CN102116896B - 制作应力折变型长周期光纤光栅的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制作应力折变型长周期光纤光栅的装置和方法。本装置包括一台宽带光源（1）、一个CO2激光器、一个二轴控制平台、一个单模光纤可调轴向拉力装置以及一台光谱分析仪。其中，对光纤可调轴向拉力装置包括一个圆柱形玻璃棒、一个弹簧秤（7）以及一个移动控制平台（8）。移动控制平台（8）的侧面有一个旋钮（9）控制平台沿光纤轴向正向或者反向移动。这对于研究应力折变型长周期光纤光栅的光谱特性与所施加的外部轴向拉力大小的关系具有简化操作、提高效率的作用。本发明属于光通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用CO2 激光器在施加了外部轴向拉力的单模光纤中制作应力折变型长周期光纤光栅的装置和方法，属于光通信领域。
背景技术
长周期光纤光栅（LPFG）具有很好的传输谱特性，它将光纤纤芯中传输的导模能量耦合到包层中形成包层模，是一种理想的带阻传输型滤波器，具有制作工艺简单、插入损耗小、无后向反射和体积小等优点。由于长周期光纤光栅在光纤通信系统的重要价值和在其他领域的广泛应用前景，对长周期光纤光栅的开发和应用研究进展十分迅速，已经成为一大技术热点。
长周期光纤光栅在光纤通信领域的应用中，最令人瞩目的当数它在掺铒光纤放大器（EDFA）中作为增益平坦器的应用。长周期光纤光栅是一种传输型带阻滤波器，选择合适的长周期光纤光栅可以用来抑制EDFA在1530 nm附近的放大自发辐射（ASE）实现增益平坦。利用两个相同的长周期光纤光栅紧密平行贴合可以实现波长选择耦合器，用两个这样的波长选择耦合器可以实现光分插复用器。基于长周期光纤光栅的全光光开关也是其重要应用之一，这在全光网络中具有非常大的作用。通过选择不同的光栅周期和不同的纤芯与包层折射率差，可以利用长周期光纤光栅实现模式转换。
长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器。长周期光纤光栅的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这导致长周期光纤光栅的谐振波长的各个参量对外界环境的变化非常敏感，因此它具有比光纤布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。因此，长周期光纤光栅在光纤传感领域具有很多优点和广泛的应用。
光纤在拉制过程中，总存在一个牵引力。由于光纤是在拉丝过程中经过快速冷却而形成的，牵引力不会立即消失而固定下来，从而形成残余应力。聚焦的CO2激光轴向周期性地加热光纤产生的局部高温使得被加热处纤芯和包层中残余应力释放，周期性的残余应力释放使光纤折射率沿轴向周期性变化而形成LPFG。因此光纤弹性残余应力释放被看作是CO2激光在普通单模光纤中写入LPFG的主要机制。
最近的研究表明，在光纤拉制过程中，除了产生弹性残余应力外，还会在包层中产生冻结粘弹力，产生的冻结粘弹力同样也会改变光纤的折射率。基于这些最近的研究，如果在施加了外部轴向拉力的单模光纤中写入长周期光纤光栅，我们可以得到一些新特性，这将进一步丰富CO2激光器写入长周期光纤光栅的机理研究。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种制作应力折变型长周期光纤光栅的装置和方法。本发明的一个重要内容是制作应力折变型长周期光纤光栅，在CO2激光扫描过程中对单模光纤施加外部轴向拉力，施加范围为0到光纤所能承受的最大轴向拉力。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明采用的实验装置包括一台宽带光源、一台全功率为10 W的CO2激光器、一个二轴控制平台、一套对单模光纤施加外部轴向拉力的装置以及一台光谱分析仪。