可调谐长周期光纤光栅压力传感的实验研究

　　1　引　言

　　1978年,Hill等人[1,2]首次报道了用Ar+激光器产生的波长为488 nm或514.5 nm可见光在光纤纤芯中曝光产生干涉而形成折射率周期变化的布喇格光纤光栅。1989年,Melts等人[3]报道了可以从光纤的侧面用波长为244 nm的倍频染料激光器产生的激光束对光纤纤芯干涉曝光得到布喇格光纤光栅。此后,若干光栅写入关键技术获得了重要的突破[4~7]。近年,在光子晶体光纤(PCF)上写制光栅也成了一个研究热点[8,9]。随着光纤光栅制造技术的不断完善,应用成果不断出现,把光纤光栅的研究和应用推向了高潮[10~12],使光纤光栅成为目前最具有挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一,它的出现将极大地促进全光纤通信和光纤传感技术的发展。

　　机械压力方法制作光栅已经被广泛共识并被用作单模光纤上[13,14]。由于机械压力的可逆性,由机械压力诱导产生长周期光纤光栅(MLPG)的透射谱强度和共振波长都可容易地调谐,也可以在各种光纤上作用周期压力就能产生光栅效应。周期性压力可由金属丝网格在光纤上形成,用不同尺寸的网格来改变光栅的不同周期,但这样的方法不方便也不能连续可调谐[15]。也有在金属板上刻槽的办法产生周期性的压力,这样可以把光纤放在凹槽板上,只要凹槽板旋转一定的角度就可以改变压力周期的大小,从而实现连续可调谐[16,17]。

　　本文根据LPG透射谱的理论分析,以10 GHz重复频率脉冲激光器和高非线性PCF(HNL-PCF)产生的超连续谱为光源,采用金属凹槽板实现可调谐普通单模光纤的压力传感实验,研究了透射谱和压力的关系,测定了可传感的压力范围并做了理论分析,为设计新型压力传感器提供了参考依据。

　　2　实验装置

　　2.1　宽带光源的实现

　　产生宽谱光源的实验装置如图1所示。采用波长可调谐锁模半导体激光器作为激光光源,波长可调节的范围在1470~1570 nm间,激光器输出重复率为10 GHz、半高全宽约为1.5 ps的脉冲序列,平均功率约为-6 dBm。皮秒脉冲经光隔离器和偏振控制器后,首先进入掺铒光纤放大器(EDFA)放大,然后再输入由Crystal Fiber A/S公司提供的80 m长的色散平坦HNL-PCF。在光纤的输出端,光束被功分比为5∶95的分束器分为两部分,其中95%的光功率输入到功率计,另外5%的光功率输入到光谱分析仪(ANDO-AQ6319),分别测量输出功率和输出光谱。在光谱分析仪(OSA)上得到如图2的超连续谱,谱宽为90 nm,平整度约为4 dBm。

　　2.2　压力传感实验

　　施压装置是实验中很关键的部分。为使光栅效应明显,施压面选用硬度较高的不锈钢材料。凹槽板长为1.5 cm,宽度为20 mm。凹槽的宽度为200μm,精度要求小于5%,凹槽周期Λg为400μm,具体尺寸如图3所示。