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用于同时测量高温和应变的高度集成FP/FBG传感器
摘要
将内联光纤微法布里-珀罗(MFP)腔和短布拉格光栅（SFBG）级联组成集成的MFP/SFBG传感器，可用于同时测量在高温（300℃）下的温度和应变。利用157nm激光微加工技术在掺杂了GeO2的光子敏感光纤上制备出FP腔，同样地，利用标准的248nm激光技术在相同的位置写入SFBG。由于MFP谐振腔和SFBG对温度和应变的敏感系数不同，可以用来实现双参量的测量。
关键词：高温、激光微加工、微谐振腔、FBG、同时测量；
介绍
光纤传感器可以用于测量温度、应变、压力、指数等。在实际应用中，大多数光纤应变传感器都将纯机械应变和热应变综合起来了，因此特别是在高温环境下，为了分离纯机械应变和热应变，需要同时测量应变和温度。此外，同时进行多参量测量可以有效降低复用传感系统的复杂度。研究者们提出了几种不同结构的光纤传感器，不同结构有不同的应用优势。
在本文中，我们提出并证明了一个高度集成的传感器在高温条件下（300°C）可以同时测量温度和应变，该传感器由157nm激光微加工制造的MFP谐振腔和248nm激光加工的SFBG（2mm）级联而成。由于光纤的热光系数高，SFBG对温度的依赖性强，然而，MFP是光纤中的一个谐振腔，它对温度的依赖性很低。因此，温度和应变可以从他们的方程中分别独立地解出来。在实际的应用中，通常需要将传感器放在狭窄的空间或弯曲的表面上。典型长度为5-10mm的普通FBG传感器会遇到严重的啁啾效应问题，这可能会导致光谱分散，且导致峰值波长测量失败。通过使用SFBG(le;2mm)，可以显著降低光栅的啁啾，获得更好的空间分辨率。此外，刻印在GeO2光子敏感光纤上的SFBG可以在高达300℃高温的条件下工作，而MFP由于是全硅结构，它也可以很轻松地在高温下工作。SFBG和MFP的完美结合为高温下温度和应变的同时测量提供了很好的解决方案。
传感器的制造
传感器的结构如图1(a)所示。该传感器头由一个MFP谐振腔和一个SFBG组成。MFP谐振腔在SFBG中部。用于刻印SFBG的特种纤维(Fibercore Ltd.(SM1500(4.2/125)P)是一种耐300℃高温的光敏纤维，涂有聚酰亚胺涂层，且弯曲不敏感。
传感器头按照如下步骤制作：首先，在高温光敏光纤的尖端使用350个157nm激光脉冲加工出一个精确的空洞，其中脉冲能量面密度为26 J/cm2，脉冲重复率为20Hz。然后，将上述加工过的光纤连接到另一个高温光敏光纤上去组成MFP谐振腔，腔长约46mu;m.。如图1(b)所示，MFP的横向图经显微镜观察得到。接下来，将MFP腔置于相位掩膜（1076.7nm）前，用248nm激光在MFP腔上叠加一个SFBG（2mm），其中脉冲能量为6.5mJ，脉冲重复率为100Hz，得到SFBG的周期为538.35nm。该传感器的光谱如图2所示，周期性条纹是由于MFP腔，其峰值取决于SFBG。
这项工作的困难点主要在于得到一个良好的空腔是很难的，因为GeO2光子敏感纤维对157nm的激光脉冲有很好的吸收效应，这导致MFP的表面比普通单模光纤空腔更粗糙，成功率仅有10%。在下一步工作中，我们计划利用熔接器预放电来降低表面粗糙度，降低空腔损耗。这项工作的另外一个难点是，因为FBG太短而且MFP很难看到，在刻入FBG的过程中很难找到MFP相对于SFBG的位置。
MFP/SFBG传感器的高温/应变同时测量实验
MFP/SFBG传感器的高温/应变同时测量实验的测量原理分别基于SFBG和MFP传感器的传感特性。SFBG谐振波长的漂移与温度变化和应变呈线性关系。我们也测量了MFP谐振腔的相位，MFP谐振腔的相移同样与应变和温度变化呈线性关系。他们的灵敏地系数是不一样的，因此我们可以利用传感头去同时测量温度和应变，应变和温度变化由以下方程组得到：
a1和a2分别为SFBG和MFP腔的温度灵敏度，b1和b2分别为SFBG和MFP腔的应变灵敏度。□r和□fai分别是SFBG的中心波长变化，MFP腔的相移。□T和□cita是温度的应力的变化量。
在实验中，将传感器放入高温烘箱(Micro-X MXX1100-40)。将光纤一端（单模光纤）固定在平移段，保持分离距离1m，如图3所示。实验测试了SFBG和MFP腔在40℃到300℃之间的温度响应。如图4和图5所示，他们的温度灵敏度分别为11.7pm/℃，-0.1mrad/℃。
