引言

光纤光栅传感器可用于温度、应变、压力、浓度等物理量的传感测量，具有抗电磁干扰、体积小、质量小、兼容智能设备等特点。其工作机理是基于波长编码减少解调光路中光源功率波动带来的测量误差，容易实现分布式传感。光纤光栅传感器在航空航天、核电、工程工业监测、桥梁、安防等方面具有重要的应用前景。

光纤光栅传感器常被用于温度和应变测量。由于温度和应变的变化都可能引起光纤布拉格光栅(FBG)中心波长偏移，因此在实际光纤光栅传感应用中存在温度和应变的交叉串扰问题。解决FBG传感器温度与应变的串扰问题是其实用化的前提。目前解决交叉串扰问题的方法为采用特殊材料对FBG进行封装，抑制温度(应变)的影响，实现应变(温度)的解调，但该方法在封装的过程中需要对FBG预加应力，因此缩小了传感器的测量范围。刘凤超等提出通过特殊的封装方法在应变传感FBG附近增加一个温度测量FBG，对应变传感FBG的测量进行温度的补偿。此外，各国科研工作者也提出了多种能同时解调出应变和温度的双参量解调方法。其中一种方法为使用FBG构成法布里-珀罗(F-P)腔，当温度和应变改变时，通过测量光栅布拉格波长的偏移和F-P腔的干涉光谱的变化得到温度和应变的变化量，但是干涉光谱的测量失去了FBG传感波长编码的优点;另一种方法是用两个温度、应变系数不完全相同的FBG组合进行温度和应变的测量，同时监测两个光栅的布拉格波长偏移，通过联立两个方程得到温度和应变变化量。赵洪霞等通过用氢氟酸(HF)腐蚀部分FBG，使得两部分FBG的应变响应系数差异较大，而温度响应系数差异较小，从而实现温度和应变的同时测量。关柏鸥等先将普通石英光纤和载氢后的铒镱共掺光纤两种异质光纤熔接在一起，用紫外准分子激光在两种光纤连接处刻写FBG，由于两种不同光纤中的光栅结构具有不同的温度响应系数，因此可以用作温度、应变双参量传感测量，异质FBG双参量传感解调只需要一个解调光源，并保留了FBG传感器波长编码特性的优点。但以上方案均是利用紫外准分子激光在光敏光纤中制备FBG。紫外准分子激光对光敏光纤的写入机理是基于纤芯对紫外激光辐射的线性吸收而形成“色心”结构，这种类型的FBG在400℃就会被擦除，很难适用于高温环境。另外紫外光刻写FBG的方法要求光纤必须具有光敏性，对弱光敏光纤则需要经过长时间的载氢处理，限制了该加工方法所适用的光纤范围。飞秒激光脉冲具有超强的峰值功率，可以对各种材料进行加工。利用飞秒激光可以直接在普通石英光纤中加工FBG，不需要载氢处理。所制备的FBG温度稳定性远远高于传统紫外光在光敏光纤制备的FBG，适用温度可达1000 ℃。此外，利用飞秒激光在掺镱、铒镱共掺等光纤中均实现了FBG的直接制备，但目前利用异质FBG实现耐高温温度和应变双解调的研究还未见报道。 本文利用飞秒激光在两种异质光纤熔接处刻写FBG，构成异质FBG温度应变双参数传感器。研究了掺镱FBG、铒镱共掺FBG和普通石英FBG三种不同FBG温度和应变响应系数，基于铒镱共掺光纤和普通石英光纤两种异质FBG的温度响应系数不同，利用铒镱共掺-石英异质FBG实现温度应变双参量解调。同时，研究了铒镱共掺-石英FBG的耐温特性，结果表明铒镱共掺-石英FBG温度、应变双参量传感器可用于700℃以内的传感。

1FBG 温度和应变传感原理

1、FBG 温度和应变传感 

FBG 的布拉格波长可表示为

mλ_B=2n_effΛ， (1)

