CN105137533B - 一种啁啾光纤光栅及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种啁啾光纤光栅及其制作方法，属于光纤传感与通讯技术领域。将带有凹槽的形状记忆合金丝高温定形为S形状，再在常温下将其拉直，在其拉直后，把均匀周期光纤光栅粘贴在形状记忆合金丝的凹槽内，给形状记忆合金丝加热，由于其具有形状记忆效应，形状记忆合金丝会自动恢复到高温的时候的S形状，从而带动均匀周期光纤光栅变为S形，使其光纤的栅格周期发生变化，导致光纤光栅的中心反射(或透射)波长改变，产生自致啁啾效应，形成啁啾光纤光栅。此方法制作的啁啾光纤光栅，结构简单、成本低、可重复使用、满足多种工作环境的要求。

Description

一种啁啾光纤光栅及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感与通讯技术领域，具体而言，涉及一种啁啾光纤光栅的制作方法。

背景技术

啁啾光纤光栅是一种重要的光纤光学元器件。啁啾光纤光栅的栅格周期或有效折射率是不均匀的，导致沿光栅长度的不同点处反射波长不同，可用于实现色散补偿，因此啁啾光纤光栅在光纤通信和光纤光学设备中具有广泛的应用。

目前的啁啾光纤光栅制作方法有：非相似波前干涉法、相位掩膜法、二次曝光法、锥形法、光纤倾斜法，温度梯度法等。然而，非相似波前干涉法和光纤倾斜法均要求用于制作光纤光栅的激光光源有很好的相干性；二次曝光法、锥形法是以改变光栅的有效折射率为基础来制作啁啾光纤光栅，由于有效折射率的变化量有限，所以制作出的光栅的反射带宽受到了很大的限制；相位掩膜法需要购买价格昂贵的啁啾相位掩膜板。另外，通常啁啾光纤光栅在制作过程中需要去除光纤包层，导致制作完毕的啁啾光纤光栅在栅格区域存在裸纤，造成在实际使用过程中易碎，使用非常不便，所有这些问题都限制了啁啾光纤光栅发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种啁啾光纤光栅及其制作方法，以克服已有技术的不足。

本发明是这样实现的：

一种啁啾光纤光栅的制作方法，该制作方法的步骤如下：

步骤1：将设有凹槽的形状记忆合金丝放入S形模具中，将放入有所述形状记忆合金丝的S形模具放入加热炉中加热；

步骤2：停止所述加热炉的加热，使所述形状记忆合金丝随所述加热炉冷却；

步骤3：待所述形状记忆合金丝和所述S形模具冷却后，从所述加热炉中取出所述S形模具，并将所述形状记忆合金丝从所述S形模具中取出，再将冷却后呈S形状的形状记忆合金丝拉直；

步骤4：将均匀周期光纤光栅粘贴在拉直后的形状记忆合金丝的凹槽内，将粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝加热，直至所述粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝发生变形并恢复到上述S形状；

步骤5：待所述恢复到上述S形状的形状记忆合金丝冷却后，即得到外层包裹有形状记忆合金丝的啁啾光纤光栅。

进一步地，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述步骤1包括：将设有所述凹槽的所述形状记忆合金丝放入所述S形模具中，将所述S形模具放入内部温度为400-500摄氏度的加热炉中加热。

进一步地，所述步骤1包括：将设有所述凹槽的所述形状记忆合金丝放入所述S形模具中，将所述S形模具放入内部温度为450摄氏度的加热炉中加热2个小时。

进一步地，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述步骤4包括：将均匀周期光纤光栅粘贴在拉直后的形状记忆合金丝的凹槽内，将粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝加热至60-100摄氏度，直至所述粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝发生变形并恢复到上述S形状。

作为一种实施方式，所述加热炉为马弗炉。

进一步地，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述形状记忆合金丝的直径为0.5毫米，所述S形模具的每个半波的半径为3.18毫米。

