CN109085675A - 一种双涂覆层弱光纤光栅阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双涂覆层弱光纤光栅阵列及制备方法，包括纤芯、刻写在纤芯上的弱光栅阵列，纤芯外的包层，包层外采用汽相沉积工艺制备的TiO2层，TiO2层外二次涂覆高分子材料。一种双涂覆层弱光纤光栅阵列的制备方法，利用拉丝塔对预制棒拉丝形成纤芯和包层，然后采用外部气相沉积工艺在裸光纤表面形成TiO2薄膜，再采用相位掩模板单脉冲工艺刻写弱光栅阵列，最后对刻写的光栅进行二次涂覆。本发明的光纤光栅阵列结构简单，抗弯曲、抗疲劳、抗腐蚀性好，性价比高，刻写方式灵活，可用于恶劣环境以及长期应变监测的场合，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种双涂覆层弱光栅阵列及其制备方法。
背景技术
光纤光栅传感器由于其具有体积小、抗电磁干扰、高灵敏度等显著优点，常用于温度、应力以及振动等参数的测量。普通光栅多采用载氢光纤先剥皮后刻写，然后再进行二次涂覆制成。由于二次涂覆后时光栅处的涂覆层厚度不均，与原有的涂覆层无法完美结合，导致普通的光栅抗拉强度降低，温度线性度不佳，需要单独封装才能够用于实际测量。此外，普通光栅的反射率高，复用容量小，也无法进行大容量分布式监测的需要。弱光栅是对反射率低于1％光栅的统称，由于弱光栅的反射率较低，在单根光纤上允许同波长光栅的复用，因此，弱光栅的复用容量大大幅提升，在分布式多点监测中显表现出明显的优势，例如，在坝前水温监测、建筑应变监测以及周界安防等众多领域具有很好的应用前景。
弱光栅制备工艺与传统光栅存在明显差异，目前最新的弱光栅制备方法主要有飞秒刻写、拉丝塔刻写以及透紫外高分子涂覆层刻写等几种方法。德国夫琅禾费研究所拥有飞秒刻写方法的专利，这种工艺无需剥皮，可以直接在普通光纤上刻写，但光栅的累积插入损耗大，很难实现大容量复用；武汉理工大学提出了拉丝塔光栅刻写方法，并申请了专利“大容量弱光栅阵列加工设备及方法”(专利号：201610320857.0)，这种方法在光纤拉丝的同时进行光栅刻写，再进行丙烯酸酯的涂覆，制备的弱光栅阵列的机械性能好，抗拉和耐疲劳性能与普通光纤相当。但拉丝塔刻写工艺较难实现波长调整，制备多波长阵列困难，且设备投入大，生产技术要求高。专利“一种光纤，其制备方法及其光纤光栅阵列”(专利号：201710188727.0)将普通光纤的丙烯酸酯涂覆层改为高分子紫外光透明材料，同时降低涂覆层的厚度到30um左右，来提高涂覆层的透光性，再采用相位掩模法直接透过涂覆层来刻写光栅。这种刻写工艺将光纤制备与光栅刻写分离，工艺灵活性好，但由于高分子紫外光透明材料的强度差，光纤的抗拉强度小于100kpsi，二次涂覆品质较难控制，应用范围也极为有限。上述3种制备工艺各有优缺点，制备的光栅阵列还不能很好地满足传感行业的普遍需求，尤其是在多波长复用方式，以及耐腐蚀、抗疲劳性等性能还有待提升，深入研究弱光栅的新结构及制备方法很有必要。
发明内容
针对现有弱光栅阵列性能不佳、制备工艺不佳的问题，本发明提出了一种双涂覆层的弱光纤光栅阵列，该发明在光纤拉丝过程中，通过在裸光纤的包层外汽相沉积一层超薄的TiO2薄膜，得到机械性能良好的一次涂覆光纤。由于TiO2薄膜的紫外吸收率不高，可以直接利用掩模板自动刻写系统透过TiO2薄膜灵活刻写弱光栅阵列。再经过二次涂覆丙烯酸酯等得到标准直径的光纤光栅阵列。由于光纤涂覆TiO2薄膜具有良好的附着力和耐腐蚀、抗疲劳性能，使得该双涂覆层光纤光栅阵具有很好的韧性、抗疲劳性以及耐腐蚀性，在恶劣环境的监测以及长期应变监测上具有重要的应用价值。
本发明采取的技术方案为：
一种双涂覆层弱光栅阵列，包括纤芯、刻写在纤芯上的弱光光栅阵列、纤芯外的包层，包层外涂覆TiO2层，TiO2层外涂覆高分子材料层。
