CN108318963B - 一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅：在光纤的同一位置，沿一个垂直于光纤轴向方向，光纤的纤芯内部分成数个不同的部分，其中，每个部分内均制备有倾斜光纤布拉格光栅结构，相邻两部分的光栅周期结构延展方向平行且光栅结构的倾斜角度不同。经实验验证，与相应的单角度倾斜光纤布拉格光栅相比，其可以得到更宽范围的包层模响应，能适用于更大范围的折射率测量。本发明还提供了一种多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法。

Description

一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤光学和传感器技术领域，涉及一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅及其制备方法。
背景技术
21世纪以来，光纤技术及相关应用不断的发展进步，以光纤为基础实现的各种光纤传感器，被广泛的应用于土木工程、采矿、电力、铁路以及航空航天等领域。其中，光纤光栅是一种不可缺少的关键器件。
倾斜光纤光栅(TFBG)是一种结构特殊的光纤光栅。它的的栅结构条纹和光纤轴线并不垂直，而是有一定的角度。纤芯模式在传输时，一部分光会像均匀布拉格光栅一样耦合至反向传输模式，在反射谱中形成一个布拉格反射峰。另外纤芯模式中还将会有一系列波长的信号，被耦合至反向传输包层模式。从TFBG的透射光谱中可以观察到在布拉格反射信号的短波一侧，由于这些包层模式耦合形成透射损耗谷。包层模式的波长和幅值和包层-空气界面的反射有关，对环境温度，折射率和弯曲变化都很敏感。
飞秒激光相位掩膜板法制备光纤光栅具有众多优点。相比于传统的紫外纳秒或者连续激光制备光纤光栅，飞秒激光具有极高的峰值功率。并且由于飞秒激光与材料作用时可以产生强烈的非线性效应，使得其可用于对任意材料的加工。同时，由于衍射条纹是由相位掩膜板法产生，因此制备出的光栅周期稳定，结构均匀，重复性高，加工时间短，可实现大批量制备。
通常加工TFBG折射率传感器都为都为单个TFBG，其不同倾斜角度的TFBG的包层模响应只在一个特定波长范围内，该范围通常较小，因此只能适用于一个小范围的折射率测量，若要测量另一范围内的折射率，就需要更换不同倾斜角度的TFBG。为了实现大范围折射率测量需要将不同倾斜角度的倾斜光栅串联，所能实现的包层模响应为单独的TFBG的包层模响应范围的合计。因此倾斜角度的选择必须保证各个TFBG包层模响应范围连续。该方法局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅，由于倾斜光纤布拉格光栅之间的耦合，可以得到比单独两个倾斜光纤布拉格光栅包层模响应之和更宽范围的包层模响应。
本发明还提供了一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法，该方法操作简单，所制备的平行多角度倾斜光纤布拉格光栅角度准确，可根据所需测量的折射率的范围的不同改变多角度倾斜光纤布拉格光栅的角度，且适合批量加工。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅：在光纤的同一位置，沿一个垂直于光纤轴向方向，光纤的纤芯内部分成数个不同的部分，其中，每个部分内均制备有倾斜光纤布拉格光栅结构，相邻两部分的光栅周期结构延展方向平行且光栅结构的倾斜角度不同。
优选地，所述光纤为单模光纤或多模光纤。
一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法，包括步骤：
1)将光纤固定在三维移动平台上，沿z方向将光纤纤芯分为多个不同部分；其中z方向垂直于光纤轴向方向且垂直于激光延伸方向；