式中:m为布拉格波长的阶数;λ_B为FBG的布拉格波长;n_eff为光纤纤芯的有效折射率;Λ为FBG的周期。FBG所处环境的温度和应变的变化会引起n_eff和Λ发生改变，从而导致λ_B发生偏移。温度引起的FBG布拉格波长偏移的主要原因可以归结为光纤热膨胀效应和光纤的热光效应。在只考虑温度变化时，布拉格波长偏移Δλ_B可表示为

Δλ_B= λ_B(α+ξ)ΔT=K_TΔT， (2)

式中:α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数;ΔT为温度的变化量;K_T为FBG布拉格波长偏移对温度T的灵敏度。对于掺锗石英光纤α=5.5×10^－7℃^－1，ξ= 6.4×10^－6℃^－1;当λ_B=1550nm时，可得K_T=10.9 pm·℃^－1。应变引起的FBG布拉格波长偏移的主要原因可以归结为应变致使光栅周期Λ的伸缩和应变通过光纤的弹光效应使有效折射率n_eff改变。当只考虑沿光纤轴向应变时，在轴向应变ε_x条件下，布拉格波长偏移可以表示为

Δλ_B=λ_B(1－p_e)ε_x = K_εε_x，(3)

式中:K_ε为布拉格波长偏移对轴向应变的灵敏度; p_e为有效弹光系数。对于掺锗石英光纤，纤芯和包层的弹光系数分别为p₁₁=0.113，p₁₂= 0.252，泊松比为μ=0.16，可得有效弹光系数p_e≈0.22;当λ_B=1550nm时，进一步可得FBG的应变灵敏度Kε=1.21 pm·με^－1。

2、FBG温度应变串扰问题 

由(1)式可知，FBG的布拉格波长λ_B偏移和光栅周期Λ和有效折射率n_eff的变化有关。当温度发生变化时，热膨胀效应和热光效应会使得λ_B变化;FBG产生的轴向应变会通过改变光栅周期Λ和弹光效应造成λ_B变化。结合(2)式和(3)式可得，由温度和应变共同作用引起的FBG布拉格波长变化可表示为

Δλ_B=λ_B［(α+ξ)ΔT+(1－p_e)ε_x］= K_TΔT+K_εε_x，(4)

因此当Δλ_B变化时，无法确定是温度还是应变引起的，这就造成了FBG在传感测量中的串扰问题。采用两个温度和应变系数不完全相同的FBG，测定两个Δλ_B，并联立方程就可以解出温度ΔT和应变ε_x，从而解决FBG传感测量中温度和应变交叉串扰问题。

2实验和结果讨论

1、异质FBG刻写 

实验中样品为普通单模石英光纤(SMF-28，康宁公司，美国)、掺镱光纤(SM-YSF-HI，Nufern)和铒镱共掺光纤(SM-EYDF，Nufern)。实验中首先使用光纤熔接机将两种异质光纤熔接在一起，利用飞秒激光结合相位掩模板在熔接点的两端分别刻写FBG。实验中采用的飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1kHz。飞秒激光经过柱透镜聚焦后垂直入射到相位掩模板形成衍射。柱透镜焦距为25mm，相位掩模板的周期为2.142μm。实验中使用的相位掩模板针对800nm激光设计，0级衍射光能量被抑制(低于3%)，±1级衍射光各占35%左右的能量。±1级衍射光在重叠区域形成干涉条纹，诱导光纤纤芯折射率周期性调制形成光栅结构，光栅周期为相位掩模板周期的一半。刻写光栅的过程中使用光谱分析仪 (AQ6370D)监测FBG的反射光谱变化。飞秒激光结合相位掩模板刻写异质FBG反射光谱图如图1所示。实验中分别将掺镱光纤和铒镱共掺光纤与石英光纤进行熔接加工，飞秒激光功率为500mW，所制备的FBG反射光谱分别如图1(a)和图1(b)所示。

