CN103777270A - 自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，包括沿光纤运行方向依次设置的：光纤放线模块，包括绕线盘；涂覆层剥除模块，包括依次设置的CO₂脉冲激光器、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜和柱面反射镜；光栅刻写模块，包括准分子激光器和相位掩膜板；涂覆模块，包括自动紫外光涂覆装置；收纤模块，包括自动光纤收纤装置。一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，针对未载氢的普通光纤，在光纤收放线的过程中：1）利用窄脉冲红外光局部剥除其涂覆层；2）移动剥除涂覆层的光纤部分至准分子激光器处进行刻写；3）将刻写完成后的光纤部分移动至紫外光涂覆设备处进行紫外光涂覆和固化；4）重复步骤1）至3）刻写多个光纤光栅，构成光纤光栅阵列。

Description

自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置与方法

技术领域

本发明涉及光纤传感系统中光纤光栅阵列的制备，具体地指一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置与方法。 

背景技术

目前，准分布式光纤布拉格光栅的复用技术源于其自身对温度、应力、压力及振动等外界物理量的高灵敏度传感功能，其同时又具有体积小、抗恶劣环境、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，在许多工业与工程领域特别是超大型的结构中有着广泛的应用。 

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焊接的波分复用方法，系统损耗大，其焊点的抗机械强度差导致焊点处存在安全隐患，并且复用的数量有限，一般不超过20个，同时系统的制备效率低，工程施工复杂。目前最新的方法是武汉理工大学使用动态在线连续刻写超低反射率的弱光纤光栅阵列来扩大复用数量的方法，该方法使用光敏光纤预制棒在光纤拉丝过程中使用准分子激光器的单脉冲技术刻写光栅，一个光栅只使用一个光脉冲刻写，因此光栅的反射率能够低至0.1%～0.01%，可使传感单元的复用数量达到1万个。然而该方法对解调仪提出了很高的要求，研制成本高；其次，由于使用光敏光纤，因而光纤的损耗较大；第三，拉丝过程需要大量的气体保护，系统运行成本高；第四，由于是在线动态刻写，对拉丝工艺等各项技术的控制要求十分严格，且光纤光栅的反射率大小很难精确控制；此外，由于反射率很低，对光缆封装结构有很大的要求（Guo, H., Tang, J., Li, X.,Zheng, Y., Yu, H., and Yu, H., "On-line writing identical and weak fiber Bragg grating arrays," Chin.Opt. Lett. 11, 030602 (2013)）。授权公告号为CN 102053303B的中国发明专利公开了一种分布式传感光纤及其制备装置和方法，该发明是利用一种特殊的涂覆层，该涂覆层对波长为355nm的紫外光有非常低的吸收率，从而不需要剥除光纤的涂覆层，直接刻写。该方法比较灵活，但一方面，其使用特种光纤，而不是普通的单模光纤，应用范围有限；另外，由于使用355nm的紫外光，因而其刻写光栅的效率低，并且涂覆层对紫外光有一定的吸收，将一定程度上影响光栅成品的性能。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置与方法，能够克服上述现有光纤光栅阵列制备的问题，可针对未载氢的普通单模光纤，制备出光纤光栅阵列，其反射率可根据需要定制，相邻光纤光栅的间距可任意控制，且实现大规模生产， 其生产成本低，成品光纤光栅阵列的抗机械强度高。 

为解决上述技术问题，本发明提供的一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，包括沿光纤运行方向依次设置的光纤放线模块、涂覆层剥除模块、光栅刻写模块、涂覆模块和收纤模块；所述光纤放线模块包括绕制有待处理光纤的绕线盘；所述涂覆层剥除模块包括依次设置的CO₂脉冲激光器及其驱动模块、第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜和柱面反射镜，第一反射镜和第二反射镜平行设置，用于实现CO₂脉冲激光器输出光光轴的平移，所述聚焦透镜和柱面反射镜位于光纤的两侧，分别用于使聚焦后的激光和反射的激光到达光纤两侧的表面，实现涂覆层的剥除，所述第二反射镜和聚焦透镜位于可移动平台上，可沿光纤延伸方向平移；所述光栅刻写模块包括准分子激光器和相位掩膜板；所述涂覆模块包括自动紫外光涂覆装置；所述收纤模块包括自动光纤收纤装置。 

