摘 要：研究了长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG，且FBG波谷位于1 551.9 nm，LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30～50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试，并在25℃超净环境下对浓度为3%～30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明：升温过程FBG中心波长发生红移，灵敏度26.36 pm/℃，线性度0.950 8；LPFG中心波长发生蓝移，灵敏度-24.55 pm/℃，线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移，灵敏度25.00 pm/℃，线性度0.945 8；LPFG中心波长发生红移，灵敏度为-21.82 pm/℃，线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感，当浓度由3%增至30%时，LPFG中心波长发生蓝移，灵敏度196.36 pm，线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现温度和浓度的测量。
关键词：LPFG；飞秒激光加工；FBG； 双参数测量； 温度传感特性； 浓度传感特性
Abstract:A dual-grating cascade structure based on long period fiber grating (LPFG)cascaded with fiber Bragg grating (FBG)for temperature and concentration measurement has been proposed.The proposed fiber sensor was cascaded by LPFG micromachined by the femtosecond laser and FBG,and the transmission spectrum has two valleys,namely FBG valley at 1 551.9 nm and LPFG valley at 1 560.5 nm.The temperature and concentration sensing characteristics of the proposed sensor were measured at 30-50℃and 3%-30%,respectively.The experimental results show that when the temperature rises,the FBGshows red shift with increasing wavelength,the sensitivity is 26.36 pm/℃,and the linearity is 0.950 8;on the contrast,the LPFG shows blue shift with decreasing wavelength,the sensitivity is-24.55 pm/℃,and the linearity is 0.914 2.When the temperature falls,the FBG shows blue shift with decreasing wavelength,the sensitivity is 25.00 pm/℃,and the linearity is 0.945 8;the LPFG shows red shift with increasing wavelength,the sensitivity is-21.82 pm/℃,and the linearity is 0.921 2.The FBG is not sensitive to the concentration variation.When the glucose concentration rises from 3%to 30%,the LPFG shows blue shift with decreasing wavelength,the sensitivity is 196.36 pm,and the linearity is 0.956 5.The proposed sensor has high sensitivity and good linearity for dual-parameter measurements.
Key words:long period fiber grating; femtosecond laser micromachining; fiber Bragg grating;dual-parameter measurements; temperature sensing characterization;concentration sensing characterization
0 引 言
光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的新型传感技术，通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声振动、角速度等多种参量的测量[1-2]。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等优点[3-4]，近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一[5-6]。与传统的机电或电子传感器相比，光纤传感器更符合现代生物传感技术的需求，具有重要的学术价值和应用前景[7-8]。