图 1 飞秒激光结合相位掩模掩模板刻写异质FBG反射光谱图。(a)掺镱-石英;(b)铒镱共掺-石英

从图中可以看出，两种异质光纤上刻写的FBG均出现两个布拉格共振峰。在掺镱光纤和普通石英光纤熔接点两端刻写的FBG的中心波长分别为1548.732nm和1549.852nm，在铒镱共掺光纤和普通石英光纤熔接点两端刻写的 FBG中心波长分别为1554.124nm和1550.18nm。这是由于在不同光纤中刻写的FBG虽然光栅周期相同，但三种光纤具有不同的有效折射率，所以会有不同的布拉格波长，两个普通石英FBG布拉格波长有微小的差异是加工过程中施加的应变不同造成的。

2、异质FBG温度、应变传感特性 

图 2 异质FBG温度应变测量实验装置

异质FBG温度应变测量实验装置如图2所示。实验中将塑料烧杯两侧钻出两个微孔(小孔直径略大过光纤直径)。将待标定的FBG从烧杯中穿过后两端分别用胶水粘接固定在位移平台上，其中一个为微位移平台(Thorlabs MBT610D/M，位移精度为1μm，位移范围为200μm)，受限于烧杯和水浴锅尺寸，FBG两端固定点距离为28cm，FBG应变范围为700με。往烧杯中注入水，水面高于光纤，保证 FBG浸没在烧杯内的水中，然后将烧杯置于水浴锅(型号:KHW-D-210)中。因烧杯两侧小孔直径(小于0.5mm)很小且有光纤从小孔穿过，所以实验过程中只有少量水从小孔渗出，能保证实验从开始到结束(3～5h) 烧杯内的水平面下降不超过1cm(实验开始时，FBG距水平面约6cm)。水浴锅温度控制范围为室温+5℃至液体的沸点，温度波动度小于等于±1℃。测量光栅的温度和应变灵敏度时，先保持温度或者应变不改变，测量应变或者温度对FBG布拉格波长的影响。 首先在固定应变80με下，测量FBG布拉格波长的温度响应特性，实验中利用水浴锅控制温度在31～85℃改变，每个温度保持30min，然后测量相应温度下的FBG的反射光谱。测得掺镱-石英FBG和铒镱共掺-石英FBG的布拉格波长λ_B-温度曲线分别如图3(a)和3(b) 所示。可以看出异质FBG中两个布拉格波长λ_B均随着温度增加线性增大。掺镱-石英异质FBG中掺镱FBG和石英FBG的温度响应系数分别为9.27 pm·℃^－1和9.26pm·℃^－1，铒镱共掺-石英FBG中铒镱共掺FBG和石英FBG温度响应系数分别为11.07pm·℃^－1和9.46 pm·℃^－1。

图 3 (a)掺镱-石英FBG布拉格波长λ_B -温度曲线;(b)铒镱共掺-石英FBG的布拉格波长λ_B-温度曲线温度保持为45℃不变，研究FBG的应变响应特性。实验中，通过调节微位移平台改变FBG的应变，测量相应应变下的FBG的反射光谱。实验中应变变化范围为0～700με，测得掺镱-石英FBG和铒镱共掺-石英FBG的布拉格波长λ_B-应变曲线分别如图4(a)和4(b)所示。

图 4 (a)掺镱-石英FBG布拉格波长λ_B -应变曲线;(b)铒镱共掺-石英FBG的布拉格波长λ_B -应变曲线

实际应用中异质FBG应变范围可能受限于异质FBG的材料和熔接点的熔接强度。可以看出异质FBG中两个FBG布拉格波长均随着温度的增加而线性增大。通过对实验数据进行线性拟合，掺镱-石英FBG中掺镱FBG和石英FBG应变响应系数都为1.40pm·με^－1，铒镱共掺-石英FBG中铒镱共掺FBG和石英FBG应变响应系数分别为1.43pm·με^－1和1.41pm·με^－1。两类异质FBG中所得到的不同材料光纤的温度和应变响应系数如表1所示。

