CN105259610B - 一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法 - Google Patents

一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法，其中装置包括一维平移台，一维平移台上设置有用于固定和调节相位掩模板阵列的可移动夹具，激光束相对于平移台位置固定；相位掩模板阵列包括基片和基片上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区，相位掩模板密集等间距的排列在基片中；夹具沿所述一维平移台移动，带动所述相位掩模板，让激光束辐射在不同相位掩模干涉区上，从而实现不同波长的光栅制备。本发明装置结构简单，控制实施容易，掩模板切换速度快，提高了工作效率。

Description

一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅制备领域，尤其涉及一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法。
背景技术
随着光纤传感器应用规模不断扩展、传感能力快速增强、传感种类日益丰富，光纤传感技术正朝着高性能、密集化和网络化的方向持续发展，发展新一代大容量密集光纤传感器网络已成为新一轮信息化浪潮的重大课题。
众所周知，光纤传感网络的大容量可归纳如下：一是测量点数多，如大飞机结构的智能检测往往需要多达成千上万点数的传感测量；二是测量密集度高，如单纤中对局部位置的被测量进行密集精确测量。目前有些光纤传感网络能实现上千点数的传感，但不能实现密集测量；有些光纤传感网能满足密集测量要求，但测量点数和距离有限。因此，研究开发同时具有多点数和密集性的大容量光纤传感网络具有重要应用前景。
光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)为光纤传感技术开辟了一个全新领域。利用波长调制解调可以实现密集测量，但在光纤光栅波分复用解调(WDM)传感系统中,光栅传感器复用数量受光源带宽、光栅带宽以及相邻光栅波长间隔影响,复用数量有限，远远满足不了大容量组网要求。有人提出了全同光栅和编码光栅时分复用解调(TDM)技术来提高了光栅复用容量，但仍然没有解决焊点多、损耗大和抗机械性能差等问题，从而限制了大容量网络发展。单一的组网技术已无法满足大容量密集要求，因此混合复用技术是大容量光纤传感网络的必然趋势。WDM/TDM混合复用网络结合WDM和TDM两种方法优点，是在时间域和波长域二维空间应用的混合网络。光源经调制器发出的光脉冲信号进入FBG阵列，各FBG反射的波长信号由光电探测器在时序上分开或各光栅反射的时域信号由探测器在波长上分开。这种技术不仅能够复用大量的FBG传感器，同时在时分基础上进行光栅位置分区，并通过波长识别在位置分区内实现FBG传感器密集分布。
WDM/TDM混合复用光纤光栅传感网络之所以还没有得到很好应用，关键难点之一是复合组网的光栅阵列精准制作,光栅阵列的连续动态制备一般是采用光纤拉丝塔在线写入方法制作光栅，德国光子技术研究所(Institute of Photonic Technology)从2003年致力于拉丝光栅制作，使用Talbot干涉仪实施多波长光栅阵列的制备，利用双反射镜将相位掩模板的±1级衍射光反射相交形成干涉，实现移动光纤上的光栅刻写；由于光束分路干涉法对两束相干光的相交角度非常敏感，实际中很难用反射镜角度调节精确控制FBG的中心波长，从报道技术指标看，单一波长光栅阵列的Bragg波长一致性较差，波长覆盖宽度高达0.4nm；对于光栅阵列的多波长解调而言，无疑会减少各光栅的工作带宽和有效工作波长数。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中实施多波长光栅阵列存在波长精度控制差的缺陷，提供一种基于多波长相位掩模板阵列一维平移的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，包括一维平移台和相位掩模板阵列，所述一维平移台上设置有用于固定和调节所述相位掩模板阵列的可移动夹具；
所述相位掩模板阵列包括基片和所述基片上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区，所述相位掩模干涉区密集等间距的排列在所述基片中；
所述夹具沿所述一维平移台移动，并带动所述相位掩模板阵列移动，使固定的激光束辐射到不同的所述相位掩模干涉区上。
