CN107436461A - 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法 - Google Patents

四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107436461A
CN107436461A CN201710715865.XA CN201710715865A CN107436461A CN 107436461 A CN107436461 A CN 107436461A CN 201710715865 A CN201710715865 A CN 201710715865A CN 107436461 A CN107436461 A CN 107436461A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bragg gratings
quadrant
point
covering
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710715865.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107436461B (zh
Inventor
刘宝玉
田永超
董浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201710715865.XA priority Critical patent/CN107436461B/zh
Publication of CN107436461A publication Critical patent/CN107436461A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107436461B publication Critical patent/CN107436461B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/0208—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating
    • G02B6/02147—Point by point fabrication, i.e. grating elements induced one step at a time along the fibre, e.g. by scanning a laser beam, arc discharge scanning

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅，具体涉及一种四象限光纤包层Bragg光栅，由四个周期不同的包层Bragg光栅组成，四个包层Bragg光栅分别设在单模光纤的包层的四个象限区域内；一、二、三和四象限内的四个包层Bragg光栅的起点位置处于光纤的同一个横截面内，且依次首尾相连构成正方形，该正方形以光纤的纤芯为中心点；每个包层Bragg光栅均由一组点状破损点构成，且各组点状破损点沿光纤的轴向呈周期性的分布，各组点状破损点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行，采用本发明方案的光栅，可通过封装构成四象限光纤包层Bragg光栅传感器，实现在光纤同一个位置的四个区域分别对单个或多个外部参量的检测，可广泛应用于结构工程、航天航空、生物、医学、生命科学等领域。

Description

四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅，具体涉及一种四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法。
背景技术
以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感器技术在20世纪70年代以来至今，极大的推动了人类社会的进步。
光纤光栅按照周期大小可以分为短周期光纤光栅(即，FBG，周期小于1μm)和长周期光纤光栅(LPFG，周期为几十～几百μm)两种最基本的类型。FBG是较LPFG早发明且子类更多的基本大类，目前制作FBG的最有效且商用化程度最高的传统方法是基于紫外曝光的相位膜板法。但是，传统写制FBG的方法要求通过载氢过程增加光纤的光敏性，而且制作的是I型光栅(纤芯发生正的折射率变化，一般为10-5量级)。I型FBG是目前应用最为成熟和广泛的的光栅类型，但其缺点是耐高温能力很差。
过去十多年，超快激光技术的飞步发展，使其已经走出实验室进入工业和医药等行业执行精准细致的加工任务。超快激光器的成功之处在于其能将光能集中到皮秒至飞秒的时间间隔内，并将光聚焦到亚微米级的小空间上。其中，近红外飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率，能够实现超高精度的微纳加工，轻松突破衍射极限，且对材料没有选择性，加工过程也非常灵活，可以进行任意复杂结构的加工。
