一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法

摘要

本发明公开了一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，该方法以倾斜光纤光栅所处环境折射率大于或者等于包层折射率时的透射光谱作为参考光谱，将不同折射率下倾斜光纤光栅的透射光谱即传感测量光谱减去参考光谱得到解调光谱，以解调光谱中相对透射强度等于某一设定值时的最短波长作为测量标准，根据该波长与折射率函数关系解调出折射率。该方法相对于通过包层模对不同折射率的偏移量进行折射率传感解调方法，以及通过包层模的截止模式对不同折射率的偏移量进行折射率传感解调方法，能提供更高精度的解调；且易于用计算机程序和算法自动进行的解调方法。本发明方法可应用于光纤光栅折射率传感领域。

权利要求

1.一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量外界环境折射率大于或者等于倾斜光纤光栅的包层的折射率时的倾斜光纤光栅透射光谱，将其作为参考光谱；

(2)在需要进行传感解调的折射率变化的环境中，测量倾斜光纤光栅的透射光谱，将其作为传感测量光谱；

(3)用步骤(2)中得到的传感测量光谱减去步骤(1)中得到的参考光谱，得到解调光谱；

(4)根据解调光谱中的包层模式透射光谱强度，设定一个阈值，从短波长至长波长开始计算，第一个达到设定阈值的波长记作截止波长；

(5)测量出截止波长与外界环境折射率之间的函数曲线，对倾斜光纤光栅截止波长在不同折射率下响应系数进行标定；

(6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与外界环境折射率之间的函数曲线关系以及待测环境下的透射光谱差谱，对需要进行传感解调的折射率变化的环境的折射率进行解调。

2.根据权利要求1所述的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，步骤(1)中，所述外界环境折射率大于或等于包层的折射率，指的是环境中的折射率大于等于倾斜光纤光栅的包层的折射率，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗。

3.根据权利要求1所述的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的包层模式透射光谱调制强度随环境折射率的增大自短波长开始而逐渐减小，调制强度开始发生减小的波长位置随环境折射率的增大而向长波长方向偏移。

4.根据权利要求1所述的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的阈值k选取为n

5.根据权利要求1所述的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的截止波长采用计算机或手动方式确定：首先设定误差范围，再对解调光谱进行插值，使得解调光谱的离散间隔小于误差值，从短波长至长波长方向，使得解调光谱中包层模式强度减去阈值k的差值小于误差值，该强度对应的波长即为截止波长。

6.根据权利要求1所述的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其特征在于，所述倾斜光纤光栅是基于飞秒激光制备的。

说明书

一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种适用于倾斜光纤光栅的折射率传感的解调方法。

背景技术

[0002] 在光纤光栅折射率传感中，目前主要采用通过测量倾斜光纤光栅透射谱中的包层模波长在不同折射率的偏移和测量包层模的截止模式波长在不同折射率的偏移这两种方法进行折射率传感解调。通过包层模对不同折射率的偏移量不同的解调方法主要是，先测定倾斜光纤光栅透射谱中的包层模波长在不同折射率环境下的偏移量，进一步根据偏移量与折射率之间的函数关系解调出待测介质的折射率。通过包层模的截止模式对不同折射率的偏移量不同的解调方法主要是，先测定倾斜光纤光栅透射谱中的包层模的截止模式波长在不同折射率环境下的偏移量，进一步根据偏移量与折射率之间的函数关系解调出待测介质的折射率。

[0003] 通过包层模对不同折射率的偏移量进行折射率传感解调实现简单，但灵敏度低(小于30nm/RIU)，分辨率低(在光谱仪分辨率为0.02nm条件下，分辨率为10-4RIU量级)。通过包层模的截止模式的解调方法折射率灵敏度高，可达到574nm/RIU。但是由于包层模式是离散的，在折射率引起的包层截止模式波长变化处于两个包层模式中间时很难测量，因此所能测量的折射率变化分辨率受限制。此外对不同折射率的偏移量进行折射率传感时，没有给出判定截止模式的具体标准，在判定截止模式的时候存在误差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，其采用折射率传感时倾斜光纤光栅的透射谱减去包层模被压制的光滑透射谱得到差谱，作为解调光谱，在解调光谱中设定阈值用于判定截止波长，再根据截止波长与介质折射率的函数关系解调出折射率。该方法不仅解调精度高，而且截止波长可以很方便的通过计算机或者其他算法得到。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