上述技术方案中，所述装置还包括计算机控制模块，分别与CO₂脉冲激光器的驱动模块、可移动平台和自动光纤收纤装置连接，分别用于实现CO₂脉冲激光器输出、可移动平台平移和收纤操作的控制。 

上述技术方案中，所述装置还包括光纤光栅阵列在线监控模块；所述光纤光栅阵列在线监控模块包括与自动光纤收纤装置上光纤尾端连接的波/时分光纤光栅解调仪，用于监控所刻写光栅的反射光谱。 

进一步地，所述光纤光栅阵列在线监控模块还包括高清摄像头，其设置于涂覆层剥除模块处，用于监控光纤涂覆层剥除情况。 

上述技术方案中，所述装置中设有若干光纤夹具，用于光纤的支撑和临时固定，以实现各模块执行的操作。 

进一步地，所述光纤夹具为光纤电磁夹具，通过控制其电源开关能够自动打开和关闭。 

本发明提供的一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，针对未载氢的普通光纤，在光纤收放线的过程中： 

1）临时固定光纤，利用窄脉冲红外光局部剥除其涂覆层； 

2）移动剥除涂覆层的光纤部分至准分子激光器处临时固定，其输出光束经扩束和聚焦后通过相位掩膜板，对剥除涂覆层的光纤部分进行刻写； 

3）将刻写完成后的光纤部分移动至紫外光涂覆设备处进行紫外光涂覆和固化； 

4）重复步骤1）至3），在光纤上刻写多个光纤光栅，构成光纤光栅阵列。 

上述技术方案的所述步骤1）中，采用CO₂脉冲激光器作为光源，其后依次设置第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜和柱面反射镜，第一反射镜和第二反射镜平行，光源发出的光 依次经第一反射镜和第二反射镜后，送入聚焦透镜使光汇聚，聚焦后的激光使光纤正面的涂覆层被剥除，透过聚焦透镜的平行光经柱面反射镜反射后汇聚并到达光纤背面，使光纤背面的涂覆层被剥除；沿光纤延伸方向平移第二反射镜和聚焦透镜，实现涂覆层剥除长度的调节。 

进一步地，所述步骤1）中，采用高清摄像头监控光纤涂覆层剥除情况。 

上述技术方案的所述步骤2）中，根据设计的光纤光栅阵列规格，采用单脉冲刻写低反射率光纤光栅，或者采用多脉冲刻写高反射率光纤光栅。 

进一步地，所述步骤2）中，光栅刻写完成后，利用波/时分光纤光栅解调仪实时监控其反射光谱形状及光栅参数。 

上述技术方案的所述步骤4）中，每重复步骤1）至3）若干次后，更换相位掩膜板，用于刻写分区全同的光纤光栅阵列。 

本发明剥除涂覆层操作的工作原理为：高峰值功率窄脉冲的激光经过聚焦后，到达光纤的涂覆层，由于普通光纤的涂覆层材料一般为聚合物，对红外光的吸收率很高，同时由于峰值功率大，光子能量破环涂覆层聚合物的化学键，从而产生光化学过程；CO₂脉冲激光器的重复频率为1kHz以上，连续的脉冲作用产生急剧的加热与冷却，有利于光纤涂覆层的去除。同时，光化学过程伴随着光热作用，每光脉冲能量去除光纤涂覆层的深度x有如下的关系： 

x-α^-1ln(F/F_t) 

式中α为光纤涂覆层聚合物对CO₂激光的吸收率，F_t与F分别为聚合物材料被切除的阈值能量和CO₂脉冲激光器的脉冲能量。通过大量的脉冲能量能够把光纤的涂覆层热气化，另一方面，光纤包层的主要成分为二氧化硅，对CO₂红外激光器的吸收系数很低，因此，CO₂脉冲激光器的能量对包层与纤芯的表面形状与折射率影响较小。当然，实际操作过程中也需要精确控制CO₂脉冲激光器的能量、脉冲的数量与精密步进电机位移平台移动的速度。 

