基于再生低反射率光纤光栅和饱和吸收体的高温光纤激光传感研究 
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1 引言
光纤布拉格光栅(FBG)是一种性能优良的传感元件,广泛应用于温度、应变、位移等传感器中,具有抗电磁干扰能力强、准确性高、复用性好等优点[1]。普通的光纤光栅一般只适应于温度低于200 ℃的环境中[2],这是由于普通光纤光栅的耐高温性能差,如果长时间工作在高温环境下,光栅的折射率会发生周期性调制,折射率逐渐衰退直至完全消失。光纤的这种特性极大地限制了光纤光栅在高温环境中的应用[3]。为了在高温领域如航空航天、石油化工、能源开采等应用中进行传感测量,国内外研究人员对高温光纤光栅的特性进行了研究,由于再生光纤光栅具有制作简单、光谱特性好且在高温下光谱不衰退等突出优点,引起了广泛关注[4]。
2002年,瑞典科学家Fokine[5]首次报道了一种通过高温热处理得到的耐高温光纤光栅,取名为化学组分光纤光栅(CCG)。再生光栅可在高温环境下用作温度/应变传感。2016年,Gunawardena等[6]使用改进的化学气相沉积技术,在氢化镓硅酸盐光纤上刻写种子光栅,并将其作为高温领域的温度传感器,在25~750 ℃温度范围内,再生光栅的温度灵敏度在升温过程为15.2 pm/℃,降温过程为15.0 pm/℃;2017年,Tu等[7]提出一种基于载氢硼锗共掺光敏光纤生成再生光栅的方法,该方法结合改进的金属化封装形式,基于磁控溅射和电镀相结合的原理,将再生光栅作为高温环境中的应变传感器,该应变传感器在恒定高温达540 ℃下具有良好的线性度、稳定性和重复性。将热再生光栅用于光纤激光器中作高温传感使用,光纤激光传感系统不仅保留了光纤传感的优势,还融合了光纤激光器的光信噪比高和线宽窄等优点[8],适合远距离传输,而热再生光栅既可提高光纤激光器的工作温度,也可增加传感灵敏度等。Chen等[9]将热再生光纤光栅用于耐高温分布式布拉格反射(FBR)激光传感器中,该激光器由两个匹配的再生光纤光栅组成,可在750 ℃的高温下长期发射激光;Rodriguez-Cobo等[10]采用紫外激光刻写光纤光栅,退火后将光栅应用于光纤激光器中,该光纤激光器可在高温下得到窄线宽光谱。两个退火后的光栅构成FBR激光传感器,可在500 ℃的高温环境下稳定工作。但这些方法过程较为复杂,温度灵敏度或测试温度仍可再提升,且FBR激光器中使用的两个再生光栅存在不完全匹配的问题,导致输出激光产生的损耗较大。
由于再生光纤光栅存在退火时间长、退火之后的光纤更加脆弱,以及反射率低等问题[11],其在高温传感领域的应用受到限制。为提高再生光纤光栅的测量温度和温度灵敏度,拓宽低反射率再生光栅在高温领域的应用,避免FBR激光器中两个再生光栅不完全匹配的问题,简化实验结构和实验过程,本文采用线形谐振腔结合未抽运的掺铒光纤(EDF)作为饱和吸收体(SA)的方法,使用244 nm氩离子激光器,通过10 mm的相位掩模板在经过载氢的普通单模光纤上刻写种子光栅,以该光栅经退火后再生的低反射率光栅作为谐振腔低反镜,构成激光传感器,达到激光的选频、稳频以及抑制多模振荡的目的,减小低反射率光栅对传感性能的影响。实验结果表明,该光纤激光的输出具有稳定、信噪比高、无跳模的特点,能在700 ℃范围内稳定工作。
2 实验装置和原理
实验装置如
