螺旋型长周期光纤光栅传感器的制备及其特性研究
摘要
螺旋结构光纤光栅作为一种新型的具有特殊调制的光纤光栅结构，其折射率调制分
布呈螺旋状，与普通调制的长周期光纤光栅相比，光的传输形式相近，但在物理构造与
原理机制方面具有其特殊性。得益于螺旋型结构在传感方面表现出的优异性能，在扭转、
应变、折射率、液位等参数测量方面有着应用潜力和发展前景。
本文围绕着螺旋型光纤光栅展开，提出了一种基于高频CO激光器预处理及氢氧焰
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加热拉伸，应用于光纤螺旋结构的制备方法。第一步利用高频CO激光脉冲对包层的几
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何形状进行刻蚀，获得经过结构设计的预处理光纤结构。第二步在预处理结构的基础上
纤芯受到拉伸的作用力，纤芯结构发生微弯形变。
基于这种制备方法，制备了两种螺旋型长周期光纤光栅传感器。其中一种为周期性
螺旋结构长周期光纤光栅（HelicalStyleLongPeriodFiberGrating,HS-LPFG），该结构
经过多面的折射率调制，获得朝向不同的纤芯微弯，其调制平面的变化呈螺旋状。这种
螺旋状的调制方式使HS-LPFG在光纤径向和方位角方向上的折射率调制是不均匀的。实
验结果表明，在扭转测量中其最高灵敏度可达1.65nm/(rad/m)，是普通单面调制长周期
光纤光栅的50倍。由于HS-LPFG螺旋结构的旋度特征，具有相反旋度的结构表现出相反
的波长响应结果，能够判别扭转方向。此外，该传感器具有0.037rad/m/℃的低温度串扰，
有效减小了温度变化带来的误差。
利用该制备方法提出的另外一种应变传感器为螺旋芯长周期光纤光栅（HelicalCore
LongPeriodFiberGrating,HC-LPFG），具有周期性的螺旋芯变化。当光穿过螺旋纤芯的
结构部分时，由于微弯的影响光从纤芯向包层的散射得到增强并激发包层高阶模。从理
论研究和实验测试两方面对HC-LPFG进行了分析，并采用光束传播法对光纤结构进行了
模拟仿真。实验结果表明，对于应变测量，在0~400με范围内，HC-LPFG的最大应变灵
敏度为-97pm/με。在21.0~101.1℃温度范围内，HC-LPFG的温度灵敏度为41.52pm/℃。
基于该方法制备的螺旋型长周期光纤光栅实现了对纤芯结构的改变，以及光纤的螺
旋调制。由于部分能量从纤芯传输到包层中，在较短的传感长度内就可以获得高强度折
射率调制。利用该方法制备的螺旋型光纤传感器具有传感单元紧凑、机械强度高、灵敏
度高的优势，在传感器设计及制备方面具有应用前景。
关键词：长周期光纤光栅传感器；螺旋结构；扭转测量；应变测量
螺旋型长周期光纤光栅传感器的制备及其特性研究
ABSTRACT
Helicalstructurefibergratingisanewtypeoffibergratingstructurewithspecial
modulation,itsrefractiveindexmodulationdistributionishelical.Comparedwiththeordinary
modulationoflong-periodfibergrating,themodeoflighttransmissionissimilar,butthe
physicalstructureandprinciplemechanismhasitsspecialcharacteristics.Thankstothe
excellentperformanceofthehelicalstructureinthesense,ithasthepotentialtobeusedinthe
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