优选的，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述形状记忆合金丝的材质为钛镍合金。

优选的，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述均匀周期光纤光栅为长周期光纤光栅。

优选的，上述啁啾光纤光栅的制作方法中，所述均匀周期光纤光栅为布拉格光纤光栅。

一种啁啾光纤光栅，所述啁啾光纤光栅为通过上述啁啾光纤光栅的制作方法制得的啁啾光纤光栅。

通过上述啁啾光纤光栅的制作方法制得啁啾光纤光栅，结构简单、成本低、可重复使用、满足多种工作环境的要求。

相对于现有技术，本发明包括以下有益效果：

本发明提供一种啁啾光纤光栅的制作方法，该方法为：将带有凹槽的形状记忆合金丝高温定形为S形状，再在常温下将其拉直，在其拉直后，把均匀周期光纤光栅粘贴在形状记忆合金丝的凹槽内，缓慢的给形状记忆合金丝加热，由于其具有形状记忆效应，形状记忆合金丝会自动恢复到高温的时候的S形状，从而带动均匀周期光纤光栅变为S形，使其光纤的栅格周期发生变化，导致光纤光栅的中心反射(或透射)波长改变，产生自致啁啾效应，每次使用都可以通过加热内含光纤光栅的形状记忆合金丝，使得光纤光栅恢复成S形状，具备可重复多次使用的特性，制作过程简单方便，相比掩膜板成本低，还不需用到激光光源，反射带宽不受限制。

该方法制作的啁啾光纤光栅可用于复杂航空结构件损伤检测的持续测量，通过监测损伤处的变化为结构健康监测学科的科学研究提供数据，而且此方法制作的啁啾光纤光栅结构简单、成本低、可重复使用、满足多种工作环境的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的啁啾光纤光栅的制作流程图；

图2为本发明实施例提供的内含啁啾光纤光栅的形状记忆合金丝的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测量啁啾光纤光栅的带宽的装置结构示意图；

图4为本发明实施例提供的S形模具的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的啁啾光纤光栅的带宽的光谱图。

其中附图标记如下：

形状记忆合金丝101；啁啾光纤光栅102；光源103；耦合器104；光谱仪105；S形模具106。

具体实施方式

啁啾光纤光栅在光纤通信和光纤光学设备中具有广泛的应用，目前的啁啾光纤光栅制作方法有：非相似波前干涉法、相位掩膜法、二次曝光法、锥形法、光纤倾斜法，温度梯度法等。然而，非相似波前干涉法和光纤倾斜法均要求用于制作光纤光栅的激光光源有很好的相干性；二次曝光法、锥形法是以改变光栅的有效折射率为基础来制作啁啾光纤光栅，由于有效折射率的变化量有限，所以制作出的光栅的反射带宽受到了很大的限制；相位掩膜法需要购买价格昂贵的啁啾相位掩膜板。另外，通常啁啾光纤光栅在制作过程中需要去除光纤包层，导致制作完毕的啁啾光纤光栅在栅格区域存在裸纤，造成在实际使用过程中易碎，使用非常不便，所有这些问题都限制了啁啾光纤光栅发展和应用。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种啁啾光纤光栅及其制作方法，该啁啾光纤光栅的制作方法，由于形状记忆合金丝加热时，会恢复到之前设定的形状，将均匀周期光纤光栅粘贴在形状记忆合金丝的凹槽内，从而带动均匀周期光纤光栅变为S形，形成啁啾光纤光栅，此方法制作的啁啾光纤光栅，结构简单、成本低、可重复使用、满足多种工作环境的要求，从而改善上述问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1、图2和图4，形状记忆合金丝弯曲成S形状后，均匀周期光纤光栅同样跟随形状记忆合金丝101的形变呈S形状，均匀周期光纤光栅内的光栅周期会发生变化，产生自制啁啾效应，形成了啁啾光纤光栅102。

