CN102053303A - 一种分布式传感光纤及其制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式传感光纤及其制备装置和方法。本发明的分布式传感光纤的外层为紫外透明涂覆层（1），内层为光纤纤芯；光纤纤芯上每相隔一段延迟光纤（4），连续分布着复数个物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构（2）。本发明的这种光纤作为分布式传感的检测载体，可有效地提高传感测量范围，增大传感的距离和密集度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制备和传感技术领域，这种弱布拉格反射周期结构光纤可作为分布式传感的检测载体，不仅可以提高传感的测量范围，而且分布式传感的距离和密集度都可以得到质的提高。
背景技术
近年来，分布式光纤传感（DOFS）受到人们越来越多的关注，已经成为目前国际上研究的热点。在目前的分布式光纤传感技术中，准分布式光纤布拉格光栅（FBG）复用技术源于自身对温度、应力、压力及振动等外界参量的高灵敏度传感功能，同时又具有体积小、动态区间宽、可靠性高等突出优点，成为目前光纤传感领域内最有力的竞争者，在许多工业和工程领域特别是恶劣环境或超大型的结构中有广泛的应用。
在传统的光栅复用传感系统中，大多采用单个高反射非同光栅单元熔融焊接的波分复用方法，系统损耗较大，光纤中各光栅单元占用一定的运行带宽和测量带宽，彼此间不能交叠，因此光栅复用数目受到宽带光源谱宽限制，一个阵列一般只能复用10个左右的光栅，不适于长距离检测；还有一种全同光栅复用技术，理论上复用数目不受光源带宽限制，但是由于传感光栅对特定波长完全反射，当出现两个或两个以上光栅的中心波长完全一致时，入射光完全被第一个光栅反射，后面光栅的信息都会丢失，实质上复用数目仍然有限。
目前光纤布拉格光栅的制作，是根据光敏光纤在193nm、244nm、334nm和351nm等紫外波长处有较强吸收峰的性质，使用紫外光经过相位掩模板扫描光纤，形成折射率周期变化结构的，但在刻写光栅前需要先剥除光纤涂覆层，光敏光纤在紫外光照射成栅后需二次涂覆，制备成本高，且性能及稳定性下降。
同时，传统光纤布拉格光栅的制备装置只针对单个光栅设计，每次只能刻写一个光纤光栅，而没有传动装置。分布式传感光栅光纤是将多个制备好的光栅通过延迟光纤依次串接而成。这种方法有以下缺点：首先每个光栅要单独制备，难以保证刻写条件的一致性，因此各个光栅单元的全同性难以达到。其次大量光栅串接的工艺实现较复杂，而且因光纤熔接带来的传输损耗较大，因此传感距离和复用容量受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，提出一种新颖的分布式传感光纤及其在线制备装置及方法，这种光纤作为分布式传感的检测载体，可有效地提高传感测量范围，增大传感的距离和密集度。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
一种分布式传感光纤，外层为紫外透明涂覆层，内层为光纤纤芯；光纤纤芯上每相隔一段延迟光纤，连续分布着复数个物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构。
所述的光纤，紫外透明涂覆层对波长为355nm的紫外光透明。
分布式传感光纤的制备装置，包括带有光纤夹具的第一光纤移动控制台、第二光纤移动控制台、第一电动控制器和第二电动控制器；第一电动控制器接至第一光纤移动控制台，第二电动控制器接至第二光纤移动控制台，分布式传感光纤夹持在第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台的光纤夹具上；分布式传感光纤在第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台之间的部分平行设置有相位掩模板，相位掩模板的外侧还设有发射紫外光的一维电动平移台，第二光纤移动控制台的外侧还设有与制好后的分布式传感光纤相连的光纤绞盘机。
