申莎莎

(運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000)

0 引 言

相比于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器，光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、重量輕、易于組成傳感網(wǎng)絡(luò)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。用常規(guī)的紫外激光和相位掩模法在普通單模光纖中寫入FBG時(shí)，要求光纖具有光敏性。這種FBG在120 ℃以下具有很好的溫度和應(yīng)變傳感特性，但在500 ℃以上時(shí)會被逐漸擦除。熱再生FBG[1]可耐受1 000 ℃的高溫，但需要進(jìn)行特殊保護(hù)處理。隨著高溫應(yīng)變光纖傳感和高功率光纖激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，迫切需要在非光敏材料和特種光纖中寫入高溫穩(wěn)定的FBG。飛秒激光在光纖中寫入光纖光柵是近十多年發(fā)展起來的，已經(jīng)成為當(dāng)前光纖光柵制備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。用飛秒激光在光纖中制備FBG主要有3種方法：直寫法[2](也稱為點(diǎn)對點(diǎn)法)、相位掩模法[3]和塔爾博特(Talbot)干涉儀法[4]。研究表明，該FBG表現(xiàn)出很強(qiáng)的模式耦合特性和雙折射特性，而且可耐受1 000 ℃以上的高溫。

其次，普通單模光纖中只能傳輸基模，在其中寫入FBG后，反射光譜中只有一個(gè)對應(yīng)于基模的布拉格反射峰。隨著光纖通信系統(tǒng)中模分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，雙模和四模等少模光纖相繼被設(shè)計(jì)和拉制成功。少模光纖中會同時(shí)存在2個(gè)或4個(gè)不同的傳輸模式，在其中寫入FBG后，會存在對應(yīng)于不同傳輸模式的多個(gè)布拉格反射峰。這引起人們極大的興趣，除了研究其基本特性的光譜特性[5]、模式耦合特性[6]和熱再生少模FBG的耐高溫特性[7]外，還開展其在溫度、應(yīng)變和彎曲傳感[8～10]、雙波長光纖激光器[11]和柱矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)[12～15]等方面的研究。目前大多采用常規(guī)的紫外激光在少模光纖中寫入FBG，而用飛秒激光在少模光纖中制備FBG，并對其傳感特性進(jìn)行研究的文獻(xiàn)甚少。 本文將利用飛秒激光和相位掩模法在雙模光纖中制備FBG，并對其光譜特性和高溫應(yīng)變傳感特性進(jìn)行研究。

1 少模光纖與少模FBG

1.1 少模光纖

光纖的歸一化頻率V可表示為[16]

式中n1和n2分別為纖芯和包層的折射率，a為纖芯半徑，λ為光波波長，k0為傳播常數(shù)。歸一化頻率表征了光纖能夠容納傳播模式的數(shù)量。

所謂的單模光纖，即當(dāng)V<2.405時(shí)，光纖中只存在基模。當(dāng)2.405

1.2 少模FBG

根據(jù)耦合模理論，光束在少模FBG中滿足的光柵方程為[17]

對于自耦合，反向傳播的兩束光的模式相同，即μ=ν，式(2)可表示為

λμ=2neff,μΛ

(3)

式中λμ為布拉格共振波長，neff,μ為傳輸模式LPμ的有效折射率。

對于互耦合，反向傳播的兩束光的模式不同，即μ≠ν，式(2)可表示為

λμ,ν=(neff,μ+neff,ν)Λ

(4)

由式(4)可知，相鄰兩模式互耦合對應(yīng)的布拉格反射峰位于自耦合對應(yīng)的布拉格反射峰中間。

2 飛秒激光寫入FBG的實(shí)驗(yàn)裝置

飛秒激光在少模光纖中寫入FBG的實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示[18]，飛秒激光器發(fā)出的一束飛秒激光，利用一1/2波片和偏振片的組合連續(xù)調(diào)節(jié)飛秒激光的強(qiáng)度，采用一柱面透鏡將圓形激光束聚焦為片狀激光束，經(jīng)一0級抑制的相位掩模板衍射，在相位掩模板后1級衍射光形成近場干涉條紋，光纖緊貼相位掩模板放置，且通過三維微位移平臺將光纖嚴(yán)格置于柱面透鏡的焦線處。通過選擇合適的飛秒激光強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，即可在光纖中成功寫入FBG。寫入過程中，用一寬帶光源(武漢歐光科技ASE-C+L-20)和光纖光譜儀(橫河AQ6370D)實(shí)時(shí)監(jiān)測FBG的透射譜。飛秒激光器的峰值強(qiáng)度最高可達(dá)1 mJ，中心波長為800 nm，頻率為1 kHz，脈沖寬度為120 fs，光束直徑為8 mm。實(shí)驗(yàn)中柱面透鏡的焦距為100 mm。采用Ibsen公司的零級抑制相位掩模板，工作波長為800 nm，相位掩模板的光柵周期Λm為2.142 μm，±1級衍射效率大于70 %。因此，在光纖中寫入的FBG光柵周期Λ為相位掩模板光柵周期Λm的1/2，即Λ=Λm/2=1.071 μm。實(shí)驗(yàn)中采用的激光強(qiáng)度為600 μJ。

