基于少模长周期光纤光栅的高灵敏度扭矩传感器

发布时间：2019-07-15 12:13

【摘要】：利用高频二氧化碳(CO2)激光脉冲写入法制备了一种基于少模长周期光纤光栅(LPG)的高灵敏度扭矩传感器。两个纤芯线偏振(LP01和LP11)模式耦合形成谐振峰。扭转灵敏度可达0.528nm·rad-1·m-1,所提扭矩传感器的扭转灵敏度比普通单模LPG提高一个数量级。引入扭转的LPG可以看作是对原光栅进行周期性螺旋调制,其有效光栅周期与扭转率成比例,从而使谐振峰波长发生漂移,这是形成高扭转灵敏度的主要原因。这种新型LPG对环境折射率和温度的交叉敏感性较弱,可以用作高精度的接触性扭矩传感器,在涉及扭转测量的很多领域有广阔的应用前景。
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图片说明：图１ＦＭＦ－ＬＰＧ扭转图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｏｒｓｉｏｎｉｎＦＭＦ－ＬＰＧ
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图片说明： Λ′＝Λ－τΛ２／（２π＋Λτ）为有效光栅周期。从（５）式的差分形式可以推导出光栅的扭转灵敏度为Δλ＝－Δβ０１－Δβ１１（＋τ）ｄβ０１ｄλ－ｄβ１１ｄ（）λ－１，（６）式中Δβ０１－Δβ１１可理解为引入的圆双折射对波长漂移的影响，τ可理解为有效光栅周期变化对波长漂移的影响，式中第二个乘积项表示的是光栅扭转对模式色散的影响。选择ＦＭＦ来制备ＬＰＧ是因为ＦＭＦ具有更高的色散因子，有利于增强灵敏度。３实验与分析图２高频ＣＯ２激光器刻写ＦＭＦ－ＬＰＧ的实验装置图Ｆｉｇ．２ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｏｆＦＭＦ－ＬＰＧｉｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙＣＯ２ｌａｓｅｒ实验所采用的ＦＭＦ在１５５０ｎｍ处的纤芯、包层折射率分别为１．４４９和１．４４４，纤芯直径为１９μｍ且比ＳＭＦ大，可支持更多的传播模式。实验采用高频ＣＯ２激光脉冲写入法制备ＦＭＦ－ＬＰＧ。刻写系统包括ＣＯ２激光器、宽带光源（ＢＢＳ）、光谱分析仪（ＯＳＡ）以及控制计算机，该系统配置如图２所示。激光束通过硒化锌（ＺｎＳｅ）透镜聚焦为直径约为５０μｍ的光斑，在二维扫描振镜反射下激光束可以扫描焦平面的一块特定区域。刻写ＦＭＦ－ＬＰＧ需要的ＣＯ２激光功率比刻写ＳＭＦ要低很多，这种更低功率激光调制的制备方法可以保证ＦＭＦ－ＬＰＧ的机械强度不会降低。实验中，，使用适当优化的放电方法，将一段长度约为５ｍ的ＦＭＦ两端熔接ＳＭＦ，并分别连接ＢＢＳ和ＯＳＡ。ＢＢＳ的激光波长区间
【作者单位】： 暨南大学光子技术研究院;暨南大学信息科学与技术学院;
【基金】：中央高校基本科研业务费专项资金
【分类号】：TP212

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本文编号：2514679