CN108646351B - 一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法，首先通过对端面倾斜切割后，然后在端面外涂覆折射率与纤芯折射率相近的椭球形UV胶滴，使端面的反射率降到0.001%以下。该方法避免了传统匹配液、打圈、镀膜等方法的繁琐操作，有效降低端面反射的背景噪声，提升了光纤光栅传感系统的性能，具有结构简单，制作方便，减反射效果显著，在光纤传感领域具有重要的应用价值。

Description

一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法。

背景技术

随着弱光纤光栅制作工艺的成熟，弱光栅传感器在各个领域的应用越来越广泛。弱光纤光栅传感器相比于其他的电传感器在温度监测、应变监测、振动监测等技术领域具有更大的优势。但弱光纤光栅的反射率低一般低于0.1％，而普通光纤端面的反射率可以达到0.2％，端面反射的连续光叠加在信号光上，被光电探测器转换成电信号，会形成难以去除的噪声，大大降低系统的信噪比，严重影响系统的解调精度；此外，端面对脉冲光信号反射，在弱光栅解调仪的解调过程中，会将尾端的光纤光栅误判为一个光栅。已有文献(张自丽等，端面反射引起的光纤光栅传感阵列的串扰分析[J].激光与光电子学进展，2016，12:87-93.)对上述影响进行了研究分析，但没有提出可行的改进方案。因此，对弱光纤光栅阵列的尾纤端面进行减反射处理，是传感系统构建的重要环节。

传统的尾纤端面减反射方法主要是通过在光纤光栅阵列的尾端打圈或浸入匹配液，其中，打圈方法相对方便，主要是通过人为缠绕使光纤弯曲，让透射到端面的光能量通过弯曲损耗衰减，可降低反射光的强度；通常还需要将尾纤端面进行倾斜切割，减小光能量在光纤和空气交界面的反射，使能量更多的发送到空气中。该方法有一定的效果，能将端面反射光的光强降到0.01％左右。但通过在光纤尾部打圈的方法需要将光纤的弯曲直径减小到6毫米以下、圈数超过3圈以上才有明显的效果，且随着抗弯曲光纤的出现，通过打圈减反的效果越来越差。此外，过度弯曲容易导致光纤折断，实际操作的成功率低，难度较大；由于光纤纤芯的折射率与无水乙醇比较接近，实验室中也通常将光纤光栅的尾纤成端后，直接浸入无水乙醇中来降低断面的反射率。这种方法需要在光纤尾部加挂容器装置，可靠性差，工程应用不便，多用于实验室的临时处理；文献(高婷等.光纤端面宽带减反射膜制备[J].光电子·激光2014，4:687-691.)提出了一种通过在尾纤端面镀减反射膜的方法来降低光纤光栅端面的反射率，但镀膜操作复杂，成本较高，不利于光纤光栅的在使用过程中灵活的分割以及接续。

发明内容

针对现有方法的减反射效果不佳、制作工艺复杂、不便于成缆等问题；以及现有光纤光栅尾纤端面噪声大、不便于成缆、操作难度大、处理成本高等的问题。本发明提供一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法，首先通过对端面倾斜切割后，然后在端面外涂覆折射率与纤芯折射率相近的椭球形UV胶滴，使端面的反射率降到0.001％以下。该方法避免了传统匹配液、打圈、镀膜等方法的繁琐操作，有效降低端面反射的背景噪声，提升了光纤光栅传感系统的性能，具有结构简单，制作方便，减反射效果显著，在光纤传感领域具有重要的应用价值。

本发明采取的技术方案为：

一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，包括楔形端面和UV胶滴。

楔形端面与光纤轴线夹角为20～40°，表面光滑整齐，用于改变光纤中的光束从尾纤的端面入射到UV胶滴中的入射角度。

UV胶成分为丙烯酸酯，其固化后的折射率1.475～1.550，与纤芯折射率1.475一致，外形呈椭球形，直径约为1～2mm，用于将纤芯中的光束透射出去。如图1所示，椭球形的UV胶滴使得从纤芯中透射出的光束在椭球形内经过多次折射后几乎全部透射出去，由于纤芯的直径为10um，在椭球形UV胶滴内的反射光几乎不会反射回纤芯中。

采用上述光纤尾部成端的原理如下：

根据折射定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂和自然光反射率随入射角变化的关系式

通过优化光纤的成端角度来改变θ₁角，同时调整固化时间来控制UV胶的折射率，可以在获得最佳减反射效果的同时，改变反射光线的全反射条件，到达最佳的降噪效果。其中，R_n为端面反射率，θ₁为入射角，与光纤端面和轴线夹角互为余角，θ₂为出射角，与UV胶的折射率有关。具体而言：

