CN107861189A - 一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法 - Google Patents

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梁小红
潘蓉
韩志辉
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Abstract

本发明涉及一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法。首先制备纤芯折射率各不相同的若干预制棒；选定一根预制棒，在预制棒包层上设定的位置进行打内孔；对其它预制棒进行磨抛处理，得到芯棒；在每个内孔中分别镶嵌一个芯棒构成预制件；采用抽真空装置和环形加热装置对预制件进行抽真空封装构成实心预制件；对实心预制件进行拉丝得到多芯光敏光纤；利用紫外激光和相位掩模板对多芯光敏光纤进行曝光；曝光完成后即可得到单纤集成式布拉格光纤光栅阵列。本发明可基于纤芯折射率各不相同的多芯光敏光纤，仅通过常规布拉格光纤光栅制备技术即可制备出布拉格光纤光栅阵列。本发明可使单个光纤传感单元具备多参数及矢量传感功能。

Description

一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，属于光纤光栅制造技术领域。
背景技术
光纤光栅是一种光纤纤芯或包层沿轴向具有折射率周期性调制特征的无源器件，其能够在调制区域控制光的传输，从一定程度上可以视为一种具有特殊折射率调制结构的光纤。它的问世拓宽了光纤技术的应用领域，使复杂的全光纤通信与传感得以实现，因而受到了光电子学领域研究人员的极大关注。
加拿大的K. O. Hill等研究学者于1978年成功制作出第一根光纤光栅，人们称之为“Hill光栅”，开创了光纤光栅研究的先河。其写制原理是利用波长488nm的氩离子激光束在光纤内产生驻波干涉，导致掺锗纤芯的有效折射率沿轴向产生周期性改变，此种写制方法也被称为内部写制法。因为其谐振波长满足布拉格衍射方程，所以把此种光栅称为布拉格光纤光栅。上述方法写制的光栅的反射率可达90%以上。
K. O. Hill等人于1993年又提出了一种相位掩模板法写制布拉格光纤光栅。基本方法是利用紫外激光垂直照射相位掩模板形成的衍射条纹对光敏光纤进行曝光产生折射率调制，进而形成光纤光栅。该方法制作的光纤光栅的周期仅取决于相位掩模板的周期，而与激光光源的波长无关。此方法降低了对光源相干性的要求，使得布拉格光纤光栅能够被大批量生产。
由于传统多芯光纤各个纤芯的折射率相同，所以很难写制出具有不同谐振波长的二维光栅阵列，进而较难实现矢量及多参数传感功能。此外，传统多芯光纤中多个纤芯在光纤截面上对称排布，即使写制出具有不同反射波长的二维光栅阵列，也无法实现能辨识多个场方向的矢量传感功能。
发明内容
本发明的目的是针对目前单纤集成式布拉格光纤光栅阵列难以制备的问题，提供一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，
单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的实现主要依赖于非对称异构型多芯光敏光纤，因此，本发明的技术方案的重点在于多芯光敏光纤的制备，利用同一相位掩模板写制布拉格光栅时，由于非对称异构型多芯光敏光纤中多个纤芯受到的折射率调制不同，进而会形成谐振波长不同的布拉格光栅。
本发明为实现上述目的由以下技术方案完成：一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，首先制备纤芯折射率各不相同的若干预制棒，预制棒数量根据最终光纤的纤芯数量决定；