与现有技术相比，本发明装置与方法的有益效果在于： 

1、整个光纤光栅阵列无焊点，抗机械强度高； 

2、不限于使用特种光敏光纤或其它特制的传感光纤，而针对普通单模光纤，且无需载氢； 

3、光纤光栅的间隔可根据需要方便地进行调整，能够制备超密集光纤光栅阵列，光纤光栅的最小间隔可在10cm以内； 

4、单脉冲刻写的光栅消光比大于15dB，光栅的反射率可通过控制准分子激光器发出的脉冲数量调节，不仅有利于低反射率弱光纤光栅阵列的解调，且制备的全同光纤光栅的反射率、中心波长、反射光谱等参数一致性好； 

5、整个过程采用计算机控制，全自动化生产制备，便于实现大规模生产； 

6、较拉丝塔在线动态刻写光栅，其操作更简便和容易实现，成本显著降低。 

附图说明

图1为本发明自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置的结构暨工作原理图； 

图中：I—光纤放线模块，II—涂覆层剥除模块，III—光栅刻写模块，IV—涂覆模块，V—收纤模块，VI—光纤光栅阵列在线监控模块，VII—计算机控制模块；1—绕线盘，2—第一光纤电磁夹具，3—CO₂脉冲激光器，4—激光器驱动模块，5—第一反射镜，6—第二反射镜，7—硒化锌聚焦透镜，8—精密步进电机位移平台，9—柱面反射镜，10—第二光纤电磁夹具，11—193nm准分子激光器，12—相位掩膜板，13—第三光纤电磁夹具，14—自动紫外光涂覆装置，15—自动光纤收纤装置，16—波/时分光纤光栅解调仪，17—计算机； 

图2为光纤的涂覆层被剥除后其中间局部的显微镜放大图； 

图3为光纤的涂覆层被剥除后其一端部的显微镜放大图； 

图4为本发明一个实施例中刻写的某光纤光栅的反射光谱。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述： 

如图1所示，本发明的一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，包括沿光纤运行方向依次设置的光纤放线模块I、涂覆层剥除模块II、光栅刻写模块III、涂覆模块IV和收纤模块V，此外，为便于部分模块的过程监控和整个装置的自动化控制，还设有光纤光栅阵列在线监控模块VI和计算机控制模块VII。在光纤放线模块I、涂覆层剥除模块II和光栅刻写模块III中，相邻两模块间均设有光纤夹具，用于光纤的支撑和临时固定，以实现各模块执行的操作，本实施例优选光纤电磁夹具2、10、13，便于通过控制其电源同时打开或关闭。 

本实施例中的光纤放线模块I包括绕制有待处理光纤的绕线盘1，收纤模块V包括一台自动光纤收纤装置15，二者构成一个光纤收放线系统。 

本实施例中的涂覆层剥除模块II包括依次设置的激光器驱动模块4、CO₂脉冲激光器3、第一反射镜5、第二反射镜6、聚焦透镜和柱面反射镜9。第一反射镜5和第二反射镜6平行设置，用于实现CO₂脉冲激光器3输出光光轴的平移。第一反射镜5、第二反射镜6和聚焦透镜的光轴与光纤在同一平面内。聚焦透镜优选镀增透膜的硒化锌聚焦透镜7，柱面反射镜9可为柱面反射铜镜或铝镜，聚焦透镜和柱面反射镜9位于光纤的两侧，分别用于使聚焦后的激光和反射的激光到达光纤两侧的表面，实现涂覆层的完全剥除。第二反射镜6和聚焦透镜位于可移动平台上，可沿光纤延伸方向平移，本发明优选精密步进电机位移平台8，既可连续精密调节位移量，又便于自动化控制。 

本实施例中的光栅刻写模块III包括准分子激光器和相位掩膜板12。 

本实施例中的光纤光栅阵列在线监控模块VI包括高清摄像头和波/时分光纤光栅解调仪16。其中，高清摄像头设置于涂覆层剥除模块II处，用于监控光纤涂覆层剥除情况；波/时分光纤光栅解调仪16与自动光纤收纤装置15上的光纤尾端连接，用于实时监控所刻写光栅的反射光谱及光栅参数。 

计算机控制模块VII包括一台计算机17，它分别与激光器驱动模块4、精密步进电机位移平台8和自动光纤收纤装置15连接，分别用于实现CO₂脉冲激光器3输出、精密步进电机位移平台8平移和收纤操作的控制。 