实验分别测量了SFBG和MFP腔的应变响应。如图6所示，SFBG在50℃和300℃时的应变灵敏度分别为1.2 pm/mu;ε和1.1 pm/mu;ε。如图7所示，MFP在50℃和300℃时的应变灵敏度分别为minus;0.9 mrad/mu;ε和minus;0.8 mrad/mu;ε。根据他们不同的感应系数，温度和应变可以同时被测量出来。
结论
总而言之，将内联光纤微法布里-珀罗(MFP)腔和短布拉格光栅（SFBG）级联组成集成的MFP/SFBG传感器，可用于同时测量在高温（300℃）下的温度和应变。利用157nm激光微加工技术在掺杂了GeO2的光子敏感光纤上制备出FP腔，同样地，利用标准的248nm激光技术在相同的位置写入SFBG。由于MFP谐振腔和SFBG对温度和应变的敏感系数不同，可以用来实现双参量的测量。此外，由于其体积小的优点，它可以被广泛应用在电子设备的温度和健康监测，飞机、航天飞机的结构健康监测等领域。
用于分布式传感的超弱本征FP腔阵列
摘要
本文报告了一种用于分布式传感应用的超弱本征型法布里-珀罗干涉仪阵列。它具有超低反射率(lt; - 60 dB)。不同物理长度的IFPI呈现出相同的温度敏感性(minus;1.5 GHz/ C)。进行分布式温度传感实验后，在阵列中没有观察到IFPI之间的串扰，这意味着该设备具有分布式传感系统的效用。实验证明，运用较小的带宽进行传感器监测是完全可行的。在连续级联的超弱IFPI阵列上进行了小规模的温度分布测试 ，证明该阵列具有高空间分辨率。系统的温度检测限制小于0.0667℃。
正文
分布式光纤传感技术是传感技术中蓬勃发展的一个分支，这在很大程度上是因为它能够克服传统单点传感的诸多限制，使得单个系统可以同时超过大量等价的单个传感器。这些独特的优点已经在许多应用领域得到成功的证明，包括石油钻井、结构健康监测和周边安全等。分布式光纤传感器近期在高空间分辨率的发展极大地扩展了这一功能，使其成为许多新兴应用的富有吸引力的补充，如可穿戴设备、机器人和外科器械等。
瑞利散射作为一种传感方法，在高空间分辨率的分布式传感中显示出了独特的应用前景。利用扫描频率干涉法提取了一段光纤的瑞利后向散射谱，揭示了光纤的环境温度和应变沿光纤长度的变化规律。该技术通过扫描一个宽的光带宽，可以用毫米级空间分辨率解决瑞利后向散射剖面的微小变化。然而，这种方式需要激光扫描具有高相干长度的宽波长范围，限制了测量系统的更新速度。此外，宽带、高相干和单纵模扫掠激光器的成本相当高。
弱光纤光栅(FBG)阵列是这一领域的又一技术突破。大量具有相同标称谐振波长的低反射光纤光栅沿光纤以离散方式(即弱光纤光栅传感器网络)或连续方式(即长波长光纤光栅制备。单个弱光纤光栅的传感机理与常规光纤光栅相同; 然而，与传统光纤光栅的波分复用(WDM)技术相比，弱光纤光栅阵列是在空间域进行多路复用的。每个FBG单元的低反射率确保了阵列中FBG之间的串扰最小。研究人员已经演示了几种探测技术来审问弱光纤光栅阵列，包括组合波长-时域反射法、光频域反射法(OFDR)和光相干函数合成法(SOCF)。在单个阵列中，可以同时测量数千个单独的弱FBGs的响应。与瑞利散射方法相比，弱FBGs需要更小的传感器探测波长范围，从而导致更高的更新速率。目前，弱光纤光栅阵列是在光纤拉伸过程中制作的，其反射率约为minus;33 dB。光纤传感器族中还存在另一种高灵敏度、微型化、低反射的器件——本征法布里-珀罗干涉仪(IFPI)。该技术使用一对引入光纤的小反射器，形成一个腔，在波长域中产生干涉图。环境物理变化是通过产生的干涉图的移位来检测的。传统上，IFPI的反射器是通过将不同折射率的光纤拼接在一起或将光纤暴露在强紫外线下制成的。最近的技术进步使得飞秒(fs)激光在光纤设备制造中的应用越来越受欢迎。用这种方法制备了反射系数约为 - 45 dB的弱反射镜，得到了IFPI。采用基于FFT的方法对不同腔长度的IFPI进行复用。最近，Huang等人成功地演示了一种基于光载波的微波干涉测量方法，可以沿着光纤同时审问长度为12厘米的相同和级联的IFPI。然而，低微波频率带宽限制了其空间分辨率。
本文介绍了使用fs激光制作的用于高空间分辨率分布式传感的光纤内联超弱(lt; - 60 dB) IFPI阵列，对所提出的IFPI阵列的询问方式、制作参数、灵敏度、工作带宽和分布式传感能力进行了实验研究。
