基于耦合模理论的长周期光纤光栅的折射率研究

基于耦合模理论的长周期光纤光栅的折射率研究

0光纤光栅传感与传统的机电传感器相比，光纤光刻存储传感器具有灵活动量高、动态范围宽、不受电磁干燥、本质振动、耐腐蚀、质量轻、体积小等优点。它特别适用于高磁场、高辐射、腐蚀等危险环境。为了确保结构的安全和可靠性，有必要实时监测桥梁、大坝、隧道、高层建筑、飞机、船舶、火车、采矿、油田等。因此，光纤和光缆的传感器越来越受到重视。长周期光纤光栅(LPFG)是近年来出现的一种无源光纤器件,由于它本身所具有的易于制作、附加损耗小、无后向反射和与偏振无关等独特优点,使得目前广泛用于光纤传感和光纤通信领域,尤其在传感方面,由于LPFG特殊的相位匹配条件,使得它具有比FBG更好的温度、应变、微弯及外部折射率的灵敏度,成为目前研究的热点之一。在工业生产中,经常需要对液体的浓度与折射率进行监控,以实现对产品质量或生产过程的监控,在有毒腐蚀性溶液(如硫酸)或测量者不能直接接触的系统,测量环境是易燃、易爆或电磁干扰严重等场合,折射率的测量仍然是一难题。常用的阿贝折射率计仅可实现离线测量,分辨力约为0.2%,而LPFG具有光纤光栅独具的优点,并对周围介质折射率、浓度的变化非常敏感,可用于微生物、环境监测和腐蚀监控,更可实现在线测量。目前,LPFG已被用于飞机焊接点的腐蚀监控和环境湿度监控,钢筋混凝土的腐蚀监控,以及水环境中的石油污染监测和铬离子监测等。1包层模评估lpfg的特性LPFG的光栅周期一般在100μm以上,它基于光纤内满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合,是将前向传输的导模与其他前向导模或前向辐射模之间耦合,将光波中某频带的光耦合到包层中去而损耗掉,因此,无后向反射。如图1,LPFG谐振耦合的相位匹配条件为βco0−βclm=2πΛ,(1)β0co-βmcl=2πΛ,(1)式中Λ为光栅周期;βco00co,βclmmcl分别为纤芯基模和包层模的传播常数,且有β=2πneffλL.(2)β=2πneffλL.(2)因此,由式(1)、式(2),LPFG的谐振波长满足表达式为λL=(ncoeffeffco-ncl,meffeffcl,m)Λ,(3)式中λL为谐振波长;ncoeffeffco,ncl,meffeffcl,m分别为光纤纤芯和第m次包层模的有效折射率。纤芯基模的有效折射率ncoeffeffco由纤芯折射率n1和包层折射率n2决定,而包层模的有效折射率与n1,n2有关的同时,还与环境折射率nsur有关,当环境折射率变化将引起包层模有效折射率的变化,进而由式(3)引起谐振波长的漂移。因此,LPFG的谐振波长对外界环境折射率的变化尤为敏感,对一周期固定的LPFG,有dλLdnsur=dλLdncl,meff⋅dncl,meffdnsur.(4)dλLdnsur=dλLdneffcl,m⋅dneffcl,mdnsur.(4)同时,随着环境折射率nsur的变化,LPFG在谐振波长λL处的透射率T也相应发生变化T=sin2(kL),(5)式中k=πΔncoIλk=πΔncoΙλ为纤芯基模与包层模之间的耦合系数;L为光栅长度,且I=∫2π0dφ∫a0Ecore⋅E∗clad⋅rdr∫2π0dφ∫∞0Ecore⋅E∗core⋅rdr√∫2π0dφ∫∞0Eclad⋅E∗clad⋅rdr√∫02πdφ∫0aEcore⋅Eclad*⋅rdr∫02πdφ∫0∞Ecore⋅Ecore*⋅rdr∫02πdφ∫0∞Eclad⋅Eclad*⋅rdr,式中I为纤芯区域内基模与包层模的交叉积分;Ecore,Eclad分别为纤芯基模和包层模的电场幅值;Δnco为纤芯的调制率;a为纤芯半径。由此可见,当LPFG受到外界变化时,包括温度、应变、压力、折射率等都将引起包层模有效折射率ncl,meffeffcl,m的变化,由此使谐振波长发生漂移,同时,ncl,meffeffcl,m的变化也改变积分I值,从而引起耦合系数k的变化,进而使得谐振波长对应的透射率发生变化,即LPFG的整个透射谱发生变化。LPFG的谐振波长变化量与环境折射率的关系如图2。