然而，目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在。近年来，对于双参数测量传感器的研究也受到研究者的广泛青睐[9-10]。2012年葡萄牙C.Gouveia等人利用高双折射光纤制作了能够同时传感折射率和温度的光栅腔传感器，通过分别测量干涉条纹对比度和波长漂移变化来解调折射率和温度的变化，温度灵敏度达到10.52 pm/℃和 10.13 pm/℃[11]。 2014年 Jianying Yuan等人利用长周期光纤光栅与Sagnac干涉环串联，实现了温度及折射率的同时测量，折射率灵敏度为16.864 nm/RIU，温度灵敏度为 1.533 nm/℃[12]。2015年，简水生课题组提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统，可以分别实现4.304 8με及0.456 2℃的应力与温度传感测量分辨率[13]。2016年，Shengnan Wu等人通过FBG连接侧面开口的光纤F-P腔，并应用于气体压力和温度的测量，气体压力灵敏度分别为4.063 pm/kPa和 4.071 pm/kPa，温度交叉敏感度为214 Pa/℃和204 Pa/℃[14]。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤和长周期光纤光栅的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其温度灵敏度1.2 nm/℃，环境折射率灵敏度为15 nm/RIU[15]。
葡萄糖(Glucose)是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛，在生物学领域具有重要地位，是活细胞能量来源和新陈代谢中间产物，即生物主要供能物质[16]。浓度是描述溶液特性的重要参数，对浓度的测量和控制在工业生产和科学研究等各个领域都有着极为普遍的应用[17]。文中以Corning公司SMF-28单模光纤为研究对象，以葡萄糖溶液的浓度和活性温度范围为测量对象，利用飞秒激光逐线写入方式加工LPFG并与FBG级联，制成温度和浓度双参数光纤传感器。分别搭建温度和应变测试系统，对该传感器的双参数测量进行数据分析与误差处理。
1 光纤传感器工作原理
文中使用Corning公司SMF-28光纤进行飞秒激光刻写制作LPFG，并与FBG级联组成双参数光纤传感器。当环境参数发生变化时，光栅周期、栅距等会发生改变，级联结构的透射谱波长也将随之发生漂移。
设外界温度为T，低耦合强度的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏性可表示为：
式中：λL为干涉条纹波长；Δm为光纤差分有效群折射率；Δneff=nco-Δn(p)cl为光纤纤芯与包层的有效折射率之差，是光纤的热膨胀系数。
FBG反射波长的温度灵敏度为：
式中：λB为FBG的干涉条纹波长；ζT为光纤的热光系数。
由公式(1)和公式(2)可知，相同温度变化条件下，LPFG与FBG对于温度变化的灵敏度不同，二者的波长漂移量也不同，不存在串扰。
根据耦合模理论，LPFG纤芯传输的基模能量可耦合到同向传输的包层模中，而FBG的光场主要是沿纤芯传输。当外界折射率变化时，LPFG的包层模式有效折射率也会发生改变，引起谐振波长的移动，实现溶液浓度测量，而FBG无法直接感知外界折射率的变化。故在进行浓度测量时，级联结构的两支光栅之间不存在串扰。
设LPFG包层折射率为n2，当外界环境折射率从 n3变为n′3时，LPFG谐振波长的漂移量可表示为：
式中；r2为包层半径；U∞为0阶第一类贝塞尔函数J0的m阶根。
设外界温度T和浓度p发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化与温度变化ΔT、浓度变化Δp存在如下相关关系：
式中：K11、K12分别为LPFG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数；K21、K22分别为FBG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数，且由于FBG无法感知外界溶液浓度，故K22=0。
由公式(4)可得，LPFG与FBG的温度、浓度、波长漂移存在如下关系：
对公式(5)求其逆矩阵，可得：
由公式(6)可知，若测得该光纤传感器对温度与浓度变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入公式(6)计算求解，实现温度与浓度的无串扰双参数监测与测量。
2 光纤传感器的制备
实验采用Corning公司SMF-28单模光纤，将光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上。将飞秒激光功率设为50μW，加工速度10 m/s，光栅周期200μm，占空比为 0.5，实验中，刻写 50个周期。将所制备的LPFG级联FBG结构接入1×2耦合器连接光谱仪和光源，采用Yokogawa AQ6375光谱仪(1 200～2 400 nm)，最小分辨精度为0.02 nm。传感介质分别为空气、水、浓度30%的葡萄糖溶液，1 540～1 600 nm波段内的透射光谱如图1所示。
图1 双光栅级联结构透射谱图
Fig.1 Transmission spectrums of the dual-grating cascade structure
由于LPFG的滤波作用，该级联光纤传感器光谱范围内出现两个明显波谷。传感介质变化时，FBG波谷位置为1 551.9 nm且保持位置不变；LPFG 波谷位置分别为 1 560.5、1 581.8、1 587.8 nn，对介质的变化更为敏感。实验选取FBG和LPFG的波谷作为检测点，对两处波长漂移进行解调，验证该级联光栅结构的双参数传感特性。
3 双参数特性
3.1 温度特性
为保证实验环境的洁净度与温湿度，文中实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。
将LPFG级联FBG光纤传感结构固定在水浴槽中，使用精密温控单元进行加热和降温。考虑到葡萄糖的生物特性，当环境温度高于50℃时，细胞易失活，故待测温度范围为30～50℃，步长2℃，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。