1、当光纤纤芯折射率n₁和UV胶折射率n₂一定时，如图2和图3所示，光纤中的光束从尾纤的的端面入射到UV胶滴中的入射角度θ₁越小，反射率越低。但由于反射角θ₁'等于入射角θ₁，为使反射那部分极弱的光束不能在纤芯内形成全反射，则光功率会很少原路返回。根据光线在光纤中全反射传播的公式

由于包层的折射率n₃和纤芯的折射率n₁差别很小，全反射临界角θ_c接近90°，只需要反射光线在纤芯与包层界面的入射角θ₃小于全反射临界角θ_c即可让大部分的光线折射到包层中损耗掉。因此需要对尾纤端面进行倾斜切割，根据图3的反射率曲线图可知，切割角度约为70～80°。

2、当光纤纤芯折射率n₁和光纤端面切割角度一定时，如图3所示，UV胶的折射率n₂越接近于光纤纤芯的折射率n₁，反射率越低，其中UV胶折射率略大于光纤纤芯时，反射率最低。

一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：将光纤光栅阵列待切割的尾纤端采用酒精擦拭干净，倾斜放置在切割台上，在待切割断面的两侧固定，倾斜角度为70～80°；

步骤2：采用锐利的刀具沿固定块内侧快速划过光纤，形成光滑的楔形端面；

步骤3：在线检测端面的反射率，当反射率大于0.1％，重复步骤1～步骤2，再次成端；

步骤4：将光纤光栅阵列的尾纤竖直向下放置，在接近端面以上2毫米处，点UV胶少许，让UV胶在重力作用下自然向端面缓慢移动；

步骤5：观察UV胶在端面富集的过程，当UV胶正好在尾纤端面自然形成一个椭球形液滴，用紫外光源对UV胶球形液滴快速固化；

步骤6：在线检测端面的反射率，控制UV胶的固化时间，当反射率远低于光栅反射率时，停止UV固化；否则，重复步骤1～步骤5；

步骤7：在固化的UV胶滴上再次补胶，固化，形成1～2mm的椭球形。

本发明一种光纤光栅阵列的端面结构及制作方法，具有以下有益效果：

1)、结构简单，减反射效果好：

通过对弱光栅阵列的尾纤进行端面切斜和UV点胶处理，形成一个光发散结构，即可达到显著的减反射效果，结构简单，实现方便。由于处理后的端面反射率低于0.001％，将弱光栅反射传感系统的背景噪声降低一个数量级，非常有助于提升弱光栅传感系统的检测精度，降低了对弱光栅最低反射率的要求，提升弱光栅传感系统的容量。该结构的出现是弱光栅传感系统的一大突破。

2)、制作方法简单，易于实现：

通过上述操作便可以将光纤光栅端面反射率降到最低，一次成功率高，无需专门的员工技能培训，短时间动手实践即可学会，非常适用于实验和生产过程中的光纤成端，在业界具有良好的推广应用前景。利用普通UV胶和紫外光源进行处理，无需专门的工具，UV胶便宜，用量少，成本低廉。

3)、体积小，便于成缆：

处理后的尾纤端面只有直径为2mm左右的球形UV胶，在成缆过程中不占空间，不易损坏，成缆后也具有同样的效果，不需要对其进行特殊保护。

附图说明

图1为本发明的一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构示意图。

图2为光线在尾纤端面处的传播示意图。

图3为光纤端面处反射率随入射角θ₁和折射率n₂变化的关系曲线图。

图中：1为光纤包层；2为光纤纤芯；3为楔形端面；4为UV胶滴；5为光线传播路径。

具体实施方式

本发明提供了一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及其制作方法。以下结合附图，对实施例予以说明。

本发明的一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，如图1所示，包括楔形端面3和UV胶滴4。

优选地，尾纤的楔形端面3与光纤轴线夹角为70～80°，表面光滑整齐。

优选地，UV胶滴4呈椭球形，直径为1～2mm；固化后折射率与光纤纤芯相近。

优选地，UV胶成分为丙烯酸酯，选用普通的304紫外固化胶。为了更好的匹配折射率，采用UV光两次固化成型，注意在仪器显示下，控制固化时间，一般不要超过1分钟，确保折射率在1.5左右。

优选地，椭球形胶滴直径1～2mm，过大的直径容易导致脱落或认为损伤。

一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构的制作方法，其步骤如下:

(1)、将光纤光栅阵列待切割的尾纤端采用酒精擦拭干净，倾斜放置在切割台上，在待切割断面的两侧固定，倾斜角度为70～80°；

(2)、采用锐利的刀具沿固定块内侧快速划过光纤，形成光滑的楔形端面；

(3)、在线检测端面的反射率，当反射率大于0.1％，重复步骤一～二，再次成端；

(4)、将光纤光栅阵列的尾纤竖直向下放置，在接近端面以上2毫米处，点UV胶少许，让UV胶在重力作用下自然向端面缓慢移动；

(5)、观察UV胶在端面富集的过程，当UV胶正好在尾纤端面自然形成一个椭球形液滴，用紫外光源对UV胶球形液滴快速固化；

(6)、在线检测端面的反射率，控制UV胶的固化时间，当反射率远低于光栅反射率时，停止UV固化；否则，重复步骤一～步骤五；

(7)、在固化的UV胶滴上再次补胶，固化，形成1～2mm的椭球形。

如图3所示，一种光纤光栅阵列尾纤端面处的反射率R_n随尾纤端面处入射角θ₁和尾纤端面外物质折射率n₂的变化曲线。根据折射定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂和自然光反射率随入射角变化的关系式

在纤芯折射率n₁为1.475时，当尾纤端面外物质折射率n₂一定时，随着尾纤端面处入射角θ₁的增大，反射率逐渐增大，越接近90°，反射率增大的越快；

当尾纤端面处入射角θ₁一定时，随着尾纤端面外物质折射率n₂的增大，折射率n₂越接近于纤芯折射率n₁时，反射率越小，其中折射率n₂略大于纤芯折射率n₁时反射率最低。

通过对上述两种影响因素综合考虑后，选取了尾纤的楔形端面与光纤轴线夹角为70～80°，控制UV胶固化后折射率接近于纤芯折射率，从而将光纤光栅阵列的尾纤端面的反射率降到最低。

综上所述，本发明公开的一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及其制作方法，通过对端面进行倾斜切割、固化UV胶的折射率与纤芯相近、将UV胶处理成椭球形这三步减反射的处理将反射率降到最低。本发明克服了现有方法减反射效果差、不便于成缆、操作难度大、处理成本高的不足，具有操作简单、效果好、成本低等优点，在光纤光栅传感领域具有重要的应用价值。

本发明一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构及制作方法，通对尾纤端面进行倾斜切割，采用与纤芯折射率相近的UV胶多次固化形成椭球形结构，使光纤光栅阵列尾纤的反射率降到0.001％以下，避免了传统匹配液、打圈、镀膜等方法的繁琐操作。

Claims (5)

1.一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，其特征在于包括：

楔形端面(3)，与光纤轴线成70～80°倾斜夹角；

UV胶滴(4)，UV胶滴(4)固化后的折射率约为1.475～1.550，与纤芯折射率匹配，外形呈椭球形。

2.根据权利要求1所述一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，其特征在于：

所述UV胶滴(4)成分为丙烯酸酯，采用UV光两次固化成型。

3.根据权利要求1所述一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，其特征在于：

所述椭球形的UV胶滴(4)直径1～2mm。

4.根据权利要求1所述一种光纤光栅阵列的尾纤端面结构，其特征在于：

通过优化光纤的成端角度来改变θ₁角，同时调整固化时间来控制UV胶滴(4)的折射率，在获得最佳减反射效果的同时，改变反射光线的全反射条件，到达最佳的降噪效果；

其中：R_n为端面反射率，θ₁为入射角，与光纤端面和轴线夹角互为余角，θ₂为出射角，与UV胶滴(4)的折射率有关。

5.如权利要求1-4所述任意一项光纤光栅阵列的尾纤端面结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将光纤光栅阵列待切割的尾纤端面采用酒精擦拭干净，倾斜放置在切割台上，在待切割断面的两侧固定，倾斜角度为70～80°；

步骤2：采用锐利的刀具沿固定块内侧快速划过光纤，形成光滑的楔形端面(3)；

步骤3：在线检测端面的反射率，当反射率大于0.1％，重复步骤1～步骤2，再次成端；

步骤4：将光纤光栅阵列的尾纤竖直向下放置，在接近端面以上2毫米处，点UV胶少许，让UV胶在重力作用下自然向端面缓慢移动；

步骤5：观察UV胶在端面富集的过程，当UV胶正好在尾纤端面自然形成一个椭球形液滴，用紫外光源对UV胶球形液滴快速固化；

步骤6：在线检测端面的反射率，控制UV胶的固化时间，当反射率远低于光栅反射率时，停止UV固化；否则，重复步骤1～步骤5；

步骤7：在固化的UV胶滴(4)上再次补胶，固化，形成1～2mm的椭球形。

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