所述的制备装置，在分布式传感光纤的首端设有可调谐激光器，分布式传感光纤的尾端设有光谱仪。
所述的制备装置，分布式传感光纤在第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台之间的部分接有光纤应力控制器。
分布式传感光纤的制备方法，分布式传感光纤固定在第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台之间,由光纤应力控制器拉紧分布式传感光纤并保证整个制备过程中分布式传感光纤始终受到同样的拉力作用；紫外光经过相位掩模板照射到分布式传感光纤固定在第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台之间的部分上，然后透过对紫外光透明的涂覆层聚焦在分布式传感光纤的纤芯上；一维电动平移台控制紫外光沿分布式传感光纤的方向移动，在光纤纤芯上形成折射率周期性分布的结构，即制得弱布拉格反射周期结构，同时，可调谐激光器发出波长不断变化的光波输入分布式传感光纤光纤中，经过弱布拉格反射周期结构透射的光波从分布式传感光纤输出至光谱仪，观察光谱仪上的光谱即可在线监测制备的弱布拉格反射周期结构的质量和性能；完成一个弱布拉格反射周期结构刻写后，第一电动控制器和第二电动控制器分别控制第一光纤移动控制台和第二光纤移动控制台的移动构成光纤连续传感装置，并与光纤绞盘机同步运动工作，拉动完成弱布拉格反射周期结构刻写的光纤段绕到光纤盘上，同时新的光纤段被拉动至紫外光扫描区域，再次重复以上过程完成下一个弱布拉格反射周期结构的刻写，如此重复多次之后，完成整个分布式传感光纤的在线制备。
该发明与现有技术相比，具有以下主要优点：
其一，全同弱布拉格反射周期结构的分布式传感光纤使光源整个带宽可以全部提供给分布式光纤沿线的任意周期结构，一方面可以大大提高传感的测量范围，另一方面分布式传感的距离和密集度都可以得到质的提高。
其二，弱布拉格反射周期结构的反射率和中心波长由折射率调制强度和周期结构长度决定，可以根据应用要求灵活设计。
其三，在线制备的光纤采用紫外透明涂覆层，在刻写弱布拉格反射周期结构时无需剥除光纤涂覆层，减少了制作完成后要立即进行二次涂覆的工艺复杂性和造成的光学特性不稳定性，大大简化了制作过程，降低了成本，具有较好的可实现性、稳定性和可重复性。
其四，分布式传感光纤上的各周期结构式是在相同条件下线连续在线制备的，既能保证稳定性和全同性，又能消除多个独立周期结构单元串接构成分布式光纤时的熔接损耗，有利于光纤传感长度和复用容量的提高。
附图说明
图1是本发明的分布式传感光纤结构设计示意图。图中：1.紫外透明涂覆层；2.弱布拉格反射周期结构；3.传感光纤；4.延迟光纤。
图2是本发明的分布式传感光纤的在线制备装置示意图。图中：3.传感光纤；5.紫外光；6.第一光纤移动控制台；7.第二光纤移动控制台；8.第一电动控制器；9.第二电动控制器；10.光纤应力控制器；11.电动平移台；12.相位掩模板；13.光纤绞盘机；14.可调谐激光器；15.光谱仪。
具体实施方式
本发明提供了分布式传感光纤的结构设计、制备方法及装置。
本发明提供一种特殊的分布式传感光纤的结构设计。这种光纤上间隔一定距离地连续分布着一系列物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构。这种结构的物理实质是光纤纤芯折射率呈周期性分布，折射率调制深度和长度可灵活设计。这种结构的光学特性表现为能够对某个波长反射，而对其他波长全部透射，但又与布拉格光栅的强反射不同，它的传输特性是一种窄带宽弱反射，因此我们称之为“弱布拉格反射周期结构”。当信号光入射光纤纤芯，到达弱布拉格反射周期结构位置时，其中较微弱的一部分光被中心波长与信号光波长一致的周期结构反射，剩下的大部分光继续向前传输直至到达下一个周期结构位置。这些结构对外界参量例如温度、应力变化具有敏感特性，可以作为传感单元。因此整根光纤表现为能够对光纤沿线的外界参量进行分布式感知检测，因此称为“分布式传感光纤”。