其中，这套对光纤施加轴向拉力的装置包括一个直径为40~60 mm的已经切割平整的圆柱形玻璃棒、一个弹簧秤以及一个移动控制平台。首先把弹簧秤的一端嵌入已经被打好合适直径和深度钻口的圆柱形玻璃棒底部，把两者牢牢固定住，然后把它们放置在光纤轴向移动控制平台上面，同样牢牢固定组合成一个整体。弹簧秤详细示意图如附图2所示，它的读数盘范围为0到500, 单位为 g，这表示当弹簧秤指针对准某个读数时就相当于光纤轴向被施加了一个同样读数的拉力。这个弹簧秤最大能承受的轴向拉力为500 g力，这刚好和大多数单模光纤所能承受的最大轴向拉力一致。光谱分析仪监测每次激光扫描过程后应力折变型长周期光纤光栅的透射谱变化，分析在施加了不同轴向拉力光纤中写入不同周期的长周期光纤光栅的实验情况。
本发明的工作原理：
最近的研究表明，在光纤拉制过程中，除了产生弹性残余应力外，还会在包层中产生冻结粘弹力。因此，当CO2激光扫描施加了外部轴向拉力的光纤写入LPFG时，虽然普通单模光纤残余应力的释放导致光纤折射率变化仍然是形成LPFG的主要机制，但是这个受热过程同样会使光纤包层产生冻结粘弹力，从而改变光纤的折射率。当这两种机制同时起作用改变光纤的折射率分布时，相对于CO2激光在没有施加任何轴向拉力的单模光纤写入LPFG，这种应力折变型LPFG的透射谱会新产生一些透射峰。新产生的透射峰的机制可以归结为冻结粘弹力引起的光纤的折射率改变。此外我们的研究还表明，在应力折变型光纤光栅写入过程中，新产生的透射峰的谐振波长随着激光器扫描光纤次数的变化和光纤被施加的外部轴向拉力以及长周期光纤光栅的周期大小有关系。
这台移动控制平台旁边有个旋钮，通过顺时针或者逆时针旋转这个旋钮，可以控制移动平台沿光纤轴向正向或者反向移动，继而使弹簧秤的指针对准的读数从0变大或者从某一个不为零的读数变小到0。一般对一端已经固定的光纤的另一端挂一个10 g的砝码就足以使光纤刚好被拉直，指针读数超过10就表示已经对被写入LPFG的光纤处施加了外部轴向拉力。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种制作应力折变型长周期光纤光栅的装置，包括一台宽带光源、一个CO2激光器、一个二轴控制平台、一个单模光纤可调轴向拉力装置以及一台光谱分析仪和一台电脑，其特征在于所述宽带光源和单模光纤轴向可调拉力装置分别安置在所述二轴控制平台横向轴的两端外，而所述CO2-激光器安置在二轴控制平台的纵向轴的一端外，可实现被加工的单模光纤被夹紧在二轴控制平台上呈一直线安置，从而一端连接到宽带光源，另一端连接到单模光纤可调轴向拉力装置，CO2激光器的CO2激光扫描头垂直接近安置在二轴控制平台上的单模光纤；所述光谱分析仪的探测头接近处于单模光纤可调轴向拉力装置中受轴向拉力的单模光纤区段，监测光纤的透射谱变化；有一台电脑连接所述CO2激光器，该电脑控制CO2激光器的输出功率。
所述单模光纤可调轴向拉力装置的结构是：一个移动控制平台上安装一个弹簧秤，弹簧秤的外壳上有弹簧拉力指针和标尺，其标度为0~500 g的拉力范围；弹簧秤的弹簧拉力端固定在一个圆柱形玻璃棒的下端，被加工的单模光纤在圆柱形玻璃棒上盘卷数圈后端部粘贴固紧在圆柱形玻璃棒上，所述光谱分析仪的探测头接近盘卷在圆柱形玻璃棒上已受拉力的单模光纤区段；所述移动控制平台有一个旋钮控制该平台沿单模光纤轴向移动。
所述CO2激光器的功率为10 W，所述单模光纤可调轴向拉力装置的拉力范围为0~500 g，所述圆柱形玻璃棒的直径为40~60 mm。
一种制作应力折变型长周期光纤光栅的方法，采用上述制作装置进行制作，其特征在于制作步骤如下：
