CN106383378A - 基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法 - Google Patents

基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法。本发明将无芯光纤尽量平整贴近光纤夹具上，光纤两头固定死，将光纤夹具放在三维位移平台上并使得光纤平分激光投影的圆形图案，利用电脑控制的聚焦系统调节飞秒激光头至可以在电脑屏幕上观察到光纤，可以清晰看到玻璃上的杂质之后再去找光纤，这时减慢激光头移动速度，上下前后精细移动激光头至清晰玻璃杂质和旁边模糊区域分界线，模糊区域便是光纤，将激光移至纤芯中间；进行编程，深度一般为1‑10个微米，然后进行刻写，从而形成一段带有布拉格光栅的无芯光纤。本发明具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。

Description

基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法
技术领域
本发明属于光纤光栅制作的技术领域，涉及一种在无芯光纤上形成光纤布拉格光栅的制作方法。
背景技术
光纤光栅依其体积小、抗电磁干扰、质量轻、造价便宜等特点，受到人们关注和青睐，同时光纤光栅可同时测量多个物理量(温度、应力、压力等)以及一路光纤上应用波分复用技术等优势。光纤布拉格光栅主要应用于智能油井和管道，智能结构监测，智能土木工程建筑，以及航海传感、智能航空。
目前得到大规模应用的光纤布拉格光栅绝大部分是在普通单模光纤上刻写的。普通单模光纤包层半径为62.5μm，纤芯半径为4.5μm，所制作的光纤布拉格光栅位于纤芯，和外界无直接接触，对外界介质如液体折射率传感灵敏度不高。无芯光纤是一种不同于普通单模光纤的均匀材质的石英纤维，在使用过程中，无芯光纤本身充当纤芯，周边空气充当包层构成波导，这样飞秒激光器在无芯光纤上打光栅就很容易可以直接进行刻写，所制作的光纤布拉格光栅可以直接接触传感介质，具有巨大的应用前景。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法。
实现本发明的设备包括飞秒激光器、聚焦系统、计算机、三维位移平台、光纤夹具、无芯光纤。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选用一台波长为800nm飞秒激光器、一套聚焦系统、一台控制飞秒激光器和三维位移平台的计算机、一个三维位移平台、一对光纤夹具、一段无芯光纤。
步骤(2)将无芯光纤放在一对光纤夹具上，将光纤夹具固定在三维位移移动平台上，调节聚焦系统使得飞秒激光器输出激光聚焦在无芯光纤表面，将计算机与三维位移平台连接，将计算机与飞秒激光器连接。
步骤(3)根据光纤布拉格光栅工作原理确定制作参数。
当无芯光纤放置在空气中，无芯光纤和周围空气构成了波导结构。光在由无芯光纤和周围空气构成的波导中传输，根据无芯光纤尺寸及材料折射率参数可以计算其有效折射率neff；当无芯光纤被刻写周期结构时，类似于在普通单模光纤纤芯刻写周期结构，也可以形成布拉格光栅，其反射中心波长为
λ0＝2neffΛ
其中neff为无芯光纤和周围空气构成的波导的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。
若设定的光纤布拉格光栅的反射中心波长λ0，确定光栅周期Λ＝λ0/2neff。在每个光栅周期中，飞秒激光刻写长度L为5-50微米，宽度d为1微米至5微米，刻写深度h为1微米至10微米。
步骤(4)开启飞秒激光器，由计算机控制三维位移平台和飞秒激光器，使得：从垂直光纤方向在光纤原点x＝0处刻写一个条纹，长度L为5至50微米，宽度d为1至5微米，刻写深度h为1微米至10微米；在x＝kΛ处重复刻写条纹,k为正整数。光纤光栅周期个数N范围为100至5000。
本发明主要创新于在无芯光纤上刻光纤布拉格光栅，克服了飞秒激光器对光纤纤芯难打的缺点，直接刻写纤芯，以空气为包层，方便、简洁、易操作。本发明具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。
附图说明
图1a为本发明的结构示意图；
图1b为无芯光纤布拉格光栅的结构示意图；
图2为无芯光纤布拉格光栅反射谱模拟图。
具体实施方式
如图1a所示，基于无芯光纤布拉格光栅传感的装置包括一台波长为800nm的飞秒激光器1、一套聚焦系统2、一台控制飞秒激光器1和三维位移平台5的计算机6、一段无芯光纤3、一对光纤夹具4。
利用该制作装置打无芯光纤布拉格光栅包括以下步骤：
(1)选择一台波长为800nm的飞秒激光器1、一段无芯光纤3、一对光纤夹具4、一个三维位移平台5、一台控制飞秒激光器1和三维位移平台5的计算机6；
(2)利用飞秒激光器1直接在无芯光纤3上刻写布拉格光栅，其制作步骤如下：将无芯光纤3尽量平整放置在一对光纤夹具4上，将一对光纤夹具4固定在三维位移平台5上，调节聚焦系统2使得飞秒激光器1输出激光聚焦在无芯光纤2表面；光栅周期Λ根据λ＝2neffΛ计算刻写结构周期，通过计算机6控制飞秒激光器1和三维位移平台5对无芯光纤2进行刻写周期结构，从而形成一段带有布拉格光栅。
如图1b所示，无芯光纤布拉格光栅剖面图，布拉格光栅7，深度h为1至10微米,宽度d为1至5微米，刻写长度L为5至50微米，数目N个，中心波长1550nm。
如图2所示，无芯光纤布拉格光栅反射谱模拟图。
本发明利用了近年来刚刚被发展起来的特种光纤技术，通过合适的无芯光纤，利用无芯光纤本身作为纤芯，空气作为包层特性，巧妙的解决了飞秒激光器打一般光纤纤芯难打的问题。本发明采用无芯光纤作为传感介质，具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。

Claims (1)

1.基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)选用一台波长为800nm飞秒激光器、一套聚焦系统、一台控制飞秒激光器和三维位移平台的计算机、一个三维位移平台、一对光纤夹具、一段无芯光纤；
步骤(2)将无芯光纤放在一对光纤夹具上，将光纤夹具固定在三维位移移动平台上，调节聚焦系统使得飞秒激光器输出激光聚焦在无芯光纤表面，将计算机与三维位移平台连接，将计算机与飞秒激光器连接；
步骤(3)根据光纤布拉格光栅工作原理确定制作参数；
当无芯光纤放置在空气中，无芯光纤和周围空气构成了波导结构。光在由无芯光纤和周围空气构成的波导中传输，根据无芯光纤尺寸及材料折射率参数计算其有效折射率neff；当无芯光纤被刻写周期结构时，其反射中心波长为
λ0＝2neffΛ；
其中neff为无芯光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期；
若设定的光纤布拉格光栅的反射中心波长λ0，确定光栅周期Λ＝λ0/2neff；在每个光栅周期中，飞秒激光刻写长度L为5微米至50微米，宽度d为1微米至5微米，刻写深度h为1微米至10微米；
步骤(4)开启飞秒激光器，由计算机控制三维位移平台和飞秒激光器，使得：从垂直光纤方向在光纤原点x＝0处刻写一个条纹，长度L为5微米至50微米，宽度d为1微米至5微米，刻写深度h为1微米至10微米；在x＝kΛ处重复刻写条纹,k为正整数；光纤光栅周期个数N范围为100至5000。
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