如图1所示，本发明实施例提供的啁啾光纤光栅的制作方法如下：

步骤S101：将设有凹槽的形状记忆合金丝101放入S形模具106中，将放入有形状记忆合金丝101的S形模具106放入加热炉中加热；

本实施例中加热炉采用马弗炉，马弗炉内的温度保持在450摄氏度加热，加热的温度越高，形状记忆合金丝的则越软，加热的温度越低，形状记忆合金丝的韧性越高，形状记忆合金丝的太软，在后续步骤中，形状记忆合金丝的形变可能不足以带动光纤光栅变形，形状记忆合金丝的韧性太高，形状记忆合金丝不易拉伸，没有实际的应用价值，故本实施例选取的加热温度为450摄氏度，在其他实施方式中，加热温度也可以为其他，例如400摄氏度、420摄氏度、490摄氏度、500摄氏度。

加热的时间为2小时，加热的时间越长，在步骤S104中形状记忆合金丝需要恢复步骤S101的S形需要的加热温度的临界值则越低，相反，加热的时间越段，在步骤S104中形状记忆合金丝需要恢复步骤S101的S形需要的加热温度的临界值则越高，经过发明人的大量实验，选取加热时间为2小时最佳，在其他实施方式中，加热时间也可以为其他，例如加热1.5或3小时。

步骤S102：关闭马弗炉，停止加热，使形状记忆合金丝101和S形模具106随马弗炉冷却；

步骤S103：待形状记忆合金丝101和所述S形模具106冷却后，从马弗炉中取出含有形状记忆合金丝101的S形模具106，并将形状记忆合金丝101从S形模具106中取出，此时，形状记忆合金丝101呈S形状，再将冷却后呈S形状的形状记忆合金丝101拉直；

步骤S104：取一根均匀周期光纤光栅，将该均匀周期光纤光栅粘贴在拉直后的形状记忆合金丝101的凹槽内，将粘贴有均匀周期光纤光栅的形状记忆合金101丝加热，直至粘贴有布拉格光纤光栅的形状记忆合金丝101发生变形，并恢复到上述S形状且不再变化，此变化效果的鉴别是通过肉眼直接区分的；

本实施例中，将粘贴有布拉格光纤光栅的形状记忆合金101丝加热至80摄氏度，并保持该温度，直至粘贴有布拉格光纤光栅的形状记忆合金丝101发生变形，并恢复到上述S形状且不再变化。若步骤S101中的加热时间越长，则需要步骤S104中的加热温度越低，若步骤S101中的加热时间越短，则需要步骤S104中的加热温度越高，才能更好的使得形状记忆合金丝在步骤S104加热的时，恢复到上述S形状。当步骤S101的加热时间为其他时，步骤S104的加热温度也可以为其他温度，例如60摄氏度、70摄氏度、100摄氏度。

步骤S105：待所述恢复到上述S形状的形状记忆合金丝101冷却后，由于设置在形状记忆合金丝101的凹槽内的均匀周期光纤光栅，随形状记忆合金丝101的形变发生弯曲，也变为S形状，导致均匀周期光纤光栅内的栅格间距发生变化，产生自致啁啾效应，便得到外层包裹有形状记忆合金丝101的啁啾光纤光栅102。

进一步地，本实施例中形状记忆合金丝101的材质为钛镍合金材质，当然形状记忆合金丝101的材质也可以为其他材质，例如，CuZnAl合金材质。

进一步地，形状记忆合金丝101的直径为0.5毫米，0.5毫米的形状记忆合金丝较为普遍，取材方便；该S形模具的每个半波的半径为3.18毫米，此数值的选取只是作为一种实施方式的数值的选取，在其他的具体实施方式中，也可以为其他数值，例如该S形模具的每个半波的半径为4毫米，本实施例对此不做限定。

均匀周期光纤光栅可以为布拉格光纤光栅，但是布拉格光纤光栅不能作为均匀周期光纤光栅选取的限制，均匀周期光纤光栅也可以选取其他类型的均匀周期光纤光栅，例如，长周期光纤光栅。