升温过程双光栅级联结构透射光谱如图2所示，其中，图2(a)为1 551～1 565 nm光谱范围内透射光谱随温度变化图，为清晰计，分别取起始温度30℃、终止温度50℃进行分析。结合实验数据可知，在20℃温度变化范围内，FBG波长漂移0.6 nm，LPFG波长漂移0.4 nm。图2(b)与图2(c)分别为FBG与LPFG的波长漂移细节图。由图中可知，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度升高均有漂移，但变化趋势相异。当温度升高时，FBG波谷位置发生红移，LPFG波谷位置发生蓝移。
相似地，降温过程双光栅级联结构透射光谱如图3所示，整体图、FBG细节图、LPFG细节图分别如图3(a)～(c)所示。结合实验数据可知，在20℃温度变化范围内，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度降低均有漂移，但变化趋势相异。其中，FBG波长漂移0.6 nm，LPFG波长漂移0.4 nm，当温度降低时，FBG波谷位置发生蓝移，LPFG波谷位置发生红移。
图2 升温过程双光栅级联结构透射光谱图
Fig.2 Transmission spectrums of the dual-grating cascade structure when temperature rises from 30℃ to 50℃
图3 降温过程双光栅级联结构透射光谱图
Fig.3 Transmission spectrums of the dual-grating cascade structure when temperature falls from 30℃ to 50℃
以温度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图4所示的升温、降温过程温度响应特性曲线，其中，图4(a)为FBG温度传感特性曲线，图4(b)为LPFG温度传感特性曲线。
图4 双光栅级联结构温度传感特性曲线
Fig.4 Temperature sensing characterization curve of the dual-grating cascade structure
由实验结果可知，当温度由30℃升至50℃时，FBG中心波长线性增加，灵敏度26.36 pm/℃，线性度0.950 8；LPFG中心波长线性减小，灵敏度-24.55 pm/℃，线性度0.914 2。当温度由50℃降至30℃时，FBG中心波长线性减小，灵敏度25.00 pm/℃，线性度0.945 8；LPFG中心波长线性增加，灵敏度为-21.82 pm/℃，线性度0.921 2。具体参数列入表1中。
表1 双光栅级联结构温度传感特性参数
Tab.1 Char acter isitc paramenters of temper ature sensing of the dual-grating cascade structur e
3.2 浓度特性
采用纯度为99.9%的葡萄糖在室温环境中配置不同浓度待测溶液，浓度范围3%～30%。双光栅级联结构由夹持器固定，浸入不同浓度的葡萄糖溶液中，监测双光栅级联结构在不同浓度葡萄糖溶液中的敏感情况。不同浓度葡萄糖溶液中双光栅级联结构透射光谱及LPFG部分细节图如图5所示。结合实验数据可知，当葡萄糖溶液浓度变化时，FBG波长不漂移。当浓度升高时，LPFG波谷位置发生蓝移。
图5 不同浓度下双光栅级联结构透射光谱图
Fig.5 Transmission spectrums of the dual-grating cascade structure under different concentration
以浓度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图6所示的浓度传感特性曲线。
图6 双光栅级联结构浓度传感特性曲线
Fig.6 Concentration sensing characterization curve of the dual-grating cascade structure
由实验结果可知，当浓度由3%增至30%时，FBG中心波长不漂移，对浓度变化不敏感；LPFG中心波长线性减小，灵敏度196.36 pm，线性度0.956 5。具体参数列入表2中。
表2 双光栅级联结构葡萄糖溶液浓度传感特性系数
Tab.2 Glucose solution concentr ation sensing par ameters of the dual-gr ating cascade structur e
综上所述，该双光栅级联结构中，LPFG对温度和浓度都敏感，FBG仅对温度敏感。其中，温度范围 30～50℃时，FBG的升温与降温灵敏度分别为26.36 pm/℃和 25.00 pm/℃，LPFG的升温与降温灵敏度分别为-24.55 pm/℃和-21.82 pm/℃。浓度范围 3%～30%时，FBG的浓度灵敏度为 0，LPFG的浓度灵敏度为196.36 pm。由于存在回程误差，对上述参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入公式(6)，可以得到该光纤传感器的温度应变传感矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该光纤传感器的波长变化值，代入双参数传感矩阵公式(7)，即可实时解算环境温度与待测浓度，实现对葡萄糖溶液的温度和浓度双参量动态测量。
4 结论
文中介绍了基于飞秒激光直写加工双光栅级联结构实现葡萄糖溶液温度和浓度双参数实时监测的光纤传感器，并对该传感器温度和浓度传感特性进行了研究，建立了该光纤传感器温度/浓度与光谱特征位置波长变化之间的无串扰双参数传感数学模型，通过双参数灵敏度系数矩阵便可以实时解算环境温度和浓度。实验结果表明，温度范围30～50℃时，LPFG的升温与降温灵敏度分别为-24.55 pm/℃和-21.82 pm/℃，FBG的升温与降温灵敏度分别为 26.36 pm/℃和25.00 pm/℃；浓度范围3%～30%时，FBG的浓度灵敏度为0，LPFG的浓度灵敏度为196.36 pm。文中提出的双光栅级联结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段，同时，文中对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。