2004年，英国Aston大学的Martinez等首次使用波长为800nm的飞秒激光器(脉宽：150fs、重频：1kHz，峰值光强：1014W/cm2)和逐点直写法在普通单模裸光纤的纤芯内部造成周期性的结构损坏点，构成了一阶、二阶和四阶的均匀Bragg光栅(属II型光栅，即：纤芯发生负的折射率变化，可高达10-3量级)，其成栅机理是基于飞秒激光脉冲与石英介质之间的非线性光致电离机制，比如：多光子吸收、隧道电离等。之后，本领域诸多学者对飞秒激光直写法制作的II型光纤光栅的理论模型、写入方法、光谱特征、传感性能及应用等方面进行了大量研究。
相对于传统的紫外曝光相位膜板制作法而言，飞秒激光逐点(或逐线)直写光纤光栅的主要优势可具体概括为：①对光纤材料没有特殊的要求，且不要求光纤具有光敏性，因此不需要载氢等耗时的处理过程；②能够快速刻写FBG(60s之内甚至几秒可完成一根光栅刻写)，并可根据程序设定方便快速的在光纤区域的任何位置写入所需的任何周期的光栅；③由于光栅是纤芯内部的结构性损坏形式，因此引入的折射率变化较传统的通过紫外曝光的相位模板法写入的光栅高两个量级，所以仅需制作极短的光栅即可获得很高的反射率；④非线性光致电离效应和聚焦点的极高峰值光强(达1014W/cm2量级)造成的结构损坏点将引起光纤横截面折射率分布的明显不对称性，因此写入的光栅具有很高的纤芯双折射(可高达10-4量级)，从而导致其谐振光谱具有很强的偏振相关性；⑤飞秒激光直写的FBG具有极高的温度稳定性，即，可在极高的温度(一般>1000℃)下仍然保持常温下的光栅结构和保持良好的温度敏感线性特性，因此适合作为极端环境下的传感器。
但是，由于常规状态下，光纤中的光能量下都是在纤芯中传输，因此，至今为止使用飞秒激光脉冲直写的FBG与传统紫外曝光掩模板刻写的光栅，其光栅位置都是写于纤芯内部或纤芯与包层的交界面，因此在光纤包层内部直写光栅结构而构成的光纤包层Bragg光栅，至今仍然是人们较少考虑的。更重要的是，由于单模光纤纤芯的直径一般为～8μm或者更小(如：4μm)，而现有的飞秒激光器的聚焦光斑直径约为μm量级，因此难以在光纤纤芯的同一个横截面的四个象限内分别刻入Bragg光栅，从而无法构成在光纤的同一个位置上对外部参量的分区域感应。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法。
为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，四象限光纤包层Bragg光栅，由四个光栅周期不同的包层Bragg光栅组成，四个包层Bragg光栅分别设置在单模光纤的光纤包层的四个象限区域内；一、二、三和四象限内的四个包层Bragg光栅的起点位置处于光纤的同一个横截面内，且依次首尾相连构成一个正方形，该正方形以光纤的纤芯为中心点；每个包层Bragg光栅均由一组点状破损点构成，且各组点状破损点沿光纤的轴向呈周期性的分布，各组点状破损点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行。
本发明四象限光纤包层Bragg光栅能在光纤的同一个位置上对外部参量进行分区域感应，其原理是：由于四个包层Bragg光栅结构分别处于包层的四个象限区域内，因此，各包层Bragg光栅能够分别对所在象限区域的外部参量产生最大的响应，而对其他象限区域的外部参量的响应相对较小；或者通过一些封装措施，使得各包层Bragg光栅能够分别只对所在象限区域的外部参量产生响应，而对其他象限区域的外部参量的响应基本为零。所设置的四个象限内各包层Bragg光栅的周期均不相同，因此它们的包层模式的谐振波长是不同的，于是可在该光纤传感器的同一个位置的四个区域(或者四个正交的方向)分别对外部参量进行传感。
包层Bragg光栅属于短周期光纤光栅(即，FBG)，但它产生的是包层模的Bragg谐振，它的谐振带宽(一般<0.1nm)较紫外曝光法写入纤芯的FBG的芯模谐振带宽(一般0.2nm～0.5nm)还要小得多，由此可预见，包层Bragg光栅即具有类似长周期光纤光栅对外部介质敏感的特性，同时具有很高的Q值因子；其次，由于采用的是飞秒激光直接刻写而成的技术，包层Bragg光栅具有飞秒激光器刻写的这类FBG所具有一切特殊的特性，比如：可在极高的温度(1000℃)以上保持良好的温度敏感线性特性和温度稳定性；另外，包层Bragg光栅还能保留传统FBG相对于长周期光纤光栅低得多的温度、应变灵敏系数，因此，包层Bragg光栅较长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应，但包层Bragg光栅的光栅区是处于光纤包层的内部，因此外部温度、压力及应变等物理参数对其Bragg结构的影响，将不同于对以往刻写在纤芯内部的Bragg光栅结构的影响，即其温度、压力及应变的灵敏度比传统FBG高。