由图2可见,在环境折射率小于包层模折射率1.458左右时,谐振波长随着环境折射率的增加向短波方向偏移,在靠近包层折射率时,偏移量显著变大,此时,LPFG对折射率的敏感性增加;当环境折射率增加到等于包层折射率时,可认为包层半径无限大,耦合峰全部消失;而当环境折射率继续增大到高于包层折射率时,谐振波长重新在初始位置出现,且随着折射率的继续增加,谐振峰位置几乎不变,但此时耦合强度降低,透射率增加,谐振峰深度变浅。本文用数值模拟的方法对以上分析进行了验证。采取SMF-28光纤的参数:纤芯折射率n1=1.4681,包层折射率n2=1.4628,纤芯半径a1=4.15μm,包层半径a2=62.5μm,数值模拟了环境折射率从1.0变化到1.458时,LPFG纤芯基模与一阶15次包层模式耦合的谐振波长和谐振波长对应的透射率的变化。对纤芯基模采用简化的二层模型,对包层模的特征方程采用较为精确的三层简化模型。图3为LPFG的谐振波长与环境折射率变化的关系,其中,图3(a)为谐振峰值随环境折射率变化的特性曲线,图3(b)为谐振波长处的透射率随环境折射率增加时的变化情况。由图3可见,环境折射率的增加,谐振波长向短波方向漂移,而且,越靠近包层模折射率漂移量越大。在1.0～1.1范围内,谐振波长的漂移比较缓慢,敏感度不高;而在1.1～1.4的范围内,谐振波长的漂移较为显著,且其透射率的变化小于1dB,因此,用波长解调的LPFG测量环境折射率介于1.1～1.458内物质的折射率是可能的。2lpfg的特性实验中的LPFG是用相位掩模板在普通单模光纤上采用准分子激光的方法制备,并用HF酸溶液腐蚀,以提高其敏感特性,制作后的光栅中心波长约为1550nm,长度为70mm,周期为460μm。选用宽带光源Aglient83437A中心波长为1550nm,3dB带宽为52nm,光谱仪为AQ6317C,选取OSA分辨力0.02nm,每次扫描执行2点平均以减小噪声误差。将光栅两端粘贴在一中间镂空的基底材料上,使光栅段悬空以便能与液体充分接触,且保证光栅平直并不受到应力的影响,以避免弯曲造成的LPFG透射谱变形。同时,由于LPFG对温度的高敏感特性,整个实验过程保持室温恒定在24℃。在300mL水中加入氯化钠,从0g开始,每一次加入12g,直到96g,此时,氯化钠溶液已接近饱和。将整个基底材料浸入液体中,测量每次LPFG的谐振波长值。图4为LPFG在对应各浓度的氯化钠溶液下的透射光谱图。由图4可见,LPFG在空气中的初始谐振波长为1550.068nm,放入水中后,其谐振波长立即左移至1547.478nm,漂移约为2.6nm,随着加入的NaCl逐渐增加,NaCl溶液的折射率也逐渐升高,LPFG的谐振波长也再依次左移。图5为随着氯化钠溶液的浓度升高,LPFG谐振波长相对于初始波长的漂移量。由图5可见,氯化钠溶液的质量浓度从0g/mL增加到0.32g/mL直至近乎饱和,LPFG的谐振波长向短波方向移动,即发生“蓝移”,波长共漂移约为1.5nm,且漂移量成线性。实验数据的线性拟合度为0.99749,由拟合直线可知,每1mL水中增加0.005gNaCl,LPFG谐振波长漂移约为0.02nm。图6为LPFG在不同折射率NaCl溶液下的波长漂移量,可见波长漂移量基本按照二次曲线的规律向短波方向移动,二次曲线的拟合度为0.99428,这与理论分析中图3(a)的数值模拟结果相吻合,由此也证明理论分析中的数值模拟是成立的。根据拟合曲线可知,高折射率时的测量灵敏度要高于低折射率时的测量灵敏度,若使用分辨力为0.02nm的波长解调,折射率的测量灵敏度可达0.0005～0.001。上述的实验结果显示:LPFG的波长漂移量与NaCl溶液的质量浓度成线性,而与折射率变化成二次曲线,溶液质量浓度的增加也同时意味着溶液折射率的增加。由此可见,LPFG用于溶液浓度和折射率的传感是可行的。3nm检测波长法用LPFG测量液体的浓度和折射率结构简单,操作方便,整个系统实现全光纤化,可对特殊环境进行测量,不受腐蚀环境影响,并可实现在线测量,如果使用分辨力为0.02nm的波长解调,则溶液中每300mL水中加入2gNaCl,即可从波长漂移中检测出来,相应的,从