基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感技術領域，特別是一種基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的測量環境折射率的方法。
【背景技術】
[0002]長周期光纖光柵是一種無源器件，軸向方向具有周期性的折射率分布，它將光能量從纖芯中傳播的導波模式耦合到包層中的包層模式中，從而導致傳輸頻譜在響應波長處產生一系列的阻帶。
[0003]基于諧振波長隨待測量變化而發生偏移的特性，長周期光纖光柵傳感器已被廣泛應用在各種光學傳感器件上，例如環境折射率、溫度、應力等傳感器。
[0004]最早報道利用長周期光纖光柵的諧振波長的偏移量進行環境折射率測量的文獻是1998年光波技術雜志第16卷9期1606頁發表的“長周期光纖光柵對外界折射率的響應的分析，，，參見:Patrick H J, Kersey A D, Bucholtz F.Analysis of the response of longper1d fiber gratings to external index of refract1n[J].Journal of LightwaveTechnology, 1998，16 (9): 1606，文中報道了一種化學濃度傳感器的應用。2010年，TinkoEftimov等人使用偏振儀測量長周期光纖光柵的偏振特性，利用單一波長的入射偏振態和輸出偏振態在邦加球上的對應點之間的最短劣弧所對應的圓心角度進行環境折射率的測量。2014年，Quandong Huang等人在全實芯光子帶隙光纖上用(:02激光器刻寫長周期光纖光柵，其諧振波長的偏移量與環境折射率的函數關系滿足二次函數多項式。現有的測量方法中，被測量值與較寬范圍內的環境折射率之間的關系曲線的線性度不高，且多數方法需要使用寬帶光源才能較好完成對諧振波長偏移量的追蹤。
[0005]當前，基于長周期光纖光柵的環境折射率傳感的研宄引起了極大的興趣，尤其對于薄包層長周期光纖光柵的研宄，其能夠良好地提高傳感靈敏度，且制造技術成熟，便于大規模生產。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是解決目前已有的環境折射率測量方法中需要采用寬帶光源探測長周期光纖光柵，且產生的諧振波長的偏移量隨環境折射率的變化線性度較差的問題，提供一種流程相對簡單并且易于實現的基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的環境折射率的測量方法，該環境折射率測量方法可采用窄帶光源，利用輸出光偏振態進行環境折射率的測量，測量值隨環境折射率的變化近似線性變化；采用薄包層的長周期光纖光柵，從而提高傳感靈敏度。
[0007]本發明的技術方案:
[0008]一種基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率的測量方法；該方法使用的長周期光纖光柵包層半徑為20.75 μ m，探測波長是范圍在1690nm-1710nm的任意完全偏振光波，波長間隔lnm，環境折射率的測量范圍是I至1.46。
[0009]所述入射光波為任意完全偏振光，光柵長度1.5cm，光柵周期320 μ m,纖芯半徑4.15 μ m，纖芯材料折射率1.4681，包層材料折射率1.4628，光柵的緩變包絡2.25X 10_4，位于纖芯的光致雙折射Λ η = 5X 10_6。
[0010]本發明方法的具體步驟如下:
[0011]I)使用單色可調諧激光光源，在已知環境折射率為巧時，檢測出等間隔的各波長λ I，λ2...入1^的光波通過長周期光纖光柵后的輸出偏振態P I，Ρ；?…FV
[0012]2)計算出偏振態P1, PfP1^E邦加球上的對應的點間的球面距離序列I i，V-1n-P
[0013]3)取出球面距離序列I1, V..Iim中的最大值I maxI，Imaxl即為已知環境折射率η工下的監測結果。
[0014]4)改變已知環境折射率，重復步驟I)至步驟3)，并繪制出環境折射率η與球面距離的最大值Iniax的關系曲線。
[0015]5)在某未知環境折射率η下，依據步驟I)至步驟3)的方法計算Imax，然后利用步驟4)已求得的曲線關系，得到η值。
[0016]該基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的環境折射率的測量方法，用作探測光源為窄帶光源時的傳感測量方法。
[0017]本發明的優點和有益效果
[0018]本發明提出了一種流程相對簡單并且易于實現的基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的測量環境折射率的方法，通過檢測輸出光偏振態，結合邦加球的數學分析，實現對環境折射率的測量。該方法的測量值隨環境折射率的變化近似線性變化；光源可以采用窄帶光源，在20nm的波長范圍內實現對環境折射率的測量；方法適用于實際測量。
【附圖說明】
[0019]圖1為該環境折射率測量方法的示意圖。
[0020]圖中:n.環境折射率，λ.入射波長，P.輸出偏振態，1.球面距離，Ifflax.球面距離最大值；
[0021]圖2為該環境折射率測量方法的測量值隨環境折射率的變化關系圖。
[0022]圖3為該環境折射率測量方法的傳感靈敏度隨環境折射率的變化關系圖。