利用以上光纤包层表面Bragg光栅所具有的特性，在实际应用中在其不同象限表面涂覆不同的功能材料或者进行一些特别的封装，即可实现在光纤的同一个位置的四个区域(或者四个正交的方向)分别对单个或多个外部参量的检测，从而构成各种特殊应用的四象限光纤包层Bragg光栅传感器，可广泛应用于结构工程、航天航空、生物、医学、生命科学等领域。
根据本发明所述的四象限光纤包层Bragg光栅的一个优选方案，四象限光纤包层Bragg光栅的点状破损点的直径<0.5μm，各组点状破损点的直径小于对应的包层Bragg光栅周期的一半。
根据本发明所述的四象限光纤包层Bragg光栅的一个优选方案，四个包层Bragg光栅的长度在1mm～20mm之间，四个包层Bragg光栅均为1阶、2阶或3阶光栅，包层Bragg光栅的各阶包层模的谐振波长设计在1200nm～1800nm之间。
本发明光栅的制备方法，包括有如下步骤：
A，重频1kHz的飞秒激光器5发射120fs～150fs的800nm激光脉冲，电子开关6控制光路的通断；
B，通过一个衰减可控的半波片7和格兰氏棱镜8形成线偏振光；
C，用光束分束片9对光束进行分束；
D，通过一个放大倍数为100×的倒置的显微物镜10将激光光束聚焦到光纤的包层2内部；
E，电控3D精密位移平台11上固定有一个表面光滑的平板型光纤夹具12，光纤夹具12沿着光纤轴向将光纤固定于X方向，程序控制3D精密位移平台11在X、Y、Z方向的位移，配合电子开关6控制激光光路的通断，从而控制激光光束的聚焦点在光纤包层2内部写入预先设计的点状破损点，按照从第一到第四象限的顺序制作包层Bragg光栅，得到四象限光纤包层Bragg光栅。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1是本发明所述的四象限光纤包层Bragg光栅横截面结构示意图。
图2是本发明所述的四象限光纤包层Bragg光栅侧面结构(第一和第四象限，或第二和第三象限)示意图。
图3飞秒激光器制作四象限光纤包层Bragg光栅的系统示意图。
图4飞秒激光器制作四象限光纤包层Bragg光栅的显微图。
具体实施方式
参见图1和图2，四象限光纤包层Bragg光栅，包括：光纤涂覆层4、光纤包层2、光纤纤芯3；四象限光纤包层Bragg光栅由四个光栅周期不同的包层Bragg光栅1组成，四个包层Bragg光栅1分别设置在单模光纤的光纤包层的四个象限内；一、二、三和四象限内的四个包层Bragg(1)光栅的起点位置处于光纤的同一个横截面内，且依次首尾相连构成一个正方形，该正方形以光纤的纤芯3为中心点；每个包层Bragg光栅(1)均由一组点状破损点构成，且各组点状破损点沿光纤的轴向呈周期性的分布，各组点状破损点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行。四象限光纤包层Bragg光栅的点状破损点的直径<0.5μm，各组点状破损点的直径小于对应的包层Bragg光栅周期的一半。四个包层Bragg光栅的长度可设置在1mm～20mm之间，四个包层Bragg光栅均为1阶、2阶或3阶光栅，包层Bragg光栅的各阶包层模的谐振波长设计在1200nm～1800nm之间。
具体制作本发明所述的光纤包层Bragg光栅，可采用800nm飞秒激光器依次在单模光纤包层的四个象限内平行于光纤中心轴方向，逐点写入若干个点状破损点，且每个象限内的点状破损点沿光纤的轴向呈现周期性的分布，每个象限内的所有点状破损点心点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行；写入的光栅周期必须保证其光纤各阶包层模的谐振波长落在1200nm～1800nm之间，写入的光栅可以是一阶、二阶或三阶光栅，其各阶包层模的谐振波长公式如下：
式中，m表示光纤包层表面Bragg光栅的阶数(m＝1，2或3)，k表示光纤包层模的阶数，表示第p个象限内的包层Bragg光栅的第k阶包层模的谐振波长，表示第k阶包层模的有效折射率，Λp表示第p个象限内的包层Bragg光栅的周期。因此，首先可根据已知的单模光纤的结构参数计算出第k阶包层模的有效折射率并确定所需要的谐振波长光栅阶数m之后，由公式(1)即可计算出需要写入第p个象限内的包层Bragg光栅的周期Λp的大小。
使用飞秒激光器制作四象限光纤包层Bragg光栅的方案如图3所示：重频1kHz的飞秒激光器5发射120fs～150fs的800nm激光脉冲，电子开关6控制光路的通断，然后通过一个衰减可控的半波片7和格兰氏棱镜8形成线偏振光，再用光束分束片9对光束进行分束，最后通过一个放大倍数为100×的倒置的显微物镜10将激光光束聚焦到光纤的包层2内部。电控3D精密位移平台11上固定有一个表面极其光滑的平板型光纤夹具12，光纤夹具12沿着光纤轴向将光纤固定于X方向。整个制作过程使用CCD摄像机13进行监控。可用预先编制的电脑程序控制3D精密位移平台11在X、Y、Z方向的位移，配合电子开关6控制激光光路的通断，从而控制激光光束的聚焦点在光纤包层2内部写入预先设计的点状破损点。整个制作过程可按照从第一到第四象限的顺序制作包层Bragg光栅，最终构成所需的四象限光纤包层Bragg光栅。
