CN104316992B - 带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法，包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个相间隔的FBG光栅，其中第一FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中。本发明结构紧凑、体积小，集成度高，生产组装方便，制作成本低，适合于批量生产；整个光纤及连接器为无源产品，光电隔离，避免电磁干扰，长期使用性能稳定可靠。

Description

带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法，属于高度集成的大芯径能量光纤跳线技术领域。

背景技术

作为激光器配套产品中用于传导激光能量的核心部件，大芯径能量光纤及其连接器的应用随着激光器的发展得到广泛普及，涵盖了医学、工业、国防、科研、商业、信息各大领域，尤其是在前四种领域中对大芯径能量光纤的应用需求非常明显。在大体积金属切割、焊接及深加工、激光手术等特种应用中，要求大芯径光纤能够长时间稳定传导平均功率为几百到几千瓦的激光能量，尽量减少能量损耗，从而保证最终输出激光能量密度稳定在较高水平。

现有的大芯径能量光纤及其连接器产品，主要是通过有胶或无胶工艺在大芯径裸光纤两端固定上金属连接器，连接器的作用是连接并固定激光器和大芯径光纤，使输出光斑与光纤端面达到高效耦合。随着激光器能量增大对耦合效率要求极高，连接器的加工精度和耐受温度要求也越来越高，在实际产品应用中，受限于端面反射、加工精度低和装配工艺复杂等原因，激光能量耦合效率仅能达到80%~90%，剩余能量会以热能的形式传导到大芯径光纤连接器上，所以在超高能量输出的激光器上应用的大芯径光纤及其连接器需要配备水冷系统及温度探头，当连接器温度超过设定范围时将启动报警系统并断开激光器，以防止连接器过热变形后破坏耦合光路，从而导致大能量反射光将激光器烧坏，甚至引起人员伤亡等重大事件。

一般大芯径能量光纤在与超高功率激光器连接应用中必须在连接头处安装传感探头，因为技术难度大、精加工成本高，目前只有少数产品配备温度探头。为了减小体积、保证工作寿命及精度，同时避免引入额外热源，所提供的大芯径能量光纤连接器大多使用接触式热电偶温度传感器，由于受体积和安装方式限制，该传感器被镶嵌在金属连接器中，探测的是由端面反射及光纤热传导到连接器处的温度变化，无法直接检测大芯径能量光纤的温度变化。该类带温度监控的光纤连接器产品整体结构复杂、体积难以减小，加工难度大，同时传感器灵敏度低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，这些综合因素导致了大芯径能量光纤及其连接器产品的制造成本提高，也极大的限制了其在超高功率激光器行业的推广应用。

中国专利CN 202676426 U描述了一种带监视点的玻璃大芯径光纤，采用氢氟酸在光纤侧面腐蚀一个缺口，用来安装采集信号的光纤或光探测器，再通过屏蔽盒将器件前端及大芯径光纤缺口封装起来，其效果是监测点与待测大芯径光纤在同一光纤上，提高光纤信息检测的准确性，且其结构紧凑。但采用化学方法腐蚀大芯径光纤侧表面的工艺操作难度大，腐蚀面积和深度难以控制，不同监测点的缺口大小不同易造成监测数据基准不一、测量差异较大。

光纤布拉格光栅(简称FBG)传感器的工作原理是温度/应变变化导致光纤光栅布拉格中心波长的变化，通过测量波长变化得出待测的温度/应力量。光纤光栅的Bragg 波长为

与传统传感器相比，因光纤光栅传感器是基于光纤来制作，其具有很多特点，比如灵敏度高、体积小、重量轻、安全防爆、抗电磁干扰能力强、抗电磁干扰可应用于恶劣环境(没有加入电磁过程)，信号传输距离远（光纤中光衰减慢），使用寿命长等等优点。同时光纤光栅其本身的特点使得每个探点仅利用相当少的光源分量，绝大部分光都透过并继续传播，为组网带来巨大便利。波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。总的来说光纤光栅FBG传感器非常适合做大范围多节点的分布式测量，在系统监测中具有集成度与组网的优势。因此，光纤光栅FBG传感器越来越广泛地受到各行各业的青睐，开始在市政交通、水利水电、隧道、桥梁、或石油石化等监控领域得到应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、集成度高、制作成本低的带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个相间隔的FBG光栅（光纤布拉格光栅），其中第一FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中。

按上述方案，所述的传感光纤在第二FBG光栅后间隔设置第三FBG光栅，所述的第三FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤的耐高温涂层的外周面上。

