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1、一种新的光纤光栅温度传感器的设计第22卷第2期2001年应用光学Vo_.22,No22001文章编号:1002--2082(2001)02一D039—03一种新的光纤光栅温度传感器的设计周静(北京师范大学物理系北京100875)摘要:提出一种新的光纤温度传感器,在单模光纤的45.惯斜端面上制作光栅.沿光纤光轴传输到光纤颤斜端面上的光将被全反射,同时被光栅衍射.适当选择光栅常数,可以使衍射零级和衍射负1级在经过不同的传播路径后相遇,并产生干涉,干涉条纹的变化将体现传感器所灶环境温度的变化.由理论计算知,当工作波
2、长为1.55ym时,这种传感器可测的温度变化范围为1179?.关键诃,光纤;传感器}光栅中圈分类号:TN256文蘸标识码:A引言传感器有非常广泛的应用领域,多年来一直是研究热点.由于光纤由绝缘耐高温材料制成,光纤传感器可以工作在强电磁场,高温有腐蚀性的以及有爆炸危险性的恶劣环境中,因而光纤传感器比其它传感器有更广阔的应用范围….近年来,随着半导体擞光器的出现,光光电技术的不断发展及光电器件成本的降低,纤授,从事教学与科研工作.39为45.假设光纤材料的折射率为1.5,空气的折射率为1.0,可以算出光纤与空气界
3、面的全反射角为41.8..所以,沿4j.入射到光栅表面的光将发生全反射.另一方面,由于端面光栅的存在,入射光将被衍射,所以这样的光纤端面光栅结构相当于反射光栅.沿光纤光轴传播入射到光栅表面的光,其零级衍射光将沿垂直于光轴的方向传播,如果选择适当光栅常数,可以使负1级衍射光沿光纤光轴方向传播,并与入射光反方向传播.当光垂直入射到两种介质的界面时,反射率公式为(一2)l+2)一分别为人射光所在介质和折射光所在介质的折射率.所以,当上述零级衍射光传播到光纤包层的外表面f即包层与保护层的界面)时,将被大量反射,并以4
4、5.角再次入射到光纤的端面光栅上.经再次衍射的零级衍射光将沿光轴方向并与最初的入射光反方向传播,因而与第一次衍射的负1级衍射光相遇,并产生干涉,如图1所示.两束光的光程差由光纤包层的横截面直径D和光纤材料的折射率n决定由于D和n均与光纤所处环境的温度有关,所以当温度变化时,光程差将发生变化,干涉条纹也将随之发生变化.通过测量干涉条纹的变化量便可以定量计算出对应的温度变化2传蒜器的光栅常数,温度测量范围,光纤端面倾角的容差2.1光栅常数由光栅衍射理论知,以入射角度巩入射到光栅表面的光,如果要使其负1级衍射光沿着
5、与光栅面法线成角的方向传播,应满足如下条件:nd(sina—sin以)一一(2)式中为光纤材料的折射率;为光栅常数;为光的真空波长;以为45..如果要使衍射负1级沿着与入射光反方向传播,应为一一45.(3)40把(3)式带人(2)式可得光栅常数:jd=—(4)2n如果取n一1.46,=L55vm,可以算出光栅常数,d一0.75/~m.目前的刻蚀技术可以达到此精度.2.2温度测量范围由图1可见,光入射到光纤端面光栅表面,经衍射后的零级和负1级衍射光再次相遇时,两束光的位相差?P可以表示为卸一—2zr广~D(5)
6、位相差的变化由光纤材料的光程参数nD的变化决定:(?一—2xbT‘(n—D)(6)当光程差的变化量(一D)=时,位相差变化量为(?一2x,对应的干涉图样将移动一个条纹.光程差nD的变化由与光纤所处环境的温度变化决定.如果温度每升高1?,nD的相对增加量为7.2×10’C?,那么温度每升高1C,nD的绝对增加量为7.2×10×nD.所以,干涉图样每移动一个干涉条纹对应的温度变化为】AT—(7)如果取折射率一1.46,波长一1.55/~m(通信波长).D一125/~m,则?了1—1180C,即这种传感器可以测量的
7、温度变化范围理论上为1]79?.2.3光纤端面45.倾斜角的容许误差沿光轴方向入射到光纤45.端面的光被光栅衍射,零级衍射光被光纤包层的外表面反射,再次入射到光栅表面,衍射后的零级衍射光的传播方向与光纤光轴平行.如果光纤端面的倾斜角偏离45.,那么衍射光的传播方向将偏离光轴方向.假设光纤端面的倾斜角偏离45.的角度为,那么衍射光的传播方向偏离光轴的角度将为n一4.为了保证衍射光在光纤中传播,必须满足:nsin~?N.A.(8)式中,?..为光纤的数值孔.如果NA一0.2,可以算出口一7.9.,对应的一1.9.
8、,即端面45.倾斜角的允许误差为一?1.9.(9)3光纤光栅传感器的制作制作光纤光栅传感器的主要任务是在光纤的45.倾斜端面上制作指定光栅常数的光栅.由(4)式知,对于1.5m的工作波长,光栅常数应为0.75m.制作这样的光栅可以分以下几步完成:1)制作光滑的45.倾斜的光纤端面;2)在光纤端面涂光刻胶;3)用光学全息制作技术在光纤的端面上制作指定光栅常数的光刻胶光栅;4)用刻蚀技术刻蚀光纤的端面,