圖1 飛秒激光寫入FBG的實(shí)驗(yàn)裝置示意

3 少模FBG特性

3.1 光譜特性

實(shí)驗(yàn)中所用的少模光纖為長飛光纖光纜股份有限公司生產(chǎn)的階躍型雙模光纖，其參數(shù)如下：芯徑為16 μm，包層直徑為125 μm，它可同時(shí)傳輸兩種模式：LP01模和LP11模。實(shí)驗(yàn)得到的少模FBG反射光譜如圖2所示，可見其反射光譜中有3個(gè)主反射峰Peak 1、Peak 2和Peak 3。Peak 1和Peak 3的中心波長分別為1 551.45 nm和1 547.94 nm，反射強(qiáng)度分別為42.1 dB和25.4 dB，分別對應(yīng)于LP01模和LP11模的自耦合。而Peak 2位于Peak 1和Peak 3的正中間，其中心波長和反射強(qiáng)度分別為1 549.70 nm和37.8 dB，由此可見，它對應(yīng)于LP01模和LP11模之間的互耦合。

圖2 少模FBG的反射光譜

3.2 溫度響應(yīng)特性

將制備的少模FBG置于高溫管式爐內(nèi)。利用寬度光源、光譜分析儀和光纖環(huán)形器測量其反射光譜。在16～800 ℃范圍對其高溫特性進(jìn)行測量，溫度間隔約為100 ℃。少模FBG反射光譜隨著溫度增加的演化過程如圖3所示，可見其整個(gè)反射光譜呈現(xiàn)出明顯的紅移，在800 ℃時(shí)其光譜形狀隨著溫度的升高稍微有些衰減。反射光譜中3個(gè)主反射峰的中心波長隨溫度的變化曲線如圖4所示，可見，隨著溫度的增加，3個(gè)主反射峰的中心波長均發(fā)生了線性漂移，擬合得到的溫度靈敏度分別為kT1=14.27 pm/℃，kT2=14.23 pm/℃和kT3=14.25 pm/℃，稍高于用紫外激光在普通單模光纖上制備的FBG的溫度靈敏度10.2 pm/℃。

圖3 少模FBG反射光譜隨溫度的演化過程

圖4 少模FBG主反射峰的中心波長隨溫度的變化關(guān)系

3.3 應(yīng)變響應(yīng)特性

將少模FBG置于高溫管式爐內(nèi)，溫度設(shè)置為500 ℃，同時(shí)利用環(huán)氧樹脂膠將其兩端粘貼于2個(gè)手動(dòng)的微位移平臺上，通過調(diào)節(jié)其中一個(gè)維位移平臺，對少模FBG施加應(yīng)變。在(0～2 000)×10-6范圍對其應(yīng)變特性進(jìn)行測量，應(yīng)變間隔約為100×10-6。利用寬度光源、光譜分析儀和光纖環(huán)形器測量其反射光譜。少模FBG的反射光譜隨著應(yīng)變增加的演化過程如圖5所示，可見其反射光譜呈現(xiàn)出明顯的紅移，且其光譜形狀基本保持不變。反射光譜中3個(gè)主反射峰的中心波長隨應(yīng)變的變化曲線如圖6所示，可見，隨著應(yīng)變的增加，3個(gè)主反射峰的中心波長均發(fā)生線性漂移，擬合得到的應(yīng)變靈敏度kε1，kε2和kε3均為1.77 pm/10-6，稍高于用紫外激光在普通單模光纖上制備的FBG的應(yīng)變靈敏度1.2 pm/10-6。

圖5 少模FBG反射光譜隨應(yīng)變的演化過程

圖6 少模FBG主反射峰的中心波長隨應(yīng)變的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有光纖高溫應(yīng)變傳感的局限性，利用飛秒激光和相位掩模法在少模光纖中成功制備了FBG，并實(shí)驗(yàn)研究了其反射光譜特性和高溫應(yīng)變傳感特性。結(jié)果表明：少模FBG的反射光譜中具有3個(gè)主反射峰，兩邊的主反射峰對應(yīng)2個(gè)模式的自耦合，中間的一個(gè)主反射峰對應(yīng)不同模式之間的互耦合。該FBG在16～800 ℃范圍具有很好的溫度響應(yīng)，溫度靈敏度為14.27 pm/℃，且500 ℃溫度下，在(0～2 000)×10-6范圍時(shí)具有很好的應(yīng)變響應(yīng)特性，應(yīng)變靈敏度為1.77 pm/10-6。其有望在高溫應(yīng)變傳感和多波長光纖激光器方面得到一定的應(yīng)用。