[0006] 本发明提供的一种基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，包括以下步骤：

[0007] (1)测量外界环境折射率大于或者等于倾斜光纤光栅的包层的折射率时的倾斜光纤光栅透射光谱，将其作为参考光谱；

[0008] (2)在需要进行传感解调的折射率变化的环境中，测量倾斜光纤光栅的透射光谱，将其作为传感测量光谱；

[0009] (3)用步骤(2)中得到的传感测量光谱减去步骤(1)中得到的参考光谱，得到解调光谱；

[0010] (4)根据解调光谱中的包层模式透射光谱强度，设定一个阈值，从短波长至长波长开始计算，第一个达到设定阈值的波长记作截止波长；

[0011] (5)测量出截止波长与折射率之间的函数曲线，对倾斜光纤光栅截止波长在不同折射率下响应系数进行标定；

[0012] (6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与折射率之间的函数曲线关系以及待测环境下的透射光谱差谱，对需要进行传感解调的折射率变化的环境的折射率进行解调。

[0013] 上述技术方案中，还有进一步限定的方案。

[0014] 进一步的，步骤(1)中，所述外界环境折射率大于或等于包层的折射率，指的是环境中的折射率大于等于倾斜光纤光栅的包层的折射率，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗。

[0015] 进一步的，步骤(4)中，所述的包层模式透射光谱调制强度随环境折射率的增大自短波长开始而逐渐减小，调制强度开始发生减小的波长位置随环境折射率的增大而向长波长方向偏移。

[0016] 进一步的，步骤(4)中，所述的阈值k可以选取为n

[0017] 进一步的，步骤(4)中，所述的截止波长采用计算机确定：首先设定误差范围，再对解调光谱进行插值，使得解调光谱的离散间隔小于误差值，从短波长至长波长方向，使得解调光谱中包层模式强度减去阈值k的差值小于误差值，该强度对应的波长即为截止波长。

[0018] 进一步的，所述倾斜光纤光栅是基于飞秒激光制备的

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0020] 本发明提供的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，将倾斜光纤光栅所处环境折射率大于或者等于包层折射率时的透射光谱作为参考光谱，解调时用传感测量光谱减去倾斜光纤光栅的参考光谱得到差谱，作为解调光谱，在解调光谱中设定阈值用于判定截止波长，解调光谱中相对透射强度等于阈值时的最短波长记作截止波长，再根据截止波长与介质折射率的函数关系解调出折射率。该方法与现有技术相比，截止波长的识别简单，准确，易于实现计算机自动识别，折射率传感的解调精度高。

[0021] 进一步的，本发明解决了通过包层模对不同折射率的偏移量进行折射率传感解调灵敏度低(小于30nm/RIU)，分辨率低(在光谱仪分辨率为0.02nm条件下，分辨率为10-4RIU量级)的问题；本发明采用的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法能够实现精度高达949.9nm/RIU。

[0022] 进一步的，本发明相对于现有技术通过包层模的截止模式的解调方法灵敏度达574nm/RIU，包层模式是离散的，在折射率引起的包层截止模式波长变化处于两个包层模式中间时很难利用该方法测量，因此所能测量的折射率变化分辨率受限制的问题；此外由于包层模式不仅调制度发生变化，包层模波长位置也发生偏移，截止模式的判别算法比较复杂。本发明的解调方法，在对不同折射率的偏移量进行折射率传感时，通过设定阈值的方法能够通过计算机程序或算法对截止波长进行自动识别，判定方法简单，容易进行定量判定。

附图说明

[0023] 图1是环境折射率分别为1.4578时，倾斜光纤光栅的透射光谱；

[0024] 图2是环境折射率为1.4401时的倾斜光纤光栅透射光谱图；

[0025] 图3是选取阈值为0.1dB时的解调光谱图；

[0026] 图4是选取阈值为0.1dB时，环境折射率和截止波长的对应关系；

[0027] 图5是选取阈值为0.3dB时的解调光谱图；

[0028] 图6是选取阈值为0.3dB时，环境折射率和截止波长的对应关系；

[0029] 图7是选取阈值为0.9dB时的解调光谱图；

[0030] 图8是选取阈值为0.9dB时，环境折射率和截止波长的对应关系。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0032] 为了更加清晰说明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0033] 本发明的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法，具体按照以下步骤进行：