2)调节三维移动平台使飞秒激光聚焦在光纤纤芯的其中一个未有光栅结构的部分，利用三维移动平台在光纤轴向方向和z方向的二维移动，在飞秒激光聚焦的部分中制备倾斜光纤布拉格光栅结构，其中，相邻两部分的光栅结构的倾斜角度不同；
3)重复步骤2)，直至步骤1)所划分的所有部分中均制备有光栅结构。
优选地，在步骤2)中，当完成一个部分的光栅结构制备后，关闭飞秒激光快门，然后利用三维移动平台移动光纤使激飞秒激光能聚焦到另一部分，再打开飞秒激光快门。
优选地，在步骤2)中，飞秒激光经柱透镜和相位掩膜板在飞秒激光聚焦的形成光强度周期性强弱分布的线型光斑，线型光斑方向与光纤轴向方向平行。
优选地，选用的飞秒激光的中心波长为266～1064nm，重复频率为500～2000Hz，功率为20～1200mW。
优选地，选用的柱透镜焦距为20～100mm，相位掩模板周期为1.0～3.4μm。
优选地，三维移动平台在z方向和光纤轴向方向的移动范围均为0～20μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅，在光纤的同一位置，沿一个垂直于光纤轴向方向，光纤的纤芯内部分成数个不同的部分，其中，每个部分内均制备有倾斜光纤布拉格光栅结构，相邻两部分的光栅周期结构延展方向平行且光栅结构的倾斜角度不同。经实验验证，与相应的单角度倾斜光纤布拉格光栅相比，其可以得到更宽范围的包层模响应，能适用于更大范围的折射率测量。
本发明提供的一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法，将光纤放置于可实现三维移动的平台上，通过调节平台使飞秒激光聚焦在纤芯同一位置的不同部分，通过利用平台的二维移动在纤芯内的不同部分分别制备出多个平行的、不同倾斜角度的光栅结构，即得到平行多角度倾斜光纤布拉格光栅。该方法操作简单，所制备的多角度倾斜光纤布拉格光栅角度准确，可根据所需测量的折射率的范围的不同改变多角度倾斜光纤布拉格光栅的角度，且适合批量加工。
附图说明
图1为实现本发明的方法所采用的一种加工装置示意图。
图2-1和图2-2为本发明所采用方法的原理示意图。
图3为本发明所采用的光谱测量示意图。
图4为加工的2°TFBG的光谱图。
图5为加工的8°TFBG的光谱图。
图6为实施例1加工的2°+8°双角度TFBG的光谱图。
图7为实施例1加工的2°+8°双角度TFBG的显微镜图。
图8为加工的6°TFBG的光谱图。
图9为加工的11°TFBG的光谱图。
图10为加工的15°TFBG的光谱图。
图11为实施例2加工的6°+11°+15°三角度TFBG的光谱图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种基于飞秒激光制备耐高温平行多角度倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)方法，该方法通过光纤的二维扫描形成TFBG，并在纤芯从上到下多个部分分别制备出不同倾斜角度的TFBG，从而实现更大范围的折射率传感。利用本发明的方法，可以制备两个平行的、不同倾斜角度的光栅结构，也可以是多个结构；其光栅可以在纤芯内同一位置，也可以错开一定的相位。
其具体步骤如下：
(1)将标准通信光纤(SMF-28)所需加工部分的涂覆层剥去，并用无尘纸沾酒精擦拭干净，将光纤固定在三维移动平台的光纤夹具上；
(2)通过调节三维移动平台，使得飞秒激光聚焦在光纤纤芯内部的从上到下的第一部分，并根据所要制备的TFBG的倾斜角度设置三维移动平台在x和z方向(如图2)的扫描范围，加工出第一个TFBG；其中，z方向为上下方向，y方向为沿激光的方向，x为待加工的光纤的轴向方向。
(3)通过调节三维移动平台，使得飞秒激光聚焦在光纤纤芯内部的从上到下的第二部分，并根据所要制备的TFBG的倾斜角度设置三维移动平台在x和z方向(如图2)的扫描范围，加工出第二个TFBG，从而得到双角度TFBG。
(4)参照步骤(2)和(3)，从上到下依次在光纤纤芯内部的不同部分制备光栅，直至完成所有光栅的制作。