根据光纤光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期(周期<1μm)和长周期(周期>1μm)两类，于1μm的短周期光纤光栅称为布拉格光纤光栅，而周期为几十至几百微米的为长周期光栅。

请参考图3，为了检测制得的啁啾光纤光栅102是否符合其性质，可以通过测定啁啾光纤光栅102的带宽来检测通过本实施例方法制得的啁啾光纤光栅102是否符合啁啾光纤光栅的性质。

光源103发射出光至耦合器104经过耦合器104的耦合再进入上述方法制得的啁啾光纤光栅102中，经过啁啾光纤光栅102内的光栅的反射，光线回到耦合器104并进入光谱仪105，得到相应的光谱图，通过对光谱图的分析，可以判定上述方法制得的啁啾光纤光栅102的带宽是否满足啁啾光纤光栅的带宽要求，即可以判定通过上述方法制得的啁啾光纤光栅102是否符合啁啾光纤光栅的性质。通过对制得的光纤光栅的带宽进行检测，证实通过本发明实施例方法制得的光纤光栅符合啁啾光纤光栅的性质，制得的是啁啾光纤光栅。

将啁啾光纤光栅102的靠近耦合器104的一端固定，拉动啁啾光纤光栅102另一端一定的距离，可以通过光谱仪得到如图5所示的光谱图，第一幅图为未拉伸状态的光谱图，第二幅图为啾光纤光栅102拉伸后的光谱图，从图中可以看出，啁啾光纤光栅102的带宽发生变化，利用此种性质，通过上述方法制得的啁啾光纤光栅102，可用于压力传感器等，利用形状记忆合金丝101的性质，可将外层包裹有形状记忆合金丝101的啁啾光纤光栅102制成温度传感器。

上述方法制作的啁啾光纤光栅结构简单、成本低、可重复使用、满足多种工作环境的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，该制作方法的步骤如下：

步骤1：将设有凹槽的形状记忆合金丝放入S形模具中，将放入有所述形状记忆合金丝的S形模具放入加热炉中加热；

步骤2：停止所述加热炉的加热，使所述形状记忆合金丝随所述加热炉冷却；

步骤3：待所述形状记忆合金丝和所述S形模具冷却后，从所述加热炉中取出所述S形模具，并将所述形状记忆合金丝从所述S形模具中取出，再将冷却后呈S形状的形状记忆合金丝拉直；

步骤4：将均匀周期光纤光栅粘贴在拉直后的形状记忆合金丝的凹槽内，将粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝加热，直至所述粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝发生变形并恢复到上述S形状；

步骤5：待所述恢复到上述S形状的形状记忆合金丝冷却后，即得到外层包裹有形状记忆合金丝的啁啾光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤1包括：将设有所述凹槽的所述形状记忆合金丝放入所述S形模具中，将所述S形模具放入内部温度为400-500摄氏度的加热炉中加热。

3.根据权利要求2所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤1包括：将设有所述凹槽的所述形状记忆合金丝放入所述S形模具中，将所述S形模具放入内部温度为450摄氏度的加热炉中加热2小时。

4.根据权利要求1所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤4包括：将均匀周期光纤光栅粘贴在拉直后的形状记忆合金丝的凹槽内，将粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝加热至60-100摄氏度并保持，直至所述粘贴有所述均匀周期光纤光栅的形状记忆合金丝发生变形并恢复到上述S形状。

5.根据权利要求1至4任一所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述加热炉为马弗炉。

6.根据权利要求5所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述形状记忆合金丝的直径为0.5毫米，所述S形模具的每个半波的半径为3.18毫米。

7.根据权利要求6所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述形状记忆合金丝的材质为钛镍合金。

8.根据权利要求7所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述均匀周期光纤光栅为长周期光纤光栅。

9.根据权利要求7所述的啁啾光纤光栅的制作方法，其特征在于，所述均匀周期光纤光栅为布拉格光纤光栅。

10.一种啁啾光纤光栅，其特征在于，所述啁啾光纤光栅为通过权利要求1-4任一所述方法制得的啁啾光纤光栅。