本发明提供一种连续内刻弱布拉格反射周期结构的分布式传感光纤的在线制备方法，其特征是以涂覆层对355nm波长紫外光透明的光纤作为载体，不用事先去掉光纤涂覆层，而采用紫外光透过相位掩模板直接照射光纤，在光纤纤芯上形成折射率周期调制，从而完成弱布拉格反射周期结构的刻写。同时，采用连续传动装置将刻写好的光纤段移动并绕到光纤盘上，重复紫外刻写过程在下一段光纤上刻写下一个相同的弱布拉格反射周期结构。如此不断重复上述过程，完成整根分布式传感光纤的在线制备。整个制备过程中，周期结构刻写装置保持不动，仅光纤移动，而光纤受到的拉应力由应力控制器控制保持恒定，室内温度保持恒定；同时可调谐激光器和光谱仪构成检测装置，实时在线监测刻写的周期结构的质量和性能，因此能够保证制备过程中各周期结构的稳定性和全同性。
本发明提供一种连续内刻弱布拉格反射周期结构的分布式传感光纤的在线制备装置，包括：载体光纤、紫外光、两个带有光纤夹具的平移台、两个电动马达、光纤应力控制器、一维电动平移台、相位掩模板、光纤绞盘机、可调谐激光器和光谱仪等构成。
分布式传感光纤的结构如图1所示：这种光纤基于涂覆层对355nm波长紫外光透明的载体光纤设计，其上间隔一定延迟光纤、连续分布着一系列物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构。这种结构的物理实质是光纤纤芯折射率呈周期性分布，折射率调制深度和长度可灵活设计。这种结构的光学特性表现为，对入射的宽带光（Pin）中某个波长反射（Ps），而对其他波长全部透射（Pt），但又与布拉格光栅的强反射不同，它的传输特性是一种窄带宽弱反射，因此我们称之为“弱布拉格反射周期结构”。当信号光入射光纤，到达弱布拉格反射周期结构位置时，其中较微弱的一部分光被中心波长与信号光波长一致的周期结构反射，剩下的大部分光继续向前传输直至到达下一个周期结构位置。这些结构对外界参量例如温度、应力变化具有敏感特性，可以作为传感单元。因此整根光纤表现为能够对光纤沿线的外界参量进行分布式感知检测，因此称为“分布式传感光纤”。
根据耦合波理论和传输矩阵分析方法，光纤布拉格光栅的中心波长反射率 和带宽
由折射率调制强度和光栅长度决定，即
其中，
为耦合系数，
为栅区长度，
为光纤光栅中纤芯的折射率调制幅度，为光栅的周期，
为光纤中传播模式的有效折射率，
为Bragg（布拉格）中心波长。
根据公式（1）、（2），可以通过改变折射率调制强度和调制区长度设计不同中心波长和反射率的弱布拉格反射周期结构。采用弱光敏性光纤和长相位模板制作特定反射率、带宽的布拉格反射周期结构是完全可行的。通过理论分析计算可以得到紫外光照的强度和扫描刻写的长度，并制作出反射率弱于1%的弱布拉格反射周期结构。
如图2所示，分布式传感光纤在线制备装置的构成如下：待刻写光纤部分的两端由两个光纤平移台上的光纤夹具固定，调节光纤与相位掩模板平行放置。两个电动马达分别与两个光纤平移台相连，电动马达控制光纤平移台沿光纤方向移动。光纤在两个光纤平移台之间的部分安装在光纤应力控制器上，控制光纤制备过程中光纤受到的应力大小。紫外光放置在一维电动平移台上，通过电动平移台的运动控制紫外光沿光纤方向移动。制备好的分布式传感光纤由光纤绞盘机拉动并绕纤成盘。可调谐激光器与光纤的一端相连，光谱仪与光纤的另一端相连，用于监测制备的分布式传感光纤的质量和性能。