按上述方案，所述的大芯径能量光纤的耐高温涂层外包覆有紧套外护层，紧套外护层的前端延伸至第二FBG光栅和第三FBG光栅之间，并包覆第三FBG光栅。

按上述方案，所述的传感光纤沿与大芯径能量光纤轴线的大致平行方向相配置，传感光纤的尾纤穿出大芯径能量光纤的紧套外护层。

按上述方案，所述的传感光纤为单模光纤，各个FBG光栅的波长各不相同，工作窗口为1310nm波段（1260nm~1360nm）和/或1550nm波段（1525nm~1565nm）。

按上述方案，所述的大芯径能量光纤包括芯层和包层，所述的芯层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率Δ3为-0.5%~0%。

按上述方案，所述的大芯径能量光纤的前端安设有连接器，用以与激光器相连。

按上述方案，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环，所述的光纤固定尾柄为轴套状，中部通孔与大芯径能量光纤的紧套外护层段相配接，中部通孔的一侧沿轴向开设有容纤槽，光纤固定尾柄的前端设有端头，端头的前端面上设置有定位键，端头中设置孔腔与光纤插芯的后端相套接，所述的光纤插芯为套状，前后依次设置3个同轴心的通孔，后端通孔与大芯径能量光纤的耐高温涂层段相配置，中间通孔中一侧开设有纤槽，用于安设传感光纤的第一FBG光栅段，前端通孔中安设有限位卡环，限位卡环中间穿引大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位。

按上述方案，所述的光纤固定尾柄由金属制成，在光纤固定尾柄上设置冷却水循环部件。

本发明带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法技术方案为：

包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于大芯径能量光纤前端的耐高温涂层和紧套外护层被剥离形成裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有3个轴向相间隔的FBG光栅（光纤布拉格光栅），第一、第二、第三FBG光栅前后依次排序，所述裸光纤长度比第一FBG光栅和第二FBG光栅总长度长5~10mm；在裸光纤后面的连接部分剥离紧套外护层，保留带耐高温涂层；将第一FBG光栅、第二FBG光栅紧贴在裸光纤外周面，利用涂覆机将第二光纤FBG光栅与其所贴局部裸光纤一同涂上新的耐高温涂层，新旧耐高温涂层间无间隙；将第三FBG光栅紧贴在带有耐高温涂层的光纤外周面，利用涂覆机将第三FBG光栅与其所贴局部带涂层光纤一同涂上紧套外护层材料，或者直接使用热缩套管将第三FBG光栅和带涂层光纤一同封装，或者使用耐高温胶水将第三FBG光栅和带涂层光纤粘结在一起，传感光纤的尾纤穿引出大芯径能量光纤的外护层松弛放置。

按上述方案，在大芯径能量光纤的前端安设有连接器，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环；所述的大芯径能量光纤前端端面利用激光切割抛光处理，依次将光纤固定尾柄和光纤插芯套在被处理的大芯径能量光纤前端，光纤固定尾柄和光纤插芯的中部通孔的一侧沿轴向分别开设有容纤槽和纤槽，容纤槽和纤槽周向处于同一方位，传感光纤的第一FBG光栅段安设在光纤插芯的纤槽中，传感光纤的尾纤通过光纤固定尾柄的容纤槽引出；限位卡环安设在光纤插芯的前端通孔中，限位卡环中间穿引出大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位，保证同心度，防止前端裸光纤使用过程中晃动偏移中心点；光纤固定尾柄通过粘结或者机械夹持将大芯径能量光纤固定。

本发明基于以下的机理：

光栅处在自由状态，即不受应变作用时，温度与波长改变量的关系为

1300nm的光纤光栅，温度变化1℃将导致9.13pm的波长改变量。对于中心波长为1550nm的光纤光栅，温度变化1℃将导致13pm的波长改变量。

如果光栅处在恒温环境中，即不受温度影响，则光纤光栅可用作应变传感器。应变与波长改变量的关系为

栅，1με将引起1pm的波长改变量。中心波长为1550nm的光纤光栅，1με将引起1.21pm的波长改变量。

本发明有益效果在于：1、结构紧凑、体积小，集成度高，生产组装方便，制作成本低，适合于批量生产；2、采用光纤FBG光栅进行温度/应变监测，整个光纤及连接器为无源产品，光电隔离，避免电磁干扰，长期使用性能稳定可靠；3、无需改变大芯径能量光纤波导结构，不会形成机械损伤，最大化的保护能量光纤正常工作；4、裸光纤前端放置一个高精度的限位卡环，防止前端裸光纤使用过程中晃动偏移中心点。同时，限位卡环还起到隔离反射光线、隔尘挡灰的作用；本发明的连接器可外接冷却水循环部件，可连续散热，保证大芯径能量光纤的正常使用。