表 1 两类异质FBG的温度和应变响应系数

可以看出，在石英光纤和不同掺杂光纤中刻写的FBG应变系数基本相同(1.40～1.43pm·με－1)。掺镱FBG和石英FBG温度系数相差不大，均在9.26～9.46pm·℃^－1之间;而铒镱共掺FBG温度系数为11.07pm·℃^－1，明显大于掺镱FBG和石英FBG。因此，利用具有较大温度响应系数差异的铒镱共掺和石英光纤熔接后刻写的异质FBG更适合用于温度、应变双参量测量。掺镱光纤虽然和石英FBG波长不同，但温度和应变响应系数差别较小，无法用于双解调。 由(4)式可进一步得到异质FBG的布拉格波长偏移量与温度应变之间的函数关系为

Δλ_B1=K_T1ΔT+K_ε1ε_x， (5)

Δλ_B2=K_T2ΔT+K_ε2ε_x， (6)

式中:K_T1和K_ε1分别为铒镱共掺FBG的温度、应变响应系数，需在传感测量之前进行标定;K_T2和K_ε2为石英FBG的温度、应变响应系数。解调时，通过测得铒镱共掺FBG和石英FBG的布拉格波长偏移量，再由(5)式和(6)式构成的方程组解析可得温度和应变量。

3、异质FBG耐温特性

将铒镱共掺-石英FBG置于管式炉中，在600℃下退火2h，再升温至 800℃退火15min后，研究异质FBG的耐温特性。经过退火过程后，铒镱共掺-石英两部分FBG的反射率都有下降。铒镱共掺FBG反射率由－3.528dB下降到-17.33dB并稳定，石英FBG反射率由－2.277dB下降到－3.28dB并稳定。这可能是因为在退火的过程中，一些高温下不稳定的光栅结构被擦除了。接着将管式炉的温度分别设置为300，400，500 ℃，分别保持0.5h，之后再将管式炉温度分别设置为600，700，800℃，分别保持3h，并且在温度保持过程中观察铒镱共掺-石英FBG反射光谱的变化。不同温度下铒镱共掺-石英FBG反射率随保持时间的变化曲线如图5所示。

图 5 不同温度下铒镱共掺-石英 FBG 反射率随保持时间的变化曲线

由图5可见，经过退火过程后，铒镱共掺-石英FBG在700℃高温下两段FBG反射率都具有较好的稳定性。在800℃时，石英FBG反射率逐渐下降，铒镱共掺FBG反射率急剧下降，石英FBG的反射率退化速度相对于铒镱共掺较慢，这主要是由于刻写的石英FBG具有更高的折射率调制度。以上结果表明，铒镱共掺-石英异质FBG可以在700℃ (或700℃以下)稳定工作。通过进一步优化加工条件，在异质光纤中制备出Type II型FBG，有望能使异质FBG的耐温特性提升到1000℃。

3总结

将掺杂光纤和普通单模石英光纤熔接在一起，并利用高峰值功率的飞秒激光结合相位掩模板法在熔接点处制备了光栅形成异质FBG;测量了掺镱-石英FBG和铒镱共掺-石英FBG两类异质FBG的温度、应变响应系数测量。结果证明:掺镱-石英FBG对温度和应变的响应系数相差不大，但铒镱共掺-石英FBG的温度响应系数差异较大。温度响应系数差异较大，应变响应系数相近表明铒镱共掺-石英FBG可应用于温度、应变双参数传感测量。铒镱共掺-石英FBG的耐温特性表明该异质FBG可以在700℃(或700℃以下)稳定工作。(作者：曹后俊，刊名：中国激光)

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