[0034] (1)将进行折射率传感的倾斜光纤光栅折射率传感器置于折射率可变的环境中，并同时测量倾斜光纤光栅的透射谱，通过改变环境折射率大于或等于光纤包层折射率，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗，透射谱显示为一条光滑的曲线，保存此时的透射光谱作为参考光谱。

[0035] 上述倾斜光纤光栅是基于飞秒激光制备的。

[0036] (2)在需要进行传感解调的待测介质中，测量倾斜光纤光栅的透射光谱，将其作为传感测量光谱。

[0037] (3)解调时，用步骤(2)中得到传感测量光谱减去步骤(1)中保存的参考光谱，得到解调光谱。

[0038] (4)根据解调光谱中的包层模的幅值，设定一个阈值k，阈值k可以选取为n

[0039] 以阈值的大小为标准画一条虚线，从短波长至长波长方向，第一个与虚线相交的包层模对应的波长记作截止波长，不同的截止波长对应着环境中不同的折射率，可以进行折射率解调。

[0040] 截止波长采用计算机或手动方式确定：首先设定误差范围，再对解调光谱进行插值，使得解调光谱的离散间隔小于误差值，从短波长至长波长方向，使得解调光谱中包层模式强度减去阈值k的差值小于误差值，该强度对应的波长即为截止波长。

[0041] (5)测量出截止波长与折射率之间的函数曲线，对倾斜光纤光栅截止波长在不同折射率下响应系数进行标定。

[0042] (6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与折射率之间的函数曲线关系以及待测环境下的透射光谱差谱，对需要进行传感解调的折射率变化的环境的折射率进行解调。

[0043] 下面通过几个具体实施例来对本发明做进一步详细描述：

[0044] 本发明适用于各种倾斜光纤光栅折射率传感解调，本实施例选用飞秒激光加工的倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅进行实验，在解调光谱中以不同阈值进行截止波长的选取。

[0045] 实施例1

[0046] 本实施例以倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅为例进行实验，在解调光谱中以0.1dB为阈值进行截止波长的选取，具体如下：

[0047] 原始材料：飞秒激光制备的倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅。

[0048] 折射率传感解调步骤详细实施方式阐述如下：

[0049] (1)将进行折射率传感的倾斜光纤光栅折射率传感器置于折射率可变的环境中，并同时测量倾斜光纤光栅的透射谱，通过改变环境折射率到达1.4578，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗，透射谱显示为一条光滑的曲线，见图1，保存该透射光谱作为参考光谱；

[0050] (2)当改变环境折射率为1.4401时，测量倾斜光纤光栅折射率传感器的透射光谱，将其作为传感测量光谱，见图2；

[0051] (3)用步骤(2)中得到传感测量光谱(图2)减去步骤(1)中保存的参考光谱(图1)得到的差谱，记作解调光谱，见图3；

[0052] (4)根据解调光谱(图3)的包层模相对透射强度，设定一个阈值k为0.1dB，见图3中的1，阈值的大小在包层模最大幅值和最小幅值之间，以阈值的大小为标准画一条虚线，从短波长至长波长方向，第一个达到设定阈值的透射强度对应波长记作该折射率下的截止波长，见图3中的2，该截止波长即对应折射率为1.4401的环境；

[0053] (5)分别改变介质折射率为1.4125RIU，1.416RIU，1.4205RIU，1.4251RIU，1.4324RIU，1.4346RIU，1.4392RIU，1.4435RIU，1.4487RIU，1.4532RIU，1.4552RIU，并测量出不同折射率下的截止波长进行标定。阈值为0.1dB下的折射率和截止波长对应关系，见图
4。

[0054] (6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与折射率之间的函数曲线关系为：Y＝423.675-281.185X(外界环境折射率范围为1.4125～1.4435)，Y＝1389.557-949.878X(外界环境折射率范围为1.4435～1.4552)，式中Y为截至波长的偏移量，X为待测未知环境折射率。解调精度可达到949.878nm/RIU。

[0055] 实施例2

[0056] 本实施例以倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅为例进行实验，在解调光谱中以0.3dB为阈值进行截止波长的选取，具体如下：