进一步地，本发明的所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置中，所述相位掩模板阵列的相位掩模干涉区的条纹周期λ1，λ2，λ3，λ4，…,λn-3,λn-2,λn-1,λn依次等间距增加或减少。
进一步地，本发明的所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置中，正向间隔的所述相位掩模干涉区的条纹周期依次为λ1，λ2，…，λn/2-1，λn/2，反向间隔的所述相位掩模干涉区的条纹周期依次为λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn，满足λ1，λ2，λ3，…，λn/2-1，λn/2，λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn依次等间距增加或减少，n为偶数。
进一步地，本发明的所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置中，所述一维移动台上还设置有伺服控制机构、双燕尾槽轨道以及丝杆；
进一步地，本发明的所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置中，所述丝杆一端与所述伺服控制机构连接，所述夹具底部通过丝杆螺母与所述丝杆连接，所述伺服控制机构带动所述丝杆转动，使所述夹具沿所述双燕尾槽轨道移动。
进一步地，本发明的所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置中，所述基片为二氧化硅材质。
所述伺服控制机构的步长与所述相位掩模干涉区的水平方向的宽度一致。
本发明提供一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换方法，具体步骤为：
设置相位掩模板阵列，相位掩模板的周期按照单向递增或递减的方式排列；
移动相位掩模板阵列至初始位置，使激光束辐射到第一块相位掩模干涉区上；
完成该初始位置的光栅制备后，移动相位掩模板阵列使激光束辐射到相邻的一块相位掩模干涉区上，直到完成所有波长的光栅组的制备。
本发明提供一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换方法，具体步骤为：
设置相位掩模板阵列，相位掩模板的周期按照双向依次递增或递减的方式排列；
移动相位掩模板阵列至初始位置，使激光束辐射到第一块相位掩模干涉区上；
完成该初始位置的光栅制备后，移动相位掩模板使激光束辐射到间隔的一块相位掩模干涉区上，直到完成整个阵列周期数的一半，再控制其向反方向间隔移动，在一个往返移动中完成所有波长的光栅组的制备。
本发明产生的有益效果是：本发明的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，通过将相位掩模板阵列固定在一维平移台上，并使用伺服控制机构带动夹具移动，使相位掩模板的干涉区能够稳定的实现波长一致良好的光栅在线制备；通过多个相位掩模板之间的相互切换实现多波长有序排列的光栅阵列的制备；通过对多相位掩模板阵列的波长进行周期性排列，保证了多波长光栅阵列在光纤上均匀等距的制备，装置结构简单，控制实施容易，掩模板切换速度快，提高了工作效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置的一种排列方式的相位掩模板阵列的示意图；
图3是本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置的另一种排列方式的相位掩模板阵列的示意图；
图中1-一维平移台，101-伺服控制机构，102-双燕尾槽轨道，103-丝杆，2-夹具，3-相位掩模板阵列，301-基片，302-相位掩模干涉区，4-激光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，包括一维平移台1和相位掩模板阵列3，一维平移台1上设置有用于固定和调节相位掩模板阵列3的可移动夹具2；
相位掩模板阵列3包括基片301和基片301上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区302，相位掩模干涉区302密集等间距的排列在基片301中；基片301为二氧化硅材质，或石英玻璃。
夹具2沿一维平移台1移动，并带动相位掩模板阵列3移动，使相对于一维平移台1固定的激光束4辐射到不同的相位掩模干涉区302上，从而实现不同波长的光栅制备。
