聚合物-石英复合长周期光纤光栅的温度传感器

With the development and the improvement of the optical fiber sensor technology, temperature sensor has proposed new goals and requirements. Develop new type of high sensitivity of optical fiber grating temperature sensor, which has become one of the important development direction of this field. Wavelength shift of the ordinary fiber bragg grating in the temperature range of 100 ℃ was measured only 1 nm, and the temperature sensitivity of the fiber bragg grating is only about 0.01 nm / ℃ can not satisfy the needs of actual measurement. However, the temperature sensitivity of the long period fiber grating is 0.05 nm / ℃ higher than the bragg grating, it is hard to meet the requirements of high precision measurement. This project aims to directly replace the optical fiber cladding with polymer material, coating on the structural modulation long period fiber grating evanescent field area, the polymer will interact with the evanescent wave, make it more sensitive to the external environment. Analysis transmission characteristics of structural modulation long period fiber grating by using the coupled local-mode theory. The thermo-optic coefficient and polymer is much higher than silica material, polymer material response information to the outside temperature changes can be through evanescent field coupling into quartz fiber grating. This project puts forward a new temperature sensor of compound long period fiber grating, which is expected to application and development in the field of optical fiber sensing.

随着光纤传感器技术的发展及其工艺水平的提高，已经对温度传感器提出新的目标与要求。目前，研制新型高灵敏度光纤光栅温度传感器，已成为该领域的重要发展方向之一。普通的布拉格光纤光栅其温度灵敏度只有0.01 nm/℃左右，测量100 ℃的温度范围波长变化仅为1 nm，远远不能满足实际测量的需要。而长周期光纤光栅，温度灵敏度高于布拉格光栅，其数值为0.05 nm/℃左右，也很难满足高精度测量的要求。本项目旨在用聚合物材料直接取代光纤包层，涂敷于结构调制型长周期光纤光栅的倏逝场区域，则聚合物材料会与倏逝波发生相互作用，使其对外界环境的感应更加敏感，并利用局域耦合模理论分析结构调制型长周期光纤光栅传输特性。聚合物的热光系数远高于石英材料，聚合物材料对外界温度变化的响应信息可通过倏逝场耦合进石英光纤光栅中进行传输。本项目提出的这种新型复合长周期光纤光栅结构的温度传感器有望在光纤传感领域得以应用和发展。

长周期光纤光栅在通信及传感领域得到广泛的应用，它不仅可以用作可调谐动态增益均衡器和模式转换器，还可以用作光纤传感器来测试温度、应变、弯曲或液体折射率等物理参数。其中，对温度的实时远程监测在物质储备、能源开采及生物医学等很多生产实践活动中均有重要的意义。传统的布拉格光纤光栅中光波能量的传输模式是正向传输的纤芯模与反向传输的纤芯模之间的耦合，测量100℃的温度范围波长变化仅为1nm，即温度灵敏度只有0.01nm/℃，远远不能满足实际应用的需要。不同于布拉格光纤光栅，长周期光纤光栅中的光波能量传输模式是同向传输的纤芯模与包层模之间的耦合，温度灵敏度约为布拉格光纤光栅的5-10倍。但是，由于石英材料的热光系数较低，也很难满足高精度测量的要求。本项目旨在探索一种聚合物-石英复合长周期光纤光栅的温度传感器。将聚合物材料涂覆在拉锥石英光纤光栅的锥腰区域，此时的拉锥石英光纤充当了新波导结构的纤芯部分作为传输光波单元，而涂覆的聚合物薄膜充当了新波导结构的包层部分作为传感敏感单元。这样的设计，结合了二者的优点，既有利于光通信系统的接入，又能得到较高的响应灵敏度。研究内容包括：结构调制型长周期光纤光栅的设计、制备及测试；聚合物-石英复合光纤光栅的传感机理研究；聚合物-石英复合光纤光栅温度传感器的封装设计及性能测试；聚合物-石英复合光纤光栅温度传感器的稳定性测试。该传感器在30°C～60°C的温度范围内，温度灵敏度可达到-0.277nm/°C，其温度灵敏度是传统的布拉格光纤光栅的20-30倍。本项目提出的复合光纤光栅温度传感器具有制备简单、成本低、尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，该器件在特种环境温度监测领域具有潜在的应用价值。