夠判斷扭曲方向的扭曲傳感器。2006年，Rao等[68]用CO2激光寫入的超LPFG的高階諧振波長獲得了高靈敏度的扭曲傳感器，并用基于光柵邊緣濾波效應(yīng)的強(qiáng)度解調(diào)法實(shí)現(xiàn)了扭曲率的實(shí)時(shí)測(cè)量。2011年，Shi等[69]在光纖環(huán)形激光器中寫入一對(duì)旋轉(zhuǎn)LPFG形成Mach-Zehnder干涉儀，實(shí)現(xiàn)了高分辨率率的扭曲傳感器。隨后Li等70]利用相移超LPFG制作出對(duì)應(yīng)變和溫度均不敏感的扭曲傳感器。目前已經(jīng)研究出各式各樣的基于光纖光柵的扭曲傳感器。

圖9 扭曲傳感器諧振波長響應(yīng)Fig.9 Resonant wavelength of twisted sensor

(5)壓力傳感器

當(dāng)光纖光柵受到橫向負(fù)載(壓力)作用時(shí)，不僅光纖幾何尺寸發(fā)生變化，而且由于彈光效應(yīng)引起的雙折射可能使光纖的原始光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的偏振模式的傳播常數(shù)發(fā)生變化，因此光纖光柵的諧振波長和損耗峰幅值會(huì)隨著壓力增加而線性漂移。1993年，英國南安普頓大學(xué)的Xu等[71]首次對(duì)直接寫制的FBG的壓力靈敏度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在70 MPa壓力作用下光纖光柵的波長移動(dòng)了0.22 nm,靈敏度僅為-3.04 pm/MPa。該特性也證明了普通FBG幾乎無法直接應(yīng)用于實(shí)際壓力測(cè)量，需要通過光纖光柵壓力傳感器的增敏技術(shù)對(duì)其進(jìn)行壓力增敏。1999年，Liu等[72]發(fā)現(xiàn)紫外光寫入的LPFG的橫向負(fù)載靈敏度遠(yuǎn)高于光纖布拉格光柵，且諧振峰隨負(fù)載線性變化因此可作為壓力傳感器。但紫外光寫入的LPFG具有對(duì)稱的橫向負(fù)載特性，所以不能辨別施加的壓力方向。2003年，Rao等[73]發(fā)現(xiàn)CO2激光寫入的LPFG由于光纖橫截面折射率分布不均勻具有明顯的方向相關(guān)性，諧振波長在在特定方向上對(duì)負(fù)載不敏感而損耗峰幅值則線性變化，因此通過諧振波長和損耗峰幅值兩個(gè)參量分別實(shí)現(xiàn)了溫度和壓力的同時(shí)獨(dú)立測(cè)量，從而解決了溫度和壓力的交叉敏感問題。2007年，Wang等[74]用CO2激光寫入的LPFG實(shí)現(xiàn)了既能測(cè)量壓力大小又能判別壓力方向的壓力傳感器，在橫向負(fù)載壓力情況下其諧振波長大小和方向變化如圖所示。2012年，Zhang等[75]利用機(jī)械壓力方法在實(shí)心的光子晶體光纖中寫制的傾斜長周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)了2.701 nm/MPa的高靈敏度氣壓傳感。

圖10 CO2激光寫制的LPFG的橫向負(fù)載特性Fig.10 The transverse-load characteristics of CO2-laser-induced LPFG