结合上述装置，本发明自动静态连续制备光纤光栅阵列的具体操作及原理为： 

使用未载氢的普通光纤，其光纤损耗一般为0.2dB/km，将绕线盘1绕在放线盒的轴上，通过手工或机械放线，光纤依次经第一光纤电磁夹具2、涂覆层剥除模块II、第二光纤电磁夹具10、光栅刻写模块III、第三光纤电磁夹具13、涂覆模块IV和自动光纤收纤装置15，光纤尾端接入波/时分光纤光栅解调仪16，整个过程中使光纤保持水平并具有一定的微小张力，各光纤电磁夹具2、10、13通过控制电源同时打开或关闭，当全部夹具打开时，自动光纤收纤装置15通过其精密步进电机使光纤放线模块I匀速放线，并以同一速度进行自动收线，确保光纤收放线同步： 

1）各光纤电磁夹具2、10、13关闭，临时固定光纤，利用窄脉冲红外光局部剥除其涂覆层：CO₂脉冲激光器3在激光器驱动模块4驱动下发出高峰值功率的窄脉冲红外光，其波长为9.3μm、峰值功率最大80W、脉宽通过激光器驱动模块4控制脉冲信号的占空比进行调节。激光器驱动模块4通过USB接口与CO₂脉冲激光器3相连，其运行参数则由计算机17进行控制。CO₂脉冲激光器3发出的光依次经平面第一反射镜5和平面第二反射镜6后，送入镀增透膜的硒化锌聚焦透镜7使光汇聚，光纤在硒化锌聚焦透镜7的焦点附近，光斑直径约500μm，聚焦后的激光使光纤正面的涂覆层被剥除，透过聚焦透镜的平行光经柱面反射镜9反射后汇聚并到达光纤背面，使光纤背面的涂覆层被剥除。剥除的光纤长度通过精密步进电机位移平台8带动第二反射镜6和聚焦透镜沿光纤延伸方向平移实现调节。剥除的整个过程中，在光纤两侧采用高清摄像头进行放大视频监控光纤涂覆层剥除情况，确保光纤涂覆层剥除干净，且光纤包层不受激光损伤，图2示意出了某光纤的涂覆层被剥除后其中间局部的显微镜放大图；图3则示意出了该光纤的涂覆层被剥除后其一端部的显微镜放大图； 

2）剥除完成后，打开各光纤电磁夹具2、10、13，移动剥除涂覆层的光纤部分至193nm准分子激光器11处临时固定，193nm准分子激光器11的输出光束经扩束和聚焦后到达相位 掩膜板12，对剥除涂覆层的光纤部分进行刻写。193nm准分子激光器11通过串行接口与计算机17相连，由计算机17进行控制。根据传感光纤的设计要求，通过光路调节，可采用单脉冲刻写低反射率光纤光栅，或者采用多脉冲刻写高反射率光纤光栅，光栅刻写完成后，可利用波/时分光纤光栅解调仪16监控其反射光谱，图4示意了波/时分光纤光栅解调仪16监测到的某光纤光栅的反射光谱，通过反射光谱，可得到光栅的中心波长、3dB带宽、反射率及消光比等参数信息； 

3）打开各光纤电磁夹具2、10、13，将刻写完成后的光纤部分移动至紫外光涂覆设备处临时固定，进行紫外光涂覆和固化，完成后，利用自动光纤收纤装置15收纤； 

4）重复步骤1）至3），即可在普通单模光纤上刻写多个光纤光栅，构成光纤光栅阵列。整个制备过程中，光纤收放线系统、涂覆层剥除模块II、光栅刻写模块III和涂覆模块IV可根据光纤光栅间隔单独工作或者同时工作。如每重复步骤1）至3）若干次后，更换相位掩膜板，则能够刻写出分区全同的光纤光栅阵列。 

本发明的核心在于能够针对未载氢的普通单模光纤，设置一个光纤收放线系统，在光纤收放线的过程中分阶段临时固定光纤，依次完成CO₂脉冲激光器3剥除光纤涂覆层、准分子激光器刻写光栅、涂覆固化的过程，制备出光纤光栅阵列，各光纤光栅的反射率可根据需要定制，相邻光纤光栅的间距可任意控制，实现大规模生产，其生产成本低，成品光纤光栅阵列的抗机械强度高。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：装置不仅针对未载氢的普通单模光纤，通过调节CO₂脉冲激光器3输出脉冲的占空比、频率和脉冲数量等参数，也适用于光敏光纤、载氢的普通单模光纤或者特种光纤等的刻写；上述实施例采用了193nm准分子激光器11，但并不限于此型号，也可使用248nm等其它激光器等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。 