附图说明

图1为本发明一个实施例的大芯径能量光纤及其连接器的轴向剖视结构图。图中1为限位卡环，2为光纤插芯，3为传感光纤FBG光栅，4为耐高温涂层，5为紧套外护层，6为光纤固定尾柄，7为传感光纤尾纤，8为带紧套外护层的大芯径能量光纤。

图2为图1中大芯径能量光纤的轴向剖视结构图。

图3为图2的侧视图。图中301为第一FBG光栅、302为第二FBG光栅、303为第三FBG光栅，801为剥离涂层和外护层的裸光纤。

图4、图5分别为本发明实施例中连接器的两种限位卡环结构图。图中101为一种圆环形卡环，110为一种带缺口的卡环。

图6、图7分别为本发明实施例中光纤插芯的侧视图和轴向剖视图。201为光纤插芯内的纤槽。

图8为本发明的一个实施例的温度测试结果图。图中横坐标为温度值（℃），纵坐标为光栅测试波长（nm）。

图9为本发明的一个实施例中采用中心波长1544nm光栅进行应变测试的结果图。图中横坐标为光纤受力值（N），纵坐标为应变量（με）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如附图所示，包括大芯径能量光纤和传感光纤3，所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤8和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层4，耐高温涂层外包覆有紧套外护层5，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤801，所述的传感光纤的前端设置有3个轴向相间隔的FBG光栅（光纤布拉格光栅），第一FBG光栅301、第二FBG光栅302、第三FBG光栅303前后依次排序；各个FBG光栅的波长各不相同，其中第一FBG光栅波长为1540nm，第二FBG光栅的波长为1544nm,第三FBG光栅的波长为1546nm。3个光纤FBG光栅传感器可以直接在一根裸光纤上刻写不同波长FBG光栅形成链路，也可以是不同波长光纤FBG光栅间通过熔接串联，熔接点直接利用涂覆层材料进行保护，无需使用热缩管等材料单独进行封装保护。所述裸光纤长度比第一FBG光栅和第二FBG光栅总长度长5~10mm；所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中，所述的第三FBG光栅穿出耐高温涂层紧贴在大芯径能量光纤的耐高温涂层的外周面上。紧套外护层的前端延伸至第二FBG光栅和第三FBG光栅之间，并包覆第三FBG光栅。传感光纤的轴线与大芯径能量光纤轴线大致平行，传感光纤的尾纤7穿出大芯径能量光纤的紧套外护层，紧贴紧套外护层向后延伸。引出尾纤外可增加保护套管并连接常规通信用连接头，以便与其他光纤光栅传感器串联组网。

所述的大芯径能量光纤的前端安设有连接器，用以与激光器相连。所述的连接器包括光纤固定尾柄6、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯2和限位卡环1，所述的光纤固定尾柄为轴套状，中部通孔与大芯径能量光纤的紧套外护层段相配接，中部通孔的一侧沿轴向开设有容纤槽，光纤固定尾柄的前端设有端头，端头的前端面上设置有定位键，端头中设置孔腔与光纤插芯的后端相套接，所述的光纤插芯为套状，前后依次设置3个同轴心的通孔，后端通孔与大芯径能量光纤的耐高温涂层段相配置，中间通孔中一侧开设有纤槽201，用于安设传感光纤的第一FBG光栅段，前端通孔中安设有限位卡环，所述的限位卡环可为圆环形卡环101，或为一种带缺口的卡环110，限位卡环中间小孔穿引大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位。所述的光纤固定尾柄、光纤插芯和限位卡环由金属制成，或由陶瓷、玻璃或耐高温塑料制成；在光纤固定尾柄上可设置冷却水循环部件。

本实施例的制作过程为：将大芯径能量光纤前端的耐高温涂层和紧套外护层剥离形成裸光纤，在裸光纤后面的连接部分剥离紧套外护层，保留带耐高温涂层；将第一FBG光栅、第二FBG光栅紧贴在裸光纤外周面，利用涂覆机将第二光纤FBG光栅与其所贴局部裸光纤一同涂上新的耐高温涂层，新旧耐高温涂层间无间隙；将第三FBG光栅从耐高温涂层中引出紧贴在带有耐高温涂层的光纤外周面，利用涂覆机将第三FBG光栅与其所贴局部带涂层光纤一同涂上紧套外护层材料，或者直接使用热缩套管将第三FBG光栅和带涂层光纤一同封装，或者使用耐高温胶水将第三FBG光栅和带涂层光纤粘结在一起，传感光纤的尾纤穿引出大芯径能量光纤的外护层松弛放置。在大芯径能量光纤的前端安设有连接器，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环；所述的大芯径能量光纤前端端面利用激光切割抛光处理，依次将光纤固定尾柄和光纤插芯套在被处理的大芯径能量光纤前端，光纤固定尾柄和光纤插芯的中部通孔的一侧沿轴向分别开设有容纤槽和纤槽，容纤槽和纤槽轴向处于同一方位，传感光纤的第一FBG光栅段安设在光纤插芯的纤槽中，传感光纤的尾纤通过光纤固定尾柄的容纤槽引出；限位卡环安设在光纤插芯的前端通孔中，限位卡环中间穿引出大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位，防止前端裸光纤使用过程中晃动偏移中心点；光纤固定尾柄通过粘结或者机械夹持将大芯径能量光纤固定。