饱和吸收体实现压缩线宽、防止跳模以及稳定激光的基本原理为:当抽运光经过FBG时,光栅只对与其中心波长相匹配的光进行反射(即为光栅的选频作用),经过FBG反射回的光被分光比为50∶50的耦合器分裂为强度相同方向相反的两束光,将耦合器两端通过一段EDF2连接,构成Sagnac回路。分裂形成的两束光随后在未抽运EDF2中对向传输并发生干涉,形成驻波。由于在没有抽运光的情况下,未抽运EDF2中的Er3+对信号光产生强烈的饱和吸收效应,吸收系数沿光纤轴向发生周期性的改变,在波峰处,吸收系数小,而在波谷处,吸收系数大,形成空间烧孔效应。此时干涉光在谐振腔内形成的驻波场会使腔内损耗发生周期性变化,从而使饱和吸收体的折射率沿光纤轴向发生微弱的周期性变化,这种折射率的周期性变化所导致的结果类似于在饱和吸收体内形成一种自写入的超窄带光栅滤波效应,其功能是对腔内运行的振荡激光进行带宽更窄的选频,同时起到稳频的作用。这种自写入光纤光栅长度很长(本文为2.5 m),导致峰值反射率很大,而反射带宽很小,并且反射中心波长具有自适应特性,因此可以有效地抑制跳模的产生。当这种自写入光栅的带宽小于激光的两个相邻纵模间隔时,仅有一个纵模可以形成稳定振荡,从而实现激光的稳定输出[12-15]。
线形腔纵模间隔可表示为
式中:
式中:Δ
由于光栅用的是输出型低反射率光栅,可以从输出光栅的一端直接输出激光。激光传感器实验装置实物图如
实验中所使用的种子光栅由氩离子激光器刻写,光纤型号是康宁SMF-28e,光谱仪(OSA)型号为YOKOGAWA公司的AQ6370D,分辨率为0.02 nm,波长扫描范围为600~1700 nm。
为测试光纤激光传感器中作为谐振腔低反镜的光纤光栅在高温下对输出激光的影响,进行如下实验:常温下,改变激光器的驱动电流,观察光谱仪输出,得到激光器的阈值电流为68.9 mA,将激光谐振腔中的种子光栅水平自由地放入高温马弗炉中,在炉内中心位置放置一个热电偶,用于监测炉内实际温度。半小时内将温度升至900 ℃,稳定一段时间,在此过程中种子光栅退化并被完全擦除后再生。
由于激光传感器使用再生光栅作为温度敏感元件,故其输出激光的中心波长随温度变化而变化。为了观察输出激光波长在300~800 ℃温度范围内随温度的变化情况,将抽运激光器的驱动电流固定为150 mA,改变高温马弗炉的温度,由光谱仪观察输出激光光谱信息,每隔100 ℃设定一个恒温点,每个恒温点保持50 min,在温度稳定后的每5 min记录1次数据,记录10次之后改变温度。对每个温度下,所采集的10组数据的中心波长取平均值并进行拟合。
3 实验结果与分析
实验中所使用种子光栅的光谱图如
图 3. 实验所用种子光栅反射谱和透射谱
Fig. 3. Reflection and transmission spectra of seed grating used in the experiment
900 ℃高温再生光栅的透射谱如
为测试输出激光在300~800 ℃温度范围内中心波长的稳定性,在每个温度点测试的10组数据中,以温度改变的初始点为参考,计算每个温度点的波长改变值,结果如
图 5. 升降温过程中中心波长的变化量。(a)降温;(b)升温
Fig. 5. Variation of central wavelength during the temperature rising and falling processes. (a) Cooling; (b) heating
实验结果表明,升降温过程中,在50 min的测试时间内,每组数据的中心波长变化量在降温过程中最大为0.060 nm;在升温过程中最大为0.084 nm。在不同温度下,中心波长的变化量浮动很小,表明输出激光具有良好的波长稳定性。
为得到输出波长与温度变化之间的对应关系,并求得相应的温度灵敏度系数,在实验过程中,忽略光栅在温度变化时所受应力。由于温度变化时,热膨胀系数以及热光系数都会对光栅的中心波长产生影响。材料一定时,可认为整个光栅部分在实验过程中,所受的温度分布式均匀的,因此热膨胀系数几乎不变,而热光系数随温度变化而不同,热光系数越大,波长变化越大,温度灵敏度越高。由于普通裸光栅一般不适用于高温环境中,而再生光纤光栅可用在300 ℃以上的高温区域,因此该高温区域的热光系数高于300 ℃以下的温度区域[17]。由于本文将再生光栅用于300~800 ℃的高温环境中进行测量,因此高温条件下得到光栅的温度灵敏度系数较高。