基于OFDR的审讯系统示意图如图1所示。来自可调谐激光源(TLS)的光被分成两条路径——“时钟”和“信号”。“时钟”是一种干涉仪，通过在频率扫描期间为数据采集卡(DAQ)提供校正的时基，来校准TLS的非线性扫描效果。设计了一个比较器电路接收“时钟”信号，触发数据采集卡采集“信号”数据。由于非线性扫描效应，采样速率不是常数，最大采样速率小于1 MSa/sec。“信号”部分的光通过一个50/50耦合器(CPL)在干涉仪的参考臂和测量臂之间分割;在测量路径中，光循环器(CIR)进一步将光进行分割，对低反射IFPI阵列进行询问并返回反射光。偏振控制器(PC)用于调节系统的偏振状态。另一个50/50 CPL然后重新组合测量和参考字段。在这个装置中，TLS以16nm /s的速度从1535扫到1565 nm，总带宽为3.7 THz。审讯是实时进行的，单次测量时间约为3秒，其中激光扫描2秒，DAQ向计算机传输数据1秒，在计算机中计算时间。因此，DAQ接收到的交流耦合电压为:
Yita是光电探测器的光-电压转换系数，r是IFPI反射器的反射系数，Iref是参考臂的光强，N为沿光纤的反射器数量，B是传播常数。Zref为参考光纤的长度，Zn为第n个反射器的位置。以反射光的强度作为位置的函数很容易 通过傅里叶变换得到。值得注意的是，本研究将系统中的瑞利后向散射作为噪声层。两个相邻的反射器组成了IFPI，IFPI可以通过数字带通滤波器进行时间门控和提取。
采用Ti:蓝宝石fs激光(Coherent, Inc.)微加工系统制作超弱反射器。激光的中心波长、脉冲宽度、重复频率和最大功率分别为800 nm、200 fs、250 kHz和1w。用于制造的实际功率是通过调节半波片、偏振器和几个中性密度(ND)滤波器来控制的。通过控制内部时钟的电流开关激光器。一个核心和包层直径8.2和125micro;m的单模光纤(康宁SMF28e),分别用于这些实验。在机械剥离其缓冲液后，用丙酮清洗纤维并将其夹在两个裸纤维支架上，在制作过程中将支架浸泡在蒸馏水中。fs激光束通过数值孔径(NA)为0.4的水浸物镜(Olympus UMPlanFL 20x)聚焦在光纤内部。制造阶段的速度设定在50micro;m在um/s。一个长方体区域(10times;2times;10micro;m)镌刻在纤维的中心从底部到覆盖整个横截面的纤维芯。内切区域的中心与纤芯的中心对齐。一个长方体区域(10times;2times;10micro;m)镌刻在纤维的中心从底部到覆盖整个横截面的纤维芯。内切区域的中心与纤芯的中心对齐。图2为三种不同fs激光功率(0.14、0.12、0.1 W) IFPI的显微图像和反射分布。使用询问系统测量的反射值参考了一个角度抛光连接器(APC)，该连接器以前是使用现成的精密仪器测量的。随着制程功率的降低，弱反射器的反射率降低。用0.1 W的激光束可以获得大约- 70 dB的反射率。本研究选择0.14 W作为IFPI制作所需的fs激光功率。
FPI的传感机制是基于对环境变化的干涉图相移的跟踪。为了从单个IFPI接收到的信号中提取相移信息，对频域内的反射信号进行平方，利用低通滤波器进行滤波，得到干扰信号(S):
其中L为IFPI的物理腔长，Neff为光纤的有效折射率，f为激光器的频率，c为真空中的光速。此外，Neff L被认为是IFPI腔的光学长度。随着光学长度的增加，余弦函数相对于激光频率的周期减小。因此，在激光频率(约193thz)，干扰信号按比例转移到更小的频率。
为了研究超弱IFPI传感器，我们制作了两个长度分别为1cm和1mm的IFPI。用温控水浴法测定了两种IFPI的温度响应。下图表示在63度完美呈现和65度完美呈现下，IFPI的干涉图，其中x轴为频扫开始时的频偏。随着温度的升高，两种IFPI的光学长度都增加，导致干涉图向低频率偏移。通过跟踪干涉图的过零位置来确定干涉图的频移。这种方法是合理的，因为正弦函数最陡的斜率出现在它的过零点位置。下图是将两种干扰素的干涉图的频移描述为温度的函数。我们测量了1cm和1mm IFPIs的温度灵敏度，均在minus;1.5 GHz/ C附近，与理论值[12]吻合较好。与两种IFPI相比，1厘米IFPI相对于频率的干扰周期是1毫米IFPI的1/10。结果,1厘米IFPI更受2pi;歧义问题,限制了其测量动态范围。然而，在零交点处，1cm IFPI的斜率是1mm IFPI的10倍，从而导致更高的精度。因此，长度较长的IFPI适合于精确测量较小的物理变化。
为了演示超弱IFPI的分布式传感能力，我们制作了三个相同的1cm IFPI，并沿着一条光纤线拼接。图4(a)描绘了三个相距约1.5 m的超弱IFPI的反射分布。第二组IFPI浸泡在温度控制的水浴中，而第一组和第三组IFPI则保持在环境温度不变。水浴加热至65摄氏度，冷却至63摄氏度。使用三个带通滤波器对3个IFPI进行时域门控，提取所有3个IFPI在频域的干涉图，如图4(b)-(d)所示。与预期一样，随着温度的降低，第2个IFPI的干涉图向更
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