[0057] 原始材料：飞秒激光制备的倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅。

[0058] 折射率传感解调步骤详细实施方式阐述如下：

[0059] (1)将进行折射率传感的倾斜光纤光栅折射率传感器置于折射率可变的环境中，并同时测量倾斜光纤光栅的透射谱，通过改变环境折射率到达1.4578，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗，透射谱显示为一条光滑的曲线，见图1，保存该透射光谱作为参考光谱；

[0060] (2)当改变环境折射率为1.4401时，测量倾斜光纤光栅折射率传感器的透射光谱，将其作为传感测量光谱，见图2；

[0061] (3)用步骤(2)中得到传感测量光谱(图2)减去步骤(1)中保存的参考光谱(图1)得到的差谱，记作解调光谱，见图5；

[0062] (4)根据解调光谱(图5)的包层模相对透射强度，设定一个阈值为0.3dB，见图5中的3，阈值的大小在包层模最大幅值和最小幅值之间，以阈值的大小为标准画一条虚线，从短波长至长波长方向，第一个达到设定阈值的透射强度对应波长记作该折射率下的截止波长，见图5中的4，该截止波长即对应折射率为1.4401的环境；

[0063] (5)分别改变介质折射率为1.4125RIU，1.416RIU，1.4205RIU，1.4251RIU，1.4324RIU，1.4346RIU，1.4392RIU，1.4435RIU，1.4487RIU，1.4532RIU，1.4552RIU，并测量出不同折射率下的截止波长进行标定。阈值为0.3dB下的折射率和截止波长对应关系，见图
6。

[0064] (6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与折射率之间的函数曲线关系为：Y＝479.764-321.845X(外界环境折射率范围为1.416～1.4435)，Y＝1374.859-941.715X(外界环境折射率范围为1.4435～1.4552)，式中Y为截至波长的偏移量，X为待测未知环境折射率。解调精度可达到941.715nm/RIU。

[0065] 实施例3

[0066] 本实施例以倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅为例进行实验，在解调光谱中以0.9dB为阈值进行截止波长的选取，具体如下：

[0067] 原始材料：飞秒激光制备的倾斜角度为3.8°倾斜光纤光栅。

[0068] 折射率传感解调步骤详细实施方式阐述如下：

[0069] (1)将进行折射率传感的倾斜光纤光栅折射率传感器置于折射率可变的环境中，并同时测量倾斜光纤光栅的透射谱，通过改变环境折射率到达1.4578，使得倾斜光纤光栅中的包层模式响应产生的光谱调制消失，透射谱中只有包层模式引起缓变透射损耗，透射谱显示为一条光滑的曲线，见图1，保存该透射光谱作为参考光谱；

[0070] (2)当改变环境折射率为1.4401时，测量倾斜光纤光栅折射率传感器的透射光谱，将其作为传感测量光谱，见图2；

[0071] (3)用步骤(2)中得到传感测量光谱(图2)减去步骤(1)中保存的参考光谱(图1)得到的差谱，记作解调光谱，见图7；

[0072] (4)根据解调光谱(图7)的包层模相对透射强度，设定一个阈值为0.9dB，见图7中的5，阈值的大小在包层模最大幅值和最小幅值之间，以阈值的大小为标准画一条虚线，从短波长至长波长方向，第一个达到设定阈值的透射强度对应波长记作该折射率下的截止波长，见图7中的6，该截止波长即对应折射率为1.4401的环境；

[0073] (5)分别改变介质折射率为1.4125RIU，1.416RIU，1.4205RIU，1.4251RIU，1.4324RIU，1.4346RIU，1.4392RIU，1.4435RIU，1.4487RIU，并测量出不同折射率下的截止波长进行标定。阈值为0.9dB下的折射率和截止波长对应关系，见图8。

[0074] (6)根据步骤(5)中测量得到的截止波长与折射率之间的函数曲线关系为：Y＝704.062-479.631X(外界环境折射率范围为1.4251～1.4487)，式中Y为截至波长的偏移量，X为待测未知环境折射率。解调精度可达到479.631nm/RIU。

[0075] 从上述实施例可以看出，本发明采用的基于截止波长的光纤光栅折射率传感解调方法解调精度最高可达949.9nm/RIU。