Claims (9)

1.一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤，包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤包括裸光纤和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个相间隔的FBG光栅，其中第一FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中；所述的传感光纤在第二FBG光栅后间隔设置第三FBG光栅，所述的第三FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤的耐高温涂层的外周面上；所述的大芯径能量光纤的耐高温涂层外包覆有紧套外护层，紧套外护层的前端延伸至第二FBG光栅和第三FBG光栅之间，并包覆第三FBG光栅。

2.按权利要求1所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的传感光纤沿与大芯径能量光纤轴线的大致平行方向相配置，传感光纤的尾纤穿出大芯径能量光纤的紧套外护层。

3.按权利要求1所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的传感光纤为单模光纤，各个FBG光栅的波长各不相同，工作窗口为1310nm波段和/或1550nm波段。

4.按权利要求1所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤包括芯层和包层，所述的芯层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，芯层的直径D1为400μm~620μm，芯层的相对折射率差Δ1为-0.2%~0%，所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440μm~700μm，内包层的相对折射率差Δ2为-1.9%~-0.9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μm~760μm，外包层的相对折射率差Δ3为-0.5%~0%。

5.按权利要求2所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤的前端安设有连接器，用以与激光器相连。

6.按权利要求5所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环，所述的光纤固定尾柄为轴套状，中部通孔与大芯径能量光纤的紧套外护层段相配接，中部通孔的一侧沿轴向开设有容纤槽，光纤固定尾柄的前端设有端头，端头的前端面上设置有定位键，端头中设置孔腔与光纤插芯的后端相套接，所述的光纤插芯为套状，前后依次设置3个同轴心的通孔，后端通孔与大芯径能量光纤的耐高温涂层段相配置，中间通孔中一侧开设有纤槽，用于安设传感光纤的第一FBG光栅段，前端通孔中安设有限位卡环，限位卡环中间穿引大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位。

7.按权利要求6所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的光纤固定尾柄由金属、陶瓷、玻璃或耐高温塑料制成，在光纤固定尾柄上设置冷却水循环部件。

8.一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法，包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于大芯径能量光纤前端的耐高温涂层和紧套外护层被剥离形成裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有3个轴向相间隔的FBG光栅，第一、第二、第三FBG光栅前后依次排序，所述裸光纤长度比第一FBG光栅和第二FBG光栅总长度长5~10mm；在裸光纤后面的连接部分剥离紧套外护层，保留耐高温涂层；将第一FBG光栅、第二FBG光栅紧贴在裸光纤外周面，利用涂覆机将第二光纤FBG光栅与其所贴局部裸光纤一同涂上新的耐高温涂层，新旧耐高温涂层间无间隙；将第三FBG光栅紧贴在带有耐高温涂层的光纤外周面，利用涂覆机将第三FBG光栅与其所贴局部带涂层光纤一同涂上紧套外护层材料，或者直接使用热缩套管将第三FBG光栅和带涂层光纤一同封装，或者使用耐高温胶水将第三FBG光栅和带涂层光纤粘结在一起，传感光纤的尾纤穿引出大芯径能量光纤的外护层松弛放置。

9.按权利要求8所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法，其特征在于在大芯径能量光纤的前端安设有连接器，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环；所述的大芯径能量光纤前端端面利用激光切割抛光处理，依次将光纤固定尾柄和光纤插芯套在被处理的大芯径能量光纤前端，光纤固定尾柄和光纤插芯的中部通孔的一侧沿轴向分别开设有容纤槽和纤槽，容纤槽和纤槽周向处于同一方位，传感光纤的第一FBG光栅段安设在光纤插芯的纤槽中，传感光纤的尾纤通过光纤固定尾柄的容纤槽引出；限位卡环安设在光纤插芯的前端通孔中，限位卡环中间穿引出大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位，保证同心度，防止前端裸光纤使用过程中晃动偏移中心点；光纤固定尾柄通过粘结或者机械夹持将大芯径能量光纤固定。