参见图4为使用800nm飞秒激光器制作的四象限光纤包层Bragg光栅的侧面显微图。此外，飞秒激光器写入的各组包层Bragg光栅的点状破损点的直径<0.5μm，各组点状破损点的直径小于对应的包层Bragg光栅周期的一半，以保证能够获得清晰的光栅条纹。
在实际应用中，可用长周期光纤光栅(或极大倾角光纤光栅)作为光能量耦合器将光从纤芯耦合到包层，并与四象限光纤包层Bragg光栅组合在一根光纤上，然后在其各象限的表面涂覆一层不同的功能材料或者采取某种封装方式，从而构成各种不同应用的多种参量测量如：生物化学量、温度、湿度、压力、应变、声波/超声波等的新型功能化光纤传感器。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，方案中公知的具体结构及特性等常识在此没有作过多描述，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.四象限光纤包层Bragg光栅，其特征在于：所述四象限光纤包层Bragg光栅由四个光栅周期不同的包层Bragg光栅(1)组成，四个包层Bragg光栅分别设置在单模光纤的光纤包层(2)的四个象限区域内；一、二、三和四象限内的四个包层Bragg光栅的起点位置处于光纤的同一个横截面内，且依次首尾相连构成一个正方形，该正方形以光纤的纤芯(3)为中心点；每个包层Bragg光栅均由一组点状破损点构成，且各组点状破损点沿光纤的轴向呈周期性的分布，各组点状破损点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行。
2.根据权利要求1所述的四象限光纤包层Bragg光栅，其特征在于：所述点状破损点的直径<0.5μm，各组点状破损点的直径小于对应的包层Bragg光栅(1)周期的一半。
3.根据权利要求1或2所述的四象限光纤包层Bragg光栅，其特征在于：四个所述包层Bragg光栅的长度在1mm～20mm之间，其均为1阶、2阶或3阶光栅，包层Bragg光栅的各阶包层模的谐振波长在1200nm～1800nm之间。
4.一种制备如权利要求1所述光栅的方法，其特征在于包括有如下步骤：
A，重频1kHz的飞秒激光器5发射120fs～150fs的800nm激光脉冲，电子开关6控制光路的通断；
B，通过一个衰减可控的半波片7和格兰氏棱镜8形成线偏振光；
C，用光束分束片9对光束进行分束；
D，通过一个放大倍数为100×的倒置的显微物镜10将激光光束聚焦到光纤的包层2内部；
E，电控3D精密位移平台11上固定有一个表面光滑的平板型光纤夹具12，光纤夹具12沿着光纤轴向将光纤固定于X方向，程序控制3D精密位移平台11在X、Y、Z方向的位移，配合电子开关6控制激光光路的通断，从而控制激光光束的聚焦点在光纤包层2内部写入预先设计的点状破损点，得到四象限光纤包层Bragg光栅。
5.根据权利要求4所述光栅的方法，其特征在于：所述步骤E中，按照从第一到第四象限的顺序制作包层Bragg光栅。
CN201710715865.XA 2017-08-20 2017-08-20 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法 Active CN107436461B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710715865.XA CN107436461B (zh) 2017-08-20 2017-08-20 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710715865.XA CN107436461B (zh) 2017-08-20 2017-08-20 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107436461A true CN107436461A (zh) 2017-12-05
CN107436461B CN107436461B (zh) 2019-05-28

Family

ID=60460747

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710715865.XA Active CN107436461B (zh) 2017-08-20 2017-08-20 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107436461B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6408119B1 (en) * 2000-01-28 2002-06-18 Oft Associates Llp UV-trimmed fused tapered couplers
CN102162874A (zh) * 2011-05-23 2011-08-24 吉林大学 一种微孔阵列型光纤光栅的制备方法