在本发明提供的方法中，采用了上下的概念，上下与本发明定义的z方向是一致的，该方向在正常制备下是垂直上下的，但是在非正常制备情况下，如机器倾斜等情况下，本领域技术人员应该知晓，本文中的上下或z方向指的是垂直于激光方向和待加工的光纤的延伸方向的方向。
图1为实现本发明的方法所采用的一种加工装置示意图，该加工装置由柱透镜2、相位掩膜板3、三维移动平台4和光纤夹具5组成，其中光纤6固定在光纤夹具5，飞秒激光1通过柱透镜2聚焦，并通过相位掩膜板3衍射形成干涉条纹，最终聚焦在光纤6内部。
图2-1和图2-2为本发明所采用方法的原理示意图。在图2-1中，激光光斑8为飞秒激光1经柱透镜2和相位掩膜板3后在光纤纤芯9内部形成的光斑示意图，其空间尺度约2μm，小于光纤纤芯9的直径～9μm；如图2-2所示，三维移动平台4带动光纤6沿扫描方向10来回移动，从而得到倾斜光纤布拉格光栅11。其中，倾斜光纤布拉格光栅11的倾斜角度θ由x和z方向的扫描范围确定，计算公式为θ＝arctanx/z。
图3为本发明所采用的光谱测量示意图。ASE宽带光源12发出光信号经过光纤跳线13进入多角度倾斜光纤布拉格光栅，透射光进入光谱分析仪15得到光谱数据。
本发明中，选用的飞秒激光的中心波长为266～1064nm，重复频率为500～2000Hz，功率为20～1200mW；优选地，选用的飞秒激光的中心波长为800nm，重复频率为1000Hz。选用的柱透镜焦距为20～100mm，相位掩模板周期为1.0～3.4μm，优选地，选用的柱透镜焦距为25mm，相位掩模板周期为2.142μm。
利用图1、图3所示的装置，下面结合附图给出本发明的具体的实施例：
实施例1
如图1所示，本实施例以加工2°+8°双角度倾斜光纤布拉格光栅为例，具体如下：
原始材料：Corning SMF-28单模光纤，包层直径125μm，纤芯直径9μm。
2°+8°双角度倾斜光纤布拉格光栅的制备步骤及详细实施方式具体阐述如下：
(1)将光纤6中间部分去掉约2cm涂覆层，使用沾有酒精的无尘纸清洗干净；
(2)将光纤6固定于光纤夹具5上，其中剥去涂覆层的部分正对相位掩膜板3。通过调节三维移动平台4使激光聚焦在光纤纤芯内部的上半部分。飞秒激光1脉冲宽度为100fs，功率设定为600mW。根据所需加工的角度2°，设置三维移动平台4的扫描范围为z＝8μm，x＝0.28μm。飞秒激光照射约50秒得到所需2°TFBG；
(3)通过调节三维移动平台4使激光聚焦在光纤纤芯内部的下半部分。根据所需加工的角度8°，设置三维移动平台4的扫描范围为z＝8μm，x＝1.12μm。飞秒激光1脉冲宽度为100fs，功率设定为600mW。飞秒激光照射约50秒得到所需8°TFBG。从而实现双角度TFBG的制备。
按照实施例1所示方法，分别制备2°倾斜光纤布拉格光栅和8°倾斜光纤布拉格光栅。图4为加工的2°TFBG的光谱图。从图4中可以看出，包层模式的响应在1540nm～1548nm之间。图5为加工的8°TFBG的光谱图。从图5中可以看出，包层模式的响应在1490nm～1540nm之间。图6为实施例1加工的2°+8°双角度TFBG的光谱图。从图6中可以看出，包层模式的响应在1490nm～1550nm之间。相比于单个TFBG其光谱有明显的展宽。图7为实施例1加工的2°+8°双角度TFBG的显微镜图，从图中可以看出，所加工的TFBG条纹均匀清晰，两个不同角度的TFBG分界明显，结构较好。
实施例2
本实施例以加工6°+11°+15°三角度倾斜光纤布拉格光栅为例，具体如下：
原始材料：Corning SMF-28单模光纤，包层直径125μm，纤芯直径9μm。
6°+11°+15°三角度倾斜光纤布拉格光栅的制备步骤及详细实施方式具体阐述如下：
(1)将光纤6中间部分去掉约2cm涂覆层，使用沾有酒精的无尘纸清洗干净；