采用图2所示的在线制备装置制作分布式传感光纤的制作方法是：光纤的待刻写部分固定在2个光纤平移台之间,由光纤应力控制器拉紧光纤并保证整个制备过程中光纤受到恒定的拉力作用。紫外光经过相位掩模板照射到光纤待刻写部分上，然后透过对紫外光透明的涂覆层聚焦在光纤的纤芯上。一维电动平移台控制紫外光沿光纤方向从左向右移动，在纤芯上形成折射率周期性分布的结构，即弱布拉格反射周期结构。完成一个弱布拉格反射周期结构刻写后，2个电动马达分别控制对应的光纤平移台移动，构成光纤连续传感装置，并和光纤绞盘机同步运动工作，拉动完成刻写的光纤段绕到光纤盘上，同时新的待刻写光纤段被拉动至紫外光扫描区域，再次重复以上过程完成下一个弱布拉格反射周期结构的刻写。如此过程重复多次之后，完成整个分布式传感光纤的在线制备。在整个制备过程中，周期结构刻写装置保持不动，仅光纤移动，而光纤受到的拉应力由应力控制器控制保持恒定，室内温度保持恒定，能够保证制备过程中各周期结构的稳定性和全同性。同时，可调谐激光器发出波长不断变化的光波输入光纤中，经过弱布拉格反射周期结构透射的光波从光纤输出至光谱仪，观察光谱仪上的光谱即可在线监测制备的弱布拉格反射周期结构的质量和性能。
下面结合附图进一步详述本发明。
分布式传感光纤是在涂覆层1对波长为355nm的紫外光5透明的光纤3上连续分布着一系列弱布拉格反射周期结构2。这些结构2的物理结构和光学特性完全相同，在光纤3上顺序排列，相邻结构之间相隔一段延迟光纤4。这些结构2对外界参量例如温度、应力变化具有敏感特性，可以作为传感单元。
弱布拉格反射周期结构2，其特征是物理结构上表现为光纤3纤芯的折射率呈周期性分布，且折射率调制深度较低，周期性分布结构长度较长。这种结构2对通过光纤入射的光波具有特定的反射特性，这种反射特性表现为对特定波长范围内的光反射，而对其他波长光全部透射，而且反射率低，反射带宽窄，即对中心波长附近很小的范围有极低的反射率。
多个弱布拉格反射周期结构2直接在光纤3上连续刻写得到，相邻弱布拉格反射周期结构2之间没有光纤连接的熔接点，弱布拉格反射周期结构2与延迟光纤4之间也没有光纤连接的熔接点。
分布式传感光纤的在线制备装置，包括光纤3，紫外光5，两个带有光纤夹具的第一、第二光纤移动控制台6、7，第一、第二电动控制器8、9，光纤应力控制器10，一维电动平移台11，相位掩模板12，光纤绞盘机13，可调谐激光器14，以及光谱仪15。
所述的分布式传感光纤在线制备装置，光纤3由第一、第二光纤移动控制台6、7上的光纤夹具固定，与相位掩模板12平行放置。第一电动控制器8与第一光纤移动控制台6相连，第二电动控制器9与第二光纤移动控制台7相连，电动控制器控制相应光纤移动控制台沿光纤3方向移动。光纤3在第一光纤移动控制台6和第二光纤移动控制台7之间的部分安装在光纤应力控制器10上，控制光纤制备过程中光纤受到的应力大小。紫外光5放置在一维电动平移台11上，通过电动平移台11的运动控制紫外光5沿光纤3方向移动。制备好的分布式传感光纤3由光纤绞盘机12绕纤成盘。可调谐激光器14与光纤3的一端相连，光谱仪15与光纤3的另一端相连，用于监测制备的分布式传感光纤3的性能。
分布式传感光纤的在线制备方法是：光纤3固定在第一光纤移动控制台6和第二光纤移动控制台7之间,由光纤应力控制器10拉紧光纤3并保证整个制备过程中光纤3始终受到同样的拉力作用。紫外光5经过相位掩模板12照射到光纤3固定在第一光纤移动控制台6和第二光纤移动控制台7之间的部分上，然后透过对紫外光5透明的涂覆层1聚焦在光纤3的纤芯上。一维电动平移台11控制紫外光5沿光纤3方向从左向右移动，在纤芯上形成折射率周期性分布的结构，即弱布拉格反射周期结构2。同时，可调谐激光器14发出波长不断变化的光波输入光纤3中，经过弱布拉格反射周期结构2透射的光波从光纤3输出至光谱仪（15），观察光谱仪15上的光谱即可在线监测制备的弱布拉格反射周期结构2的质量和性能。完成一个弱布拉格反射周期结构2刻写后，第一、第二电动控制器8、9分别控制第一、第二光纤移动控制台6、7移动构成光纤连续传感装置，和光纤绞盘机13同步运动工作，拉动完成弱布拉格反射周期结构2刻写的光纤段绕到光纤盘上，同时新的光纤段被拉动至紫外光扫描区域，再次重复以上过程完成下一个弱布拉格反射周期结构2的刻写。如此重复多次之后，完成整个分布式传感光纤的在线制备。
上述实施方式仅限于对本发明的进一步说明，并不构成对本发明技术方案的限定。
该分布式传感光纤上连续分布着一系列完全相同的弱布拉格反射周期结构，对外界参量例如温度、应力变化具有敏感特性，其光波传输特性类似于光纤中的非线性后向散射，但反射光功率比一般散射高出6-7个数量级，因此能够实现长距离、高精度检测。