1）将去掉长约5 cm涂覆层的单模光纤水平直线状态放置在二轴控制平台上，并确保光纤轴线与CO2激光焦斑平行，用夹具把这根光纤靠近宽带光源的一端夹住。
2）对单模光纤施加可任意调节的外部轴向拉力。首先，把去掉长约5 cm涂覆层的单模光纤未被夹具夹住的一端紧贴圆柱形玻璃棒环绕几圈，即为缠绕在圆柱形玻璃棒上的光纤区段，并用胶带粘牢；最后，通过顺时针或者逆时针旋转移动控制平台的旋钮控制移动控制平台沿光纤轴向正向或者反向移动，继而使弹簧秤的指针对准的读数从0变大或从某一个不为零的读数变到0，达到对单模光纤施加范围为0到500 g力之间的任意值的轴向拉力的目的。
3）电脑控制CO2激光器输出功率不大于1 W的CO2激光扫描头扫描放置在二轴控制平台上的被施加了外部轴向拉力的单模光纤。
4）光谱分析仪监测每次扫描过程后应力折变型长周期光纤光栅的透射谱的变化，动态分析施加了不同轴向拉力的单模光纤中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1）在用CO2激光器在单模光纤中制作应力折变型长周期光纤光栅的过程中，对光纤施加轴向拉力的装置的操作简单，只需要通过顺时针或者逆时针旋转旋钮就可实现调节轴向拉力大小的作用。
2）对光纤施加的轴向拉力可取0 和500 g力之间的任意值。
3）首次运用写入动态分析方法，光谱仪（5）监测每次激光扫描过程后应力折变型长周期光纤光栅的透射谱变化，分析在施加了不同轴向拉力的光纤中写入不同周期的长周期光纤光栅的实验情况，发现了“非弹性应力冻结”效应引起的折射率调制是制备新型长周期光栅的主要机理，对比研究了残余应力释放和外加应力冻结效应对光栅制备的贡献。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2是装置中弹簧秤（8）的详细示意图。
图3是较小周期的传统LPFG光谱图（a）和相同周期的应力折变型LPFG光谱图（b）对比图。
图4是两种单模光纤中制成较小周期应力折变型LPFG的谐振波长与对比度变化图。
图5是较大周期的传统LPFG光谱（a）和相同周期的应力折变型LPFG光谱图（b）对比图。
图6是两种单模光纤中制成较大周期应力折变型LPFG的谐振波长与对比度变化图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，本制作应力折变型长周期光纤光栅的装置，包括一台宽带光源（1）、一个CO2激光器（2）、一个二轴控制平台（3）、一个单模光纤可调轴向拉力装置（4）以及一台光谱分析仪（5）和一台电脑（12），其特征在于所述宽带光源（1）和单模光纤轴向可调拉力装置（4）分别安置在所述二轴控制平台（3）横向轴的两端外，而所述CO2激光器（2）安置在二轴控制平台（3）的纵向轴的一端外，可实现被加工的单模光纤（10）被夹紧在二轴控制平台（3）上呈一直线安置，从而一端连接到宽带光源（1），另一端连接到单模光纤可调轴向拉力装置（4），CO2激光器（2）的CO2激光扫描头（13）垂直接近安置在二轴控制平台（3）上的单模光纤（10）；所述光谱分析仪（5）的探测头接近处于单模光纤可调轴向拉力装置中受轴向拉力的单模光纤区段（11），监测光纤的透射谱变化；有一个电脑（12）连接所述CO2激光器（2），该电脑（12）控制CO2激光器（2）的输出功率。
实施例二：
参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述单模光纤可调轴向拉力装置（4）的结构是：一个移动控制平台（8）上安装一个弹簧秤（7），弹簧秤（7）的外壳上有弹簧拉力指针和标尺，其标度为0~500 g的拉力范围；弹簧秤（7）的弹簧拉力端固定在一个圆柱形玻璃棒（6）的下端，被加工的单模光纤在圆柱形玻璃棒（6）上盘卷数圈后端部粘贴固紧在圆柱形玻璃棒（6）上，所述光谱分析仪（5）的探测头接近盘卷在圆柱形玻璃棒（6）上已受拉力的单模光纤区段（11）；所述移动控制平台（8）有一个旋钮（9）控制该平台沿单模光纤轴向移动。