第二步，选定一根预制棒，在预制棒包层上设定的位置进行打内孔，内孔的数量同样根据纤芯数量决定，为降低内孔石英表面的微缺陷，须对内孔进行精细磨抛处理；
第三步，对其它预制棒进行磨抛处理，得到芯棒；
第四歩，在每个内孔中分别镶嵌一个芯棒构成预制件，芯棒与内孔之间会存在一定间隙，间隙量一般在0.05mm至0.25mm之间；
第五歩，采用抽真空装置和环形加热装置对预制件进行抽真空封装构成实心预制件；
第六歩，对实心预制件进行拉丝得到多芯光敏光纤；
第七歩，利用紫外激光和相位掩模板对多芯光敏光纤进行曝光；
第八歩，曝光完成后即可得到单纤集成式布拉格光纤光栅阵列，单纤集成式布拉格光纤光栅阵列中包含至少二个谐振波长不同的布拉格光纤光栅，且多个布拉格光纤光栅之间以并列方式排列；
步骤一中纤芯折射率不同的目的是为了保证光纤曝光后形成的布拉格光栅的谐振波长不同，进而保证光栅阵列的多参数传感特性；
步骤二中预制棒的内孔加工需采用超声打孔装置，以降低内孔表面的微裂纹缺陷；
步骤五中抽真空组装过程须采取环形加热方式，以防止组装后预制棒结构变形。
第七歩中，利用紫外激光和相位掩模板对多芯光敏光纤进行曝光，曝光时须将多芯光敏光纤旋转至合适角度，以避免曝光时数个纤芯之间互相遮挡。
本发明的优点是：现有技术制作出的布拉格光纤光栅阵列中不同光栅的谐振波长相同，较难实现多参数及矢量传感功能。然而，本发明可基于纤芯折射率各不相同的多芯光敏光纤，仅通过常规布拉格光纤光栅制备技术即可制备出布拉格光纤光栅阵列。由于多个纤芯的折射率不同，所以进行紫外激光曝光后会形成谐振波长不同的布拉格光栅，进而形成光纤光栅阵列。本发明可有效解决目前光纤传感领域中存在的布拉格光纤光栅阵列无法集成在单根光纤中的问题，可使单个光纤传感单元具备多参数及矢量传感功能，这对促进光纤传感技术的发展具有极其重要的意义。
附图说明
图1为本发明多芯光敏光纤的制备流程图；
图2为本发明单纤集成式布拉格光纤光栅阵列示意图。
具体实施方式
为利于同行业技术人员的理解，下面结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征进行进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例适用于制作具有多参数、矢量传感特性的单纤集成式布拉格光纤光栅阵列。为便于理解，本实施例以基于三芯光敏光纤的布拉格光栅阵列制作过程为例进行说明。
首先分别制作预制棒Ⅰ1、预制棒Ⅱ2与预制棒Ⅲ3。为保证光纤的光敏性，芯部Ⅰ1-1、芯部Ⅱ2-1与芯部Ⅲ3-1之中掺入了较高浓度的锗元素。此外，芯部Ⅰ1-1、芯部Ⅱ2-1与芯部Ⅲ3-1的折射率各不相同，目的是为了保证光纤曝光后形成的布拉格光栅的谐振波长不同，进而保证光栅阵列的多参数传感特性。然后，在预制棒Ⅰ1的包层1-2上采用超声打孔装置进行打孔，打孔完成后形成内孔Ⅰ1-3和内孔Ⅱ1-4。为降低内孔Ⅰ1-3和内孔Ⅱ1-4石英表面的微缺陷，须对内孔Ⅰ1-3和内孔Ⅱ1-4进行精细磨抛处理。然后，对预制棒Ⅱ2和预制棒Ⅲ3进行磨抛，分别得到芯棒Ⅰ4和芯棒Ⅱ5。之后将芯棒Ⅰ4和芯棒Ⅱ5分别镶嵌至内孔Ⅰ1-3和内孔Ⅱ1-4之中，得到预制件6。此时芯棒Ⅰ4与内孔Ⅰ1-3、芯棒Ⅱ5与内孔Ⅱ1-4之间会存在一定间隙，间隙量一般在0.05mm至0.25mm之间。然后，采用抽真空装置和环形加热装置对预制件6进行抽真空封装，得到实心预制件7。然后对实心预制件7进行拉丝，得到多芯光敏光纤8。然后，利用紫外激光和相位掩模板对多芯光敏光纤8进行曝光，曝光时须将多芯光敏光纤8旋转至合适角度，以避免曝光时纤芯Ⅰ8-1、纤芯Ⅱ8-2、纤芯Ⅲ8-3之间互相遮挡。曝光完成后即可得到单纤集成式布拉格光纤光栅阵列9。单纤集成式布拉格光纤光栅阵列9中包含三个布拉格光纤光栅，分别为布拉格光栅Ⅰ9-1、布拉格光栅Ⅱ9-2和布拉格光栅Ⅲ9-3。在该实施例中，纤芯Ⅰ8-1、纤芯Ⅱ8-2、纤芯Ⅲ8-3的相对位置为非对称排布，因此，单纤集成式布拉格光纤光栅阵列9除具有多参数传感特性外，还具有矢量传感特性。
