Fabrication of Long-Period Fiber Gratings on Double-Clad Fiber using CO2 Laser and their Responses to Various Physical Parameters

Abstract

Here we report an optical fiber sensor capable of performing various physical parameters measurements using a long-period fiber grating (LPFG) inscribed on double-clad fiber (DCF) with a 10.6 μm CO2 laser. The LPFG inscribed on DCF, referred to as DCF-LPFG, exhibited multiple resonance dips with different cladding-mode orders, and two of them were selected as sensor indicators. The physical parameters measured are bending, strain, torsion, and temperature. The measured bending sensitivities of the sensor indicators were approximately -4.422 and -21.88 nm/m-1 in a bending curvature range of 0.0 to 1.22 m−1. The measured strain sensitivities of the sensor indicators were approximately -0.171 and 5.029 pm/με in a strain range of 0 to 2000 με. The measured torsion sensitivities of the sensor indicators were approximately 114.80 and 56.04 pm/(rad/m) in a twist angle range of 180 to 180, and their temperature sensitivities were measured as ~67.70 and ~67.44 pm/°C in a temperature range of 25 to 100 C. The DCF-LPFG response from the measurement of four physical parameters showed good performance and shows a sensitive and insensitive response. This sensor head potentially simultaneously measures two or more physical parameters for future work. The proposed DCF-LPFG is expected to be beneficial as a compactly embedded and electrically passive cost-effective sensor head for structural health monitoring in various industrial trial applications.

Keywords: Long-period fiber grating, double-clad fiber, Optical fiber sensor, bending, strain, torsion, temperature.|우리는 다양한 물리적 매개변수들을 측정하기 위해 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber : 이하 DCF)에 10.6 μm의 장주기 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG)를 각인한 광섬유 센서를 제안한다. DCF에 각인된 LPFG를 앞으로 DCF-LPFG라 언급하며, 다른 cladding-mode로 인한 다양한 공진 딥(resonance dip)들이 존재하며 그들 중 2개의 공진 딥을 센서의 지시자로 선택하였다. 측정된 물리적 파라미터는 벤딩, 변형, 비틀림 및 온도이다. 측정된 센서 지표의 굽힘 민감도는 굽힘 곡률 범위 0.0 ~ 1.22 m-1에서 약 -4.422 및 -21.88 nm/m-1로 측정되었다. 측정된 센서 지시딥의 당김에 대한 민감도는 0 ~ 2000 μm 범위에서 약 -0.171 pm/μm 및 5.029 pm/μm로 나타났다. 비틀림에 대한 민감도는 -180° ~ +180° 범위 내에서 114.80 and 56.04 pm/(rad/m)의 민감도를 나타났으며, 25°C ~ 100°C 온도 범위에서는 ~67.70 and ~67.44 pm/°C의 민감도로 측정되었다. 네개의 물리적 매개변수를 측정한 결과 DCF-LPFG 응답은 양호한 성능을 보였으며 민감하고 둔감한 응답을 보였다. 이 센서 헤드는 잠재적으로 향후 작업을 위해 두 개 이상의 물리적 파라미터를 동시에 측정할 것이다. 제안된 DCF-LPFG는 다양한 산업 현장에서 비용적인 이점이 충분한 센서 헤드로써 건물 구조의 안전성 진단에 유용하게 사용 될 것이라 기대한다.