对各温度下所采集的10组数据的中心波长取平均值并与温度进行线性拟合,由实验数据所得温度灵敏度系数符合上述对高温条件下再生光栅灵敏度较高的理论分析。且输出波长与温度呈良好的线性关系,如
本实验在升降温过程中得到的平均温度灵敏度为15.41 pm/℃,高于文献[ 18]中使用实心光子晶体光纤的法布里-珀罗(FP)干涉仪高温传感器在33~600 ℃中得到平均温度灵敏度(13.8 pm/℃),且高于文献[ 19]中使用热再生光纤光栅的DBR光纤激光器在300~750 ℃中得到的结果(14.2 pm/℃)。以上实验结果表明,利用再生光栅在高温下灵敏度系数较高的优势并结合谐振腔传感的方法,通过其输出波长进行温度传感,具有温度灵敏度系数高,且稳定性良好的优点。
观察温度对输出激光光谱的影响,升降温过程中各温度下的激光强度随时间的变化如
图 7. 输出激光强度随中心波长的变化。(a)降温过程;(b)升温过程
Fig. 7. Change of output laser intensity with central wavelength. (a) Cooling process;(b) heating process
图 8. 输入电流为150 mA时升降温过程中强度随波长的变化。(a)降温800 ℃;(b)降温300 ℃;(c)升温300 ℃;(d)升温800 ℃
Fig. 8. Evolution of intensity with wavelength in temperature rising and falling processes under input current of 150 mA. (a) Cooling to 800 ℃; (b) cooling to 800 ℃; (c) heating to 300 ℃; (d) heating to 800 ℃
从
分别选取升降温过程中的300 ℃和800 ℃采集的数据,绘制LD在输入电流为150 mA下,输出激光的中心波长随时间的变化,如
从
为验证在长时间高温环境下输出激光的稳定特性,将高温炉设定为700 ℃,待温度稳定后进行3 h的数据采集,以初始强度的峰值作为参考,将之后采集数据中的强度峰值与之作差,得到在高温700 ℃下,3 h的稳定性测试中,输出激光强度和中心波长的变化,如
图 9. 700 ℃长时间测试下,激光强度与中心波长的变化。(a)激光强度与中心波长变化量;(b)不同时间下激光输出光谱图
Fig. 9. Change of laser intensity and central wavelength tested for a long time under 700 ℃. (a) Variation of laser intensity and central wavelength; (b) output spectra of laser under different time
4 结论
采用线形腔结构,结合低反射率再生光栅和饱和吸收体的共同作用,通过对再生FBG进行升降温实验,观察由于温度改变而导致的光栅光谱的变化对输出激光的影响,用于分析本激光传感器的性能。实验结果表明,在300~800 ℃的温度范围内,升降温过程中的相关系数均为0.99974,平均温度灵敏度为15.41 pm/℃。且随温度的升高,输出激光的中心波长表现为红移;温度降低,中心波长蓝移。在700 ℃的长时间稳定性测试中,得到高信噪比,无模式跳变且强度稳定的激光输出。实验表明,该激光型传感器具有良好的传感性能,可在700 ℃温度范围内作为性能良好的温度传感器使用。不足之处在于输出激光的信噪比还可以进一步提高,后续可通过改善腔体结构以及优化两段EDF长度等方法来提高输出激光信噪比。
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