[0023]圖4為該環境折射率測量方法在使用不同偏振態的入射光，測量值隨環境折射率的變化關系圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例:
[0025]一種基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的環境折射率的測量方法；本發明方法使用的長周期光纖光柵包層半徑為20.75 μ m，探測波長是范圍為1690nm-1710nm的任意完全偏振光波，波長間隔lnm，環境折射率的測量范圍是I至1.46。
[0026]該實施例中，入射光波為任意完全偏振光，光柵長度1.5cm，光柵周期320 μm，纖芯半徑4.15 μm，纖芯材料折射率1.4681，包層材料折射率1.4628，光柵的緩變包絡2.25 X 10Λ位于纖芯的光致雙折射Λ η = 5 X 10'
[0027]該環境折射率的測量方法，步驟如下:
[0028]I)使用單色可調諧激光光源，在已知環境折射率巧為I時，檢測出波長間隔為Inm,波長范圍為1690nm-1710nm的各波長的光波通過長周期光纖光柵后的輸出偏振態Pd P2...Pn。
[0029]2)計算出偏振態P1, PfP1^E邦加球上的對應的點間的球面距離序列I p
[0030]3)取出球面距離序列I1, V..V1中的最大值ImaxlS 0.01123，0.01123即為已知環境折射率I下的監測結果。
[0031]4)從已知環境折射率I開始，以數值0.01的步進改變環境折射率至1.46，重復步驟I)至步驟3)，并繪制出環境折射率η與球面距離的最大值Imax的關系曲線。如圖2所示，為該環境折射率測量方法的測量值隨環境折射率的變化關系圖，圖中表明:測量值隨環境折射率的變化接近線性變化。
[0032]5)在某未知環境折射率η下，依據步驟I)至步驟3)的方法計算Imax，然后利用步驟4)已求得的近似線性關系n= (Imax-0.03726)/-0.02588，得到η值。所得計算結果與測量值之間的均方根誤差為1.818Ε-4，由此表明利用步驟4)求得的近似線性關系對未知環境折射率進行估算的準確度高。
[0033]基于薄包層長周期光纖光柵的偏振特性的測量環境折射率的方法，用作探測光源的是窄帶可調諧激光器。
[0034]圖3為該環境折射率測量方法的傳感靈敏度隨環境折射率的變化關系圖，圖中表明:在環境折射率接近長周期光纖光柵的包層材料折射率時，傳感靈敏度波動大，出現最大值。
[0035]圖4為該環境折射率測量方法在使用不同偏振態的入射光的條件下，測量值隨環境折射率的變化關系圖，圖中表明:測量值隨環境折射率的變化幾乎不受入射光的偏振態的影響。
【主權項】
1.一種基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率測量方法，其特征在于該方法的步驟如下: 1)使用單色可調諧激光光源，在已知環境折射率為巧時，檢測出等間隔的各波長λ I，λ2...入1^的光波通過長周期光纖光柵后的輸出偏振態P I，Ρ；ε…IV 2)計算出偏振態P1,P2-P1^E邦加球上的對應的點間的球面距離序列I i，lflN-1; 3)取出球面距離序列I1,V..V1中的最大值I maxI，Imaxl即為已知環境折射率Ii1下的監測結果； 4)改變已知環境折射率，重復步驟I)至步驟3)，并繪制出環境折射率η與球面距離的最大值Imax的關系曲線； 5)在某未知環境折射率η下，依據步驟I)至步驟3)的方法計算Imax，然后利用步驟4)已求得的曲線關系，得到η值； 所述方法使用的長周期光纖光柵包層半徑為20.75 μπι，探測光波是任意完全偏振光波，波長間隔lnm，環境折射率的測量范圍是I至1.46。
2.根據權利要求1所述基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率的測量方法，其特征在于:所述入射光波范圍為1690nm-1710nm任意完全偏振光，長周期光纖光柵長度1.5cm，光柵周期320 μ m，纖芯半徑4.15 μ m，纖芯材料折射率1.4681，包層材料折射率1.4628，光柵的緩變包絡2.25X 10Λ位于纖芯的光致雙折射Λ η = 5X 10'
3.如權利要求1所述基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率的測量方法，其特征在于所述方法用作探測光源為窄帶光源時的傳感測量方法。
【專利摘要】一種基于薄包層長周期光纖光柵偏振特性的環境折射率測量方法；包層半徑為20.75μm，探測光波為1690nm-1710nm的任意完全偏振光，波長間隔1nm，環境折射率的測量范圍是1至1.46。在已知環境折射率為nI時，檢測出等間隔的各波長λ1,λ2…λN的光波通過長周期光纖光柵后的輸出偏振態P1,P2…PN；計算出偏振態P1,P2…PN在邦加球上對應點間的球面距離序列l1,l2…lN-1；取出球面距離序列l1,l2…lN-1中的最大值lmaxI，lmaxI即為已知環境折射率nI下的測量結果；繪制出環境折射率n與lmax的關系曲線；在計算出某未知環境折射率的lmax值后，利用此曲線可得到其對應的n值。本發明采用單色可調諧激光光源進行測量，測量值隨環境折射率的變化近似呈線性變化；方法流程相對簡單，適用于實際測量。
【IPC分類】G01N21-41
【公開號】CN104777132
【申請號】CN201510210142
【發明人】白育堃, 張玥
【申請人】天津理工大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月28日