所述CO2激光器（2）的全功率为10 W，所述单模光纤可调轴向拉力装置（4）的拉力范围为0~500 g，所述圆柱形玻璃棒（6）的直径为40~60 mm。
实施例三：
参见图1，本制作应力折变型长周期光纤光栅的方法，采用上述制作装置进行制作，制作步骤如下：
1）将去掉长约5 cm涂覆层的单模光纤（10）水平直线状态放置在二轴控制平台（3）上，并确保光纤轴线与CO2激光焦斑平行，用夹具把这根光纤靠近宽带光源的一端夹住。
2）对单模光纤（10）施加可任意调节的外部轴向拉力。首先，把去掉长约5 cm涂覆层的单模光纤（10）未被夹具夹住的一端紧贴圆柱形玻璃棒（6）环绕几圈，如附图1中缠绕在圆柱形玻璃卷棒上的光纤区段（11）所示，并用胶带粘牢；最后，通过顺时针或者逆时针旋转移动控制平台的旋钮（9）可以控制移动控制平台（8）沿光纤轴向正向或者反向移动，继而使弹簧秤（7）的指针对准的读数从0变大或从某一个不为零的读数变到0，达到对单模光纤（10）施加范围为0到500 g力之间的任意值的轴向拉力的目的。
3）电脑（12）控制CO2激光器（2）输出功率不大于1 W的CO2激光扫描头（13）扫描放置在二轴控制平台（3）上的被施加了外部轴向拉力的单模光纤（10）。
4）光谱分析仪（5）监测每次扫描过程后应力折变型长周期光纤光栅的透射谱的变化，动态分析施加了不同轴向拉力的单模光纤（10）中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况。
采用上述制作方法的应力折变型LPFG的光谱、透射峰谐振波长和对比度如图3、图4、图5和图6所示。
图3（a）示出用CO2激光器在没有施加拉力的长飞公司生产的G652B单模光纤中写入周期为500 μm，周期数为60的传统LPFG的光谱图（虚线表示）和在施加了150 g力的相同光纤中写入的相同周期相同长度的应力折变型LPFG的光谱图（实线表示）对比图。图3（b）示出用CO2激光器在没有施加拉力的康宁公司生产的SMF-28e单模光纤中写入周期为520 μm，周期数为60的传统LPFG的光谱图（虚线表示）和在施加了150 g力的相同光纤中写入的相同周期相同长度的应力折变型LPFG的光谱图（实线表示）对比图。可以明显看出，与传统LPFG相比，在写入应力折变型长周期光纤光栅的过程中，产生了一些新的透射峰。
图4（a）示出用CO2激光器在施加了150 g力的G652B单模光纤中写入的周期为500 μm，周期数为60的应力折变型LPFG中新产生透射峰的谐振波长和对比度随着激光器扫描次数变化的情况。图4（b）示出用CO2激光器在施加了150 g力的SMF-28e单模光纤中写入的周期为520 μm，周期数为60的应力折变型LPFG中新产生透射的峰谐振波长和对比度随着激光器扫描次数变化的情况。可见，当周期较小时，新产生透射峰的谐振波长随着激光器扫描次数变化都向短波方向漂移。
图5（a）示出用CO2激光器在没有施加拉力的长飞公司生产的G652B单模光纤中写入周期为630 μm，周期数为50的传统LPFG的光谱图（虚线表示）和在施加了150 g力的相同光纤中写入的相同周期相同长度的应力折变型LPFG的光谱图（实线表示）对比图。图5（b）示出用CO2激光器在没有施加拉力的康宁公司生产的SMF-28e单模光纤中写入周期为580 μm，周期数为50的传统LPFG的光谱图（虚线表示）和在施加了150 g力的相同光纤中写入的相同周期相同长度的应力折变型LPFG的光谱图（实线表示）对比图。