(2)将光纤6固定于光纤夹具5上，其中剥去涂覆层的部分正对相位掩膜板3。通过调节三维移动平台4使激光聚焦在光纤纤芯内部的上三分之一处。飞秒激光1脉冲宽度为100fs，功率设定为600mW。根据所需加工的角度6°，设置三维移动平台4的扫描范围为z＝3μm，x＝0.32μm。飞秒激光照射约50秒得到所需6°TFBG；
(3)通过调节三维移动平台4使激光聚焦在光纤纤芯内部的中间部分。根据所需加工的角度11°，设置三维移动平台4的扫描范围为z＝3μm，x＝0.58μm。飞秒激光1脉冲宽度为100fs，功率设定为600mW。飞秒激光照射约50秒得到所需11°TFBG。
(4)通过调节三维移动平台4使激光聚焦在光纤纤芯内部的下三分之一。根据所需加工的角度15°，设置三维移动平台4的扫描范围为z＝3μm，x＝0.80μm。飞秒激光1脉冲宽度为100fs，功率设定为600mW。飞秒激光照射约50秒得到所需15°TFBG。从而实现三角度TFBG的制备。
按照实施例2所示方法，分别制备6°倾斜光纤布拉格光栅、11°倾斜光纤布拉格光栅和15°倾斜光纤布拉格光栅。
图8为加工的6°TFBG的光谱图。从图8中可以看出，包层模式的响应在1515nm～1545nm之间。图9为加工的11°TFBG的光谱图。从图9中可以看出，包层模式的响应在1440nm～1520nm之间。图10为加工的15°TFBG的光谱图。从图10中可以看出，包层模式的响应在1390nm～1450nm之间。图11为实施例2加工的6°+11°+15°三角度TFBG的光谱图。从图11中可以看出，包层模式的响应在1400nm～1550nm之间。相比于单个TFBG其光谱有明显的展宽。
通过上述实施例和测试结果可以看出，本发明提供的基于飞秒激光制备耐高温多角度倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)的方法，相比于单个角度的TFBG，可以得到更宽范围的包层模响应，从而可以应用于更大范围的折射率传感测量。该方法操作简单，所制备的TFBG角度准确，可根据所需测量的折射率的范围的不同改变TFBG的角度，且适合批量加工。

Claims (3)

1.一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅，其特征在于，在光纤的同一位置，沿一个垂直于光纤轴向方向，光纤的纤芯内部分成数个不同的部分，其中，每个部分内均制备有倾斜光纤布拉格光栅结构，相邻两部分的光栅周期结构延展方向平行且光栅结构的倾斜角度不同；所述光纤为单模光纤或多模光纤。
2.一种平行多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)将光纤固定在三维移动平台上，沿z方向将光纤纤芯分为多个不同部分；其中z方向垂直于光纤轴向方向且垂直于激光延伸方向；三维移动平台在z方向和光纤轴向方向的移动范围均为0～20μm；
2)调节三维移动平台使飞秒激光聚焦在光纤纤芯的其中一个未有光栅结构的部分，利用三维移动平台在光纤轴向方向和z方向的二维移动，在飞秒激光聚焦的部分中制备倾斜光纤布拉格光栅结构，其中，相邻两部分的光栅结构的倾斜角度不同；飞秒激光经柱透镜和相位掩膜板在飞秒激光聚焦的形成光强度周期性强弱分布的线型光斑，线型光斑方向与光纤轴向方向平行；
3)重复步骤2)，直至步骤1)所划分的所有部分中均制备有光栅结构；
其中，选用的飞秒激光的中心波长为266～1064nm，重复频率为500～2000Hz，功率为20～1200mW，选用的柱透镜焦距为20～100mm，相位掩模板周期为1.0～3.4μm。
3.如权利要求2所述的多角度倾斜光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，当完成一个部分的光栅结构制备后，关闭飞秒激光快门，然后利用三维移动平台移动光纤使飞秒激光能聚焦到另一部分，再打开飞秒激光快门。
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