CN103605179A (zh) * 2013-11-13 2014-02-26 深圳大学 一种相移可调的光纤布拉格光栅器件及其制作方法
CN105334190A (zh) * 2015-10-22 2016-02-17 重庆理工大学 光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6408119B1 (en) * 2000-01-28 2002-06-18 Oft Associates Llp UV-trimmed fused tapered couplers
CN102162874A (zh) * 2011-05-23 2011-08-24 吉林大学 一种微孔阵列型光纤光栅的制备方法
CN103605179A (zh) * 2013-11-13 2014-02-26 深圳大学 一种相移可调的光纤布拉格光栅器件及其制作方法
CN105334190A (zh) * 2015-10-22 2016-02-17 重庆理工大学 光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107436461B (zh) 2019-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ma et al. Optical fiber sensors for high-temperature monitoring: a review
CN102829893B (zh) 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法
CN109974758B (zh) 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法
CN105334566A (zh) 点状凹槽型光纤包层表面Bragg光栅
Lang et al. Ultra-compact, fast-responsive and highly-sensitive humidity sensor based on a polymer micro-rod on the end-face of fiber core
CN103196488A (zh) 用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法
CN106802191B (zh) 一种嵌入式低温光纤温度传感器及其制备方法
CN108731712B (zh) 一种基于飞秒激光刻写波导的光纤线上马赫-曾德干涉仪
CN205262638U (zh) 用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器
CN207147667U (zh) 一种碳纤维预浸料封装的回形带状传感器
CN101539644A (zh) 一种光纤光栅的制作方法及使用该光纤光栅的传感器
Cheng et al. High-sensitivity temperature sensor based on Bragg grating in BDK-doped photosensitive polymer optical fiber
CN103412366B (zh) 蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法
CN101386403B (zh) 基于环形微腔的微光纤电压传感器
CN109655962B (zh) 飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法
CN202794029U (zh) 一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器
CN106383378A (zh) 基于无芯光纤的光纤布拉格光栅制作方法
CN106524935A (zh) 一种熔接长周期光纤光栅的双程mz结构测量应变的方法
CN109855662A (zh) 光纤光栅f-p腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置
CN107436461B (zh) 四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法
CN107990920B (zh) 一种具有双生谐振干涉峰的光纤传感器的制造方法
Xin et al. Sensing Characteristics of Side‐Hole Fiber‐Based Long‐Period Grating
CN206161525U (zh) 一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器
CN113625388B (zh) 一种新型的毛细管光纤光栅及其制备方法
CN216013126U (zh) 一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant