基于飞秒激光制造的平行光纤布拉格光栅的磁场矢量和温度传感技术

《Sensors and Actuators A: Physical》：Magnetic field vector and temperature sensing based on parallel fiber Bragg gratings fabricated by femtosecond laser

光纤布拉格光栅传感器通过飞秒激光微加工在纤芯和包层表面分别制作p-by-p和pl-by-pl FBG，利用磁流体的折射率变化检测磁场方向和强度（灵敏度0.221 dB/mT），并利用相同温度响应的纤芯FBG实现温度补偿，实现双参数紧凑测量。

　　

刘宝源|郭家豪|张卫光|王伟|张雄兴

西安工业大学国防科学技术学院，中国西安710021

摘要

为了解决光纤布拉格光栅对折射率（RI）不敏感的问题，本研究使用飞秒激光微加工技术在光纤的包层表面制备了平面-平面（pl-by-pl）方式的包层表面FBG（CLSFBG），并在光纤芯层制备了点-点（p-by-p）方式的FBG，使这两个FBG相互平行。首先进行了实验以验证传感器对RI的响应。结果发现CLSFBG能够响应外部环境的RI变化，而芯层中的FBG则没有这种响应。基于此，将传感器封装在磁场强度可变的磁流体（MF）环境中。进一步实验表明，封装在MF中的传感器能够确定磁场方向并对磁场强度作出响应，其磁场灵敏度为0.221 dB/mT。最后对传感器进行了温度响应测试，结果表明CLSFBG和普通FBG具有相同的温度响应特性，温度灵敏度为10.74 pm/℃。因此，FBG可以作为温度补偿部分，使传感器能够同时测量磁场和温度。

引言

光纤布拉格光栅（FBG）传感器具有高灵敏度和优异的抗电磁干扰能力，因此在通信[1]、生物医学[2][3]、化学[4]和航空航天[5][6]等领域具有广泛的应用前景。正因如此，直接使用光纤本身进行电磁场传感具有挑战性[7]。这也是为什么之前关于FBG传感器在磁场传感方面的研究相对较少的原因。通常情况下，多模干涉（MMI）结构被用于此类测量[8]。此外，传统上制备在光纤芯层中的FBG在矢量磁场检测方面存在根本性限制，因为它们具有轴对称性且对方向场分量的灵敏度不足。

在以往的研究中，开发的光纤磁场传感器大多基于具有磁化效应的磁流体（MF），而基于磁致伸缩材料的传感器较少[9]。在这里，首先制备了光纤干涉仪（如级联马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪[10][11][12]），然后将其封装并置于MF中作为磁场传感探头[13]。这是因为MF具有多种特殊性质，包括双折射、二向色性和可调折射率（RI）。MF是一种由磁性纳米颗粒均匀分散在合适液体载体（如水或油）中的胶体材料[14][15]。当传感器暴露在外加磁场中时，MF的折射率会发生变化。通过分析干涉波长的变化或光纤传感器的输出光强度，可以确定磁场的强度。

为了探索FBG在磁场传感应用中的更多可能性，本文制备了一种用于测量磁场和温度的双参数传感器。该传感器由一个基于芯层的FBG和一个与其平行的包层表面光纤布拉格光栅（CLSFBG）组成。这两种FBG都是使用飞秒激光在单模光纤（SMF）中制备的。不同之处在于，CLSFBG是通过首先从芯层开始制备波导并连接到包层表面，然后使用平面-平面（pl-by-pl）方法在波导上制备FBG实现的。这样，CLSFBG更接近光纤的外部环境，因此对外部环境折射率的变化更为敏感。另一个FBG是使用点-点（p-by-p）方法在芯层中制备的三阶布拉格光栅，它与CLSFBG平行，不受外部环境折射率变化的影响。通过将传感器封装在MF中，对传感器对磁场方向、磁场强度和温度的响应进行了实验测试。结果表明，该传感器可以实现磁场矢量传感，因为CLSFBG打破了光纤的圆对称性，并且对磁场强度具有相对较好的灵敏度。由于芯层FBG和CLSFBG具有相同的温度灵敏度响应特性，芯层FBG可以作为传感器的温度补偿部分。因此，所提出的传感器可以实现双参数测量，并具有紧凑简单的结构。

制造与原理

图1(a)示意性地展示了所提出的与普通光栅平行的包层表面光栅的配置和制造过程。最初，使用商用飞秒激光器（aero PULSE FS50，NKT Photonics）和三维精密位移平台（Newport）在单模光纤（SMF，Corning SMF-28e+）上刻制了包层波导。该包层表面的波导由一个倾斜部分和一个直线部分组成

折射率响应测量

通过将传感器置于具有不同折射率的匹配液体中，并将光谱与在空气中获得的光谱进行比较，我们可以判断所提出的结构是否会对折射率的变化作出响应。随后，我们可以决定是否可以在下一步将其用作磁场传感器。来自SLD宽带光源（Thorlabs，S5FC1550SA2）的光被连接到制备好的传感器上，该光源的中心波长为1568 nm，带宽为90 nm

结论

本研究介绍了一种用于测量磁场和温度的微型双参数传感器。该传感器由一个与芯层FBG平行的CLSFBG组成，通过飞秒激光微加工技术制造。在这种配置中，从芯层提取出一个包层波导，将部分光线导向包层表面。CLSFBG光栅使用平面-平面（pl-by-pl）方法在波导上刻制，另一个FBG则...

作者贡献声明

刘宝源：撰写、审稿与编辑、概念构思。张雄兴：可视化、资金获取。王伟：可视化、监督、资金获取。张卫光：撰写、审稿与编辑、资源管理。郭家豪：软件开发、数据分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国陕西省重点研发计划（项目编号2023-GHZD-52和2024GX-YBXM-041）的支持。

刘宝源，出生于1977年，目前担任西安工业大学国防科学技术学院的讲师。他的主要研究领域包括光电测试技术、光信息处理技术、计算成像技术和量子成像技术。