纤芯折射率不同的目的是为了保证光纤曝光后形成的布拉格光栅的谐振波长不同，进而保证光栅阵列的多参数传感特性。
预制棒的内孔加工需采用超声打孔装置，以降低内孔表面的微裂纹等缺陷。
抽真空组装过程须采取环形加热方式，以防止组装后预制棒结构变形。
预制棒Ⅰ1芯部Ⅰ1-1的折射率、预制棒Ⅱ2芯部Ⅱ2-1的折射率和预制棒Ⅲ3芯部Ⅲ3-1的折射率各不相同。
布拉格光栅Ⅰ9-1、布拉格光栅Ⅱ9-2和布拉格光栅Ⅲ9-3的谐振波长各不相同。
拉格光纤光栅阵列集成在一根多芯光敏光纤之中。
多芯光敏光纤中至少包含两个纤芯，且各个纤芯的折射率不相同。
基于采用的特殊结构多芯光敏光纤，利用同一相位掩模板写制布拉格光栅时，多个纤芯受到的折射率调制不同，进而会形成多个谐振波长不同的布拉格光栅。
综上所述，本发明提供了一种基于特殊结构多芯光敏光纤的单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，但是本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，首先制备纤芯折射率各不相同的若干预制棒（1），预制棒（1）数量根据最终光纤的纤芯数量决定；
第二步，选定一根预制棒（1），在预制棒包层（1-2）上设定的位置进行打内孔（1-3），内孔（1-3）的数量同样根据纤芯数量决定，为降低内孔石英表面的微缺陷，须对内孔（1-3）进行精细磨抛处理；
第三步，对其它预制棒进行磨抛处理，得到芯棒（4）；
第四歩，在每个内孔（1-3）中分别镶嵌一个芯棒（4）构成预制件（6），芯棒（4）与内孔（1-3）之间会存在一定间隙，间隙量一般在0.05mm至0.25mm之间；
第五歩，采用抽真空装置和环形加热装置对预制件（6）进行抽真空封装构成实心预制件（7）；
第六歩，对实心预制件（7）进行拉丝得到多芯光敏光纤（8）；
第七歩，利用紫外激光和相位掩模板对多芯光敏光纤（8）进行曝光；第八歩，曝光完成后即可得到单纤集成式布拉格光纤光栅阵列（9），单纤集成式布拉格光纤光栅阵列（9）中包含至少二个谐振波长不同的布拉格光纤光栅，且多个布拉格光纤光栅之间以并列方式排列；
步骤一中纤芯折射率不同的目的是为了保证光纤曝光后形成的布拉格光栅的谐振波长不同，进而保证光栅阵列的多参数传感特性；
步骤二中预制棒的内孔加工需采用超声打孔装置，以降低内孔表面的微裂纹缺陷；
步骤五中抽真空组装过程须采取环形加热方式，以防止组装后预制棒结构变形。
2.根据权利要求1所述的一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，其特征在于：所述的拉格光纤光栅阵列（9）集成在一根多芯光敏光纤（8）之中。
3.根据权利要求1所述的一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，其特征在于：所述的多芯光敏光纤（8）中至少包含两个纤芯，且各个纤芯的折射率不相同。
4.根据权利要求1所述的一种单纤集成式布拉格光纤光栅阵列的制备方法，其特征在于：基于采用的纤芯折射率各不相同的多芯光敏光纤（8），利用同一相位掩模板写制布拉格光栅时，多个纤芯受到的折射率调制不同，进而会形成多个谐振波长不同的布拉格光栅。
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