(6)生化傳感器

當(dāng)外界環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的纖芯或包層的模式有效折射率會(huì)隨著變化并引起耦合模相位匹配條件的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光柵諧振峰波長漂移和損耗峰幅值變化。這一特性使得光纖光柵可作為測(cè)量折射率、濃度、濕度等參量的生物化學(xué)傳感器。FBG應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)折射率傳感較早，主要是通過腐蝕包層和側(cè)邊拋磨方案進(jìn)一步增大纖芯模式對(duì)外界的敏感性。最近也出現(xiàn)了通過在微納光纖上寫制的FBG來實(shí)現(xiàn)折射率傳感[76]。LPFG應(yīng)用于折射率傳感相對(duì)較晚。1997年，V.Bhatia等[77]提出LPFG作為折射率和應(yīng)力傳感器。1998年，Patrick等[78]對(duì)LPFG對(duì)外界折射率變化的響應(yīng)特性作了詳細(xì)的分析，并提出其可作為化學(xué)濃度傳感器。2002年，Su等人[79]用耦合模理論系統(tǒng)分析了LPFG折射率特性，并指出高階模式具有更高的響應(yīng)靈敏度。2004年，Chong等[80]人用LPFG實(shí)現(xiàn)了甘醇、鹽、糖溶液的濃度測(cè)量[80]。2006年，Rindorf等[81]利用CO2激光在光子晶體光纖上寫入LPFG，并用其來檢測(cè)生物分子層的厚度，如圖11所示。2007年，Rao等[82]對(duì)用CO2激光寫入的超長LPFG和邊緣LPFG進(jìn)行了折射率實(shí)驗(yàn)。對(duì)于普通LPFG只有在外界折射率接近光纖包層折射率時(shí)才有較高響應(yīng)靈敏度。為了提高基于LPFG的折射率計(jì)的靈敏度，人們提出了各種各樣的方法，如在光柵表面涂覆敏感材料，減小光纖包層半徑[83-84]等。

圖11 CO2激光在光子晶體光纖中寫制的LPFG用于生化傳感Fig.11 Schematic diagram of biochemical sensing with a CO2-laser-induced LPFG in a PCF

(7)光纖加速度計(jì)

加速度傳感器是振動(dòng)測(cè)量、慣性導(dǎo)航中常用的重要傳感器，已廣泛應(yīng)用在機(jī)械、車輛、橋梁以及航空航天、軍事等方面。其中，基于FBG的加速度傳感器因具有光路更簡單、波長調(diào)制不受光源強(qiáng)度波動(dòng)影響、便于分布式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)引起了廣大科研工作者的極大興趣。相比較而言，基于LPFG的加速度傳感器的研究相對(duì)較少。2011年，史翠華等[85]基于高頻CO2激光在普通單模光纖上制作的LPFG的應(yīng)變和彎曲特性，設(shè)計(jì)制作了一種新型的加速度傳感器?；诘葟?qiáng)度梁理論分析了梁振動(dòng)與LPFG輸出光強(qiáng)之間的關(guān)系,推導(dǎo)出了系統(tǒng)的加速度理論模型。搭建了該加速度計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 進(jìn)行了特性測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的加速度靈敏度約2.82 v/g, 準(zhǔn)確度約為8.96×10-4g,理論和實(shí)驗(yàn)誤差約0.82%。2012年，Zheng等[86]提出一種基于光子晶體光纖的長期光纖光柵構(gòu)成的Mach-Zehnder干涉儀作為傳感頭實(shí)現(xiàn)了溫度不敏感的全光纖加速度計(jì)。將干涉峰的漂移通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)和位移的加速度的監(jiān)測(cè)，靈敏度可達(dá)0.08 nm/g，可與普通單模FBG加速度計(jì)相比擬。

3 總結(jié)和展望

光纖光柵出現(xiàn)至今，已經(jīng)在各行各業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。我國對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)的研究相對(duì)較晚，研究和應(yīng)用方面與國外仍存在一定差距，多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在實(shí)用化方面仍相對(duì)滯后。近年來，各大高校和科研院所都加大了對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)的研究工作，取得了很大的進(jìn)展。相信隨著國產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)光纖光柵的制作方法和各類傳感器的研制在不斷的改進(jìn)和完善，光纖光柵傳感技術(shù)在國內(nèi)的實(shí)用化領(lǐng)域?qū)?huì)越來越廣泛。

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2001-11-26；

2002-01-23

TN253; TH741.6

王義平,男，