该分布式传感光纤基于涂覆层对355nm波长紫外光透明的光纤制备，通过紫外光直接照射在光纤上在线刻写弱布拉格反射周期结构作为传感单元，并通过连续传动装置完成整根光纤上一系列弱布拉格反射周期结构的制备。这种方法大大简化了分布式传感光纤的制作过程，具有较好的可实现性、稳定性和可重复性。
Claims (6)
1.一种分布式传感光纤，其特征在于：其外层为紫外透明涂覆层（1），内层为光纤纤芯；光纤纤芯上每相隔一段延迟光纤（4），连续分布着复数个物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构（2）。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：紫外透明涂覆层（1）对波长为355nm的紫外光透明。
3.分布式传感光纤的制备装置，其特征在于：其包括带有光纤夹具的第一光纤移动控制台（6）、第二光纤移动控制台（7）、第一电动控制器（8）和第二电动控制器（9）；第一电动控制器（8）接至第一光纤移动控制台（6），第二电动控制器（9）接至第二光纤移动控制台（7），分布式传感光纤（3）夹持在第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）的光纤夹具上；分布式传感光纤（3）在第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）之间的部分平行设置有相位掩模板（12），相位掩模板（12）的外侧还设有发射紫外光的一维电动平移台（11），第二光纤移动控制台（7）的外侧还设有与制好后的分布式传感光纤（3）相连的光纤绞盘机（13）。
4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于：在分布式传感光纤（3）的首端设有可调谐激光器（14），分布式传感光纤（3）的尾端设有光谱仪（15）。
5.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于：分布式传感光纤（3）在第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）之间的部分接有光纤应力控制器（10）。
6.分布式传感光纤的制备方法，其特征在于：分布式传感光纤（3）固定在第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）之间,由光纤应力控制器（10）拉紧分布式传感光纤（3）并保证整个制备过程中分布式传感光纤（3）始终受到同样的拉力作用；紫外光经过相位掩模板（12）照射到分布式传感光纤（3）固定在第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）之间的部分上，然后透过对紫外光透明的涂覆层（1）聚焦在分布式传感光纤（3）的纤芯上；一维电动平移台（11）控制紫外光沿分布式传感光纤（3）的方向移动，在光纤纤芯上形成折射率周期性分布的结构，即制得弱布拉格反射周期结构（2），同时，可调谐激光器（14）发出波长不断变化的光波输入分布式传感光纤光纤（3）中，经过弱布拉格反射周期结构（2）透射的光波从分布式传感光纤（3）输出至光谱仪（15），观察光谱仪（15）上的光谱即可在线监测制备的弱布拉格反射周期结构（2）的质量和性能；完成一个弱布拉格反射周期结构（2）刻写后，第一电动控制器（8）和第二电动控制器（9）分别控制第一光纤移动控制台（6）和第二光纤移动控制台（7）的移动构成光纤连续传感装置，并与光纤绞盘机（13）同步运动工作，拉动完成弱布拉格反射周期结构（2）刻写的光纤段绕到光纤盘上，同时新的光纤段被拉动至紫外光扫描区域，再次重复以上过程完成下一个弱布拉格反射周期结构（2）的刻写，如此重复多次之后，完成整个分布式传感光纤（3）的在线制备。
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