一维移动台1上还设置有伺服控制机构101，双燕尾槽轨道102，以及丝杆103；丝杆103一端与伺服控制机构101连接，夹具2底部通过丝杆螺母与丝杆103连接，伺服控制机构101带动丝杆103转动，使夹具2沿双燕尾槽轨道102移动，伺服控制机构101的步长与相位掩模干涉区302的水平方向的宽度一致。
本发明实施例的相位掩模干涉区302有两种排列方式：
如图2所示，相位掩模干涉区302的条纹的周期λ1，λ2，λ3，λ4，…,λn-3,λn-2,λn-1,λn依次等间距增加或减少。
光纤光栅在线制备是指在光纤拉丝的过程中，将光栅写入光纤中。光栅制备过程中，光纤是移动的；虽然光纤沿其轴向上是运动的，但光纤的空间位置相对一维平移套台以及相位掩模干涉区而言是静止不动的。在制备光纤光栅的时候，使用光纤光栅固定装置将光纤光栅阵列固定在本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置的前方，使激光束4通过相位掩模板阵列3的辐射后，能够准确的辐射到制备的光纤光栅阵列上。光纤光栅阵列与相位掩模板阵列3处于同一平面，并且不接触，使相位掩模板阵列3在移动的过程中不接触到光纤光栅阵列。
为确保相位掩模板阵列3处于同一个平面以保证平移台平移过程中光纤不触碰掩模干涉区表面，同时为方便伺服系统精确切换目标掩模板到激光束辐照区，本发明将所有掩模板干涉区制备在同一块基片上，其好处有：1、所有相位掩模干涉区制备在一块基片上，有利于相位掩模板的安装和固定，同时更加方便于整体光路的调节；2、由于干涉区集中排列，能有效减少一维平移台全程移动距离，对于本周期依次渐变的相位掩模板排列方式，在实施多波长光栅阵列有序制备时，能有效减小一维平移台回程时间，有利于实施密集多波长光栅阵列的制备。
如图3所示，正向间隔的相位掩模干涉区302的条纹的周期依次为λ1，λ2，…，λn/2-1，λn/2，，反向间隔的相位掩模干涉区302的周期依次为λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn，满足λ1，λ2，λ3，…，λn/2-1，λn/2，λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn依次等间距增加或减少，n为偶数。
由于一维平移台实施相位掩模干涉区302间的周期性切换采用平移台往返移动来实现，若相位掩模板阵列3采用图2所示的排列方式，则往返移动中只有一个单程有用，需要反向单程将相位掩模板阵列3恢复的起始位置进行下一个周期的相位掩模干涉区302切换，显然这种相位掩模板阵列3排列方式很难实施密集多波长光栅阵列有序等间距制备。图3所示的相位掩模干涉区302排列方式将图2所示的掩模板阵列周期单向渐变的排列方式变为双向渐变的排列方式，双向渐变的掩模干涉区周期相互穿插排列，以便将平移台一维往返运动变成周而复始的相位掩模板阵列的切换，从而方便实现多波长光栅阵列的密集等间距制备。
本发明采用相位掩模板形成的稳定激光干涉条纹直接在光纤上写入光栅，能有效保证光栅波长一致性，有效克服采用Talbot干涉仪实施多波长光栅阵列时光栅波长控制精度差的缺点。采用多相位掩模板阵列实施多波长光栅阵列的有序制备，其装置结构简单，控制实施容易，掩模板间切换速度快，能有效保证多波长光栅阵列的密集有序制备。通过对多相位掩模板在基板上的周期有序排列，有效保证多波长光栅阵列在光纤上密集等距写入，有效避免相位掩模板阵列一维运动的非连续均匀性给光栅阵列密集等距写入带来技术困难。
通过高精度双燕尾槽轨道102确保一维运动的平移台在移动中防止振动，有效避免紧邻光纤的相位掩模板阵列3触碰到光纤，高精度一维平移台1通过伺服控制系统实现相位掩模板阵列3的调节、固定夹具2的步进平移，从而实现相位掩模干涉区302间的相互切换以制备不同波长的光栅。
本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换方法用于实现本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，具体步骤为：设置相位掩模板阵列，相位掩模板的周期按照单向递增或递减的方式排列；移动相位掩模板阵列至初始位置，使激光束辐射到第一块相位掩模干涉区上；完成该初始位置的光栅制备后，移动相位掩模板阵列使激光束辐射到相邻的一块相位掩模干涉区上，直到完成所有波长的光栅组的制备。