Claims (12)

1.一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：它包括沿光纤运行方向依次设置的光纤放线模块（I）、涂覆层剥除模块（II）、光栅刻写模块（III）、涂覆模块（IV）和收纤模块（V）；所述光纤放线模块（I）包括绕制有待处理光纤的绕线盘（1）；所述涂覆层剥除模块（II）包括依次设置的CO₂脉冲激光器（3）及其驱动模块、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、聚焦透镜和柱面反射镜（9），第一反射镜（5）和第二反射镜（6）平行设置，用于实现CO₂脉冲激光器（3）输出光光轴的平移，所述聚焦透镜和柱面反射镜（9）位于光纤的两侧，分别用于使聚焦后的激光和反射的激光到达光纤两侧的表面，实现涂覆层的剥除，所述第二反射镜（6）和聚焦透镜位于可移动平台上，可沿光纤延伸方向平移；所述光栅刻写模块（III）包括准分子激光器和相位掩膜板（12）；所述涂覆模块（IV）包括自动紫外光涂覆装置（14）；所述收纤模块（V）包括自动光纤收纤装置（15）。

2.根据权利要求1所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：还包括计算机控制模块（VII），分别与CO₂脉冲激光器（3）的驱动模块、可移动平台和自动光纤收纤装置（15）连接，分别用于实现CO₂脉冲激光器（3）输出、可移动平台平移和收纤操作的控制。

3.根据权利要求1所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：还包括光纤光栅阵列在线监控模块（VI）；所述光纤光栅阵列在线监控模块（VI）包括与自动光纤收纤装置（15）上光纤尾端连接的波/时分光纤光栅解调仪（16），用于监控所刻写光栅的反射光谱。

4.根据权利要求3所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：所述光纤光栅阵列在线监控模块（VI）还包括高清摄像头，其设置于涂覆层剥除模块（II）处，用于监控光纤涂覆层剥除情况。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：所述装置中设有若干光纤夹具，用于光纤的支撑和临时固定，以实现各模块执行的操作。

6.根据权利要求5所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的装置，其特征在于：所述光纤夹具为光纤电磁夹具（2、10、13），通过控制其电源开关能够自动打开和关闭。

7.一种自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：

针对未载氢的普通光纤，在光纤收放线的过程中：

1）临时固定光纤，利用窄脉冲红外光局部剥除其涂覆层；

2）移动剥除涂覆层的光纤部分至准分子激光器处临时固定，其输出光束经扩束和聚焦后通过相位掩膜板，对剥除涂覆层的光纤部分进行刻写；

3）将刻写完成后的光纤部分移动至紫外光涂覆设备处进行紫外光涂覆和固化；

4）重复步骤1）至3），在光纤上刻写多个光纤光栅，构成光纤光栅阵列。

8.根据权利要求7所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：所述步骤1）中，采用CO₂脉冲激光器（3）作为光源，其后依次设置第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、聚焦透镜和柱面反射镜（9），第一反射镜（5）和第二反射镜（6）平行，光源发出的光依次经第一反射镜（5）和第二反射镜（6）后，送入聚焦透镜使光汇聚，聚焦后的激光使光纤正面的涂覆层被剥除，透过聚焦透镜的平行光经柱面反射镜（9）反射后汇聚并到达光纤背面，使光纤背面的涂覆层被剥除；沿光纤延伸方向平移第二反射镜（6）和聚焦透镜，实现涂覆层剥除长度的调节。

9.根据权利要求7或8所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：所述步骤1）中，采用高清摄像头监控光纤涂覆层剥除情况。

10.根据权利要求7所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：所述步骤2）中，根据设计的光纤光栅阵列规格，采用单脉冲刻写低反射率光纤光栅，或者采用多脉冲刻写高反射率光纤光栅。

11.根据权利要求10所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：所述步骤2）中，光栅刻写完成后，利用波/时分光纤光栅解调仪（16）实时监控其反射光谱形状及光栅参数。

12.根据权利要求7所述的自动静态连续制备光纤光栅阵列的方法，其特征在于：所述步骤4）中，每重复步骤1）至3）若干次后，更换相位掩膜板，用于刻写分区全同的光纤光栅阵列。

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