图6（a）和图6（b）示出用CO2激光器在施加了150 g力的G652B单模光纤中写入的周期为630 μm，周期数为50的应力折变型LPFG中新产生的两个透射峰的谐振波长和对比度随着激光器扫描次数变化的情况。图6（c）和图6（d）示出用CO2激光器在施加了150 g力的SMF-28e单模光纤中写入的周期为580 μm，周期数为50的应力折变型LPFG中新产生的两个谐振峰的谐振波长和对比度随着激光器扫描次数变化的情况。可见，当周期较大时，新产生透射峰的谐振波长随着激光器扫描次数变化有的向短波方向漂移，有的向长波方向漂移。
Claims (3)
1.一种制作应力折变型长周期光纤光栅的装置，包括一台宽带光源（1）、一个CO2激光器（2）、一个二轴控制平台（3）、一个单模光纤可调轴向拉力装置（4）以及一台光谱分析仪（5）和一台电脑（12），其特征在于所述宽带光源（1）和单模光纤可调轴向拉力装置（4）分别安置在所述二轴控制平台（3）横向轴的两端外，而所述CO2激光器（2）安置在二轴控制平台（3）的纵向轴的一端外，可实现被加工的单模光纤（10）被夹紧在二轴控制平台（3）上呈一直线安置，从而一端连接到宽带光源（1），另一端连接到单模光纤可调轴向拉力装置（4），CO2激光器（2）的CO2激光扫描头（13）垂直接近安置在二轴控制平台（3）上的单模光纤（10）；所述光谱分析仪（5）的探测头接近处于单模光纤可调轴向拉力装置中受轴向拉力的单模光纤区段（11），监测光纤的透射谱变化；所述的电脑（12）连接所述CO2激光器（2），该电脑（12）控制CO2激光器（2）的输出功率；
所述单模光纤可调轴向拉力装置（4）的结构是：一个移动控制平台（8）上安装一个弹簧秤（7），弹簧秤（7）的外壳上有弹簧拉力指针和标尺，其标度为0~500 g的拉力范围；弹簧秤（7）的弹簧拉力端固定在一个圆柱形玻璃棒（6）的下端，被加工的单模光纤在圆柱形玻璃棒（6）上盘卷数圈后端部粘贴固紧在圆柱形玻璃棒（6）上，所述光谱分析仪（5）的探测头接近盘卷在圆柱形玻璃棒（6）上已受拉力的单模光纤区段（11）；所述移动控制平台（8）有一个旋钮（9）控制该平台沿单模光纤轴向移动。
2.根据权利要求1所述的制作应力折变型长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述CO2激光器（2） 的全功率为10 W，所述单模光纤可调轴向拉力装置（4）的拉力范围为0~500 g，所述圆柱形玻璃棒（6）的直径为40~60 mm。
3.一种制作应力折变型长周期光纤光栅的方法，采用根据权利要求1所述的制作应力折变型长周期光纤光栅的装置进行制作，其特征在于制作步骤如下：
1）将去掉长约5 cm涂覆层的单模光纤（10）水平直线状态放置在二轴控制平台（3）上，并确保光纤轴线与CO2激光焦斑平行，即先调好二轴控制平台与CO2激光器的相对位置，使二轴控制平台放置光纤处处于CO2激光器的扫描焦点范围内；用夹具把这根光纤靠近宽带光源的一端夹住；
2）对单模光纤（10）施加可任意调节的外部轴向拉力，首先，把去掉长约5cm涂覆层的单模光纤（10）未被夹具夹住的一端紧贴圆柱形玻璃棒（6）环绕几圈，即为缠绕在圆柱形玻璃棒（6）上的光纤区段（11），并用胶带粘牢；最后，通过顺时针或者逆时针旋转移动控制平台的旋钮（9）控制移动控制平台（8）沿光纤轴向正向或者反向移动，继而使弹簧秤（7）的指针对准的读数从0变大或从某一个不为零的读数变到0，达到对单模光纤施加范围为0到500 g力之间的任意值的轴向拉力的目的；
3）电脑（12）控制CO2激光器（2）输出功率不大于1W的CO2激光扫描头（13）扫描放置在二轴控制平台（3）上的被施加了外部轴向拉力的单模光纤（10）；
4）光谱分析仪（5）监测每次扫描过程后应力折变型长周期光纤光栅的透射谱的变化，动态分析施加了不同轴向拉力的单模光纤（10）中写入不同周期的长周期光纤光栅的情况。
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