本发明另一个实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换方法用于实现本发明实施例的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，具体步骤为：设置相位掩模板阵列，相位掩模板的周期按照双向依次递增或递减的方式排列；移动相位掩模板阵列至初始位置，使激光束辐射到第一块相位掩模干涉区上；完成该初始位置的光栅制备后，移动相位掩模板使激光束辐射到间隔的一块相位掩模干涉区上，直到完成整个阵列周期数的一半，再控制其向反方向间隔移动，在一个往返移动中完成所有波长的光栅组的制备。
本方法采用相位掩模板稳定的干涉区实现Bragg波长一致良好的光栅在线制备，并通过多个相位掩模板间的相互切换实现多波长有序排列的光栅阵列制备。为避免多个相位掩模板阵列一维往返运动的非连续均匀性造成多波长光栅阵列在光纤上位置的非均匀排列，本发明对多相位掩模板阵列的波长进行周期性排列，确保多波长光栅阵列在光纤上均匀等距制备。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，其特征在于，包括一维平移台(1)和相位掩模板阵列(3)，所述一维平移台(1)上设置有用于固定和调节所述相位掩模板阵列(3)的可移动夹具(2)；
所述相位掩模板阵列(3)包括基片(301)和所述基片(301)上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区(302)，所述相位掩模干涉区(302)密集等间距的排列在所述基片(301)中；
所述夹具(2)沿所述一维平移台(1)移动，并带动所述相位掩模板阵列(3)移动，使固定的激光束(4)辐射到不同的所述相位掩模干涉区(302)上；
所述相位掩模板阵列(3)的相位掩模干涉区(302)的条纹周期的设置规则包括：
正向间隔的所述相位掩模干涉区(302)的条纹周期依次为λ1，λ2，…，λn/2-1，λn/2，反向间隔的所述相位掩模干涉区(302)的条纹周期依次为λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn，满足λ1，λ2，λ3，…，λn/2-1，λn/2，λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn依次等间距增加或减少，n为偶数。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，其特征在于，所述一维平移台(1)上还设置有伺服控制机构(101)、双燕尾槽轨道(102)以及丝杆(103)；
所述丝杆(103)一端与所述伺服控制机构(101)连接，所述夹具(2)底部通过丝杆螺母与所述丝杆(103)连接，所述伺服控制机构(101)带动所述丝杆(103)转动，使所述夹具(2)沿所述双燕尾槽轨道(102)移动。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，其特征在于，所述伺服控制机构(101)的步长与所述相位掩模干涉区(302)的水平方向的宽度一致。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置，其特征在于，所述基片(301)为二氧化硅材质。
5.一种采用权利要求1中的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置的光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换方法，其特征在于，具体步骤为：
设置相位掩模板阵列，相位掩模板的周期按照双向依次递增或递减的方式排列；相位掩模板阵列的相位掩模干涉区的条纹周期的设置规则包括：
正向间隔的所述相位掩模干涉区的条纹周期依次为λ1，λ2，…，λn/2-1，λn/2，反向间隔的所述相位掩模干涉区的条纹周期依次为λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn，满足λ1，λ2，λ3，…，λn/2-1，λn/2，λn/2+1，λn/2+2，…，λn-1，λn依次等间距增加或减少，n为偶数；
移动相位掩模板阵列至初始位置，使激光束辐射到第一块相位掩模干涉区上；
完成该初始位置的光栅制备后，移动相位掩模板使激光束辐射到间隔的一块相位掩模干涉区上，直到完成整个阵列周期数的一半，再控制其向反方向间隔移动，在一个往返移动中完成所有波长的光栅组的制备。
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