所述TiO2层采用汽相沉积工艺制备，厚度2～10um。
所述的弱光光栅阵列是全同或者波分复用的弱光栅，光栅反射率低于0.1％。
所述弱光光栅阵列采用相位掩模法单脉冲刻写。
所述高分子材料层的材料是丙烯酸酯，或聚乙烯。涂覆后的直径为250um，或900um。
一种双涂覆层弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在光纤拉丝塔上对标准的预制棒进行加热，拉丝，形成纤芯和包层；
(2)待涂覆的裸光纤通过TiO2的高温沉积区域，在光纤的包层表面汽相沉积一层5～10um的TiO2；
(3)光纤收线器卷绕一次涂覆的TiO2光纤；
(4)在相位掩模自动刻写系统中，以低于20米/秒的速度匀速牵引光纤，采用单脉冲曝光的方式刻写等间距、同波长的弱光栅，通过调节脉冲的宽度或功率，调节光栅的反射率；
(5)根据光栅间隔和波长需要，一次或多次更换掩膜版，重复步骤(4)，在不同位置刻写另一波长的弱光栅，构成多波长复用的光栅阵列；
(6)对刻写光栅后的光纤进行2次涂覆，形成最终的光纤光栅阵列。
本发明一种双涂覆层弱光纤光栅阵列，具有以下有益效果：
1)光栅制备简单
在裸光纤上汽相沉积工艺制备TiO2的工艺相对成熟，易于大批量生产；利用这种光纤刻写光栅，效率高，灵活性好，有望大幅降低弱光栅的制作成本。
2)光纤的抗疲劳，耐腐蚀性能大幅提升：
由于在光纤包层上涂覆一层TiO2薄膜，相当于给纤芯和包层多增加了一层特殊的保护层，可以有效阻止水汽等的侵蚀，提升光栅的耐久性。TiO2薄膜与包层结合，可以大幅提升光纤的抗疲劳性能，可用于恶劣环境的长期监测。
3)机械强度有所提高，抗拉性能好：
光纤光栅阵列中的TiO2薄膜相比于普通的丙烯酸酯涂覆层具有更高的机械强度，只需要在裸纤上沉积2～10um，即可卷曲成盘。在此基础上，二次涂覆丙烯酸酯到标准直径的光纤，抗弯曲性能更好，适用于大应变、耐变形场合的监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1为弱光栅阵列；2为纤芯；3为包层；4为TiO2层；5为高分子材料层。
具体实施方式
如图1所示，一种双涂覆层弱光纤光栅阵列，包括纤芯2、刻写在纤芯2上的弱光纤光栅阵列1，纤芯2外的包层，包层外采用汽相沉积工艺制备TiO2层4，TIO2层4外进行二次涂覆高分子材料层5。
所述的TiO2层厚度约为2～10um。
所述的弱光栅阵列1可以是全同或者波分复用的弱光栅，光栅反射率低于0.1％。例如所有弱光栅阵列的波长为1550nm，相关理论和实验已经证明，当光栅的反射下降到0.01％左右时，一个阵列上允许1000个相同波长的光栅。当然，如果光栅阵列数量大于1000个，或者空间分辨率小于3米时，可以在相同波长的光栅之间插入不同的波长，简称波分复用。具体组合形式可以是时分/波分复用，或者波分/时分复用。
所述的弱光栅阵列1相位掩模法单脉冲刻写。
所述的二次高分子涂覆层材料可以是丙烯酸酯，或聚乙烯，涂覆后的直径为250um，或900um。
一种双涂覆层弱光纤光栅阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在光纤拉丝塔上对标准的预制棒进行加热，拉丝，形成纤芯2和包层3；
步骤2：待涂覆的裸光纤通过TiO2的高温沉积区域，在光纤的包层表面汽相沉积一层5～10um的TiO2 4；
步骤3：光纤收线器卷绕一次涂覆层的光纤；
步骤4：在相位掩模自动刻写系统中，以低于20米/秒的速度匀速牵引光纤，采用单脉冲曝光的方式刻写等间距、同波长的弱光栅，通过调节脉冲的宽度或功率，调节光栅的反射率；
步骤5：根据光栅间隔和波长需要，一次或多次更换掩膜版，重复步骤(4)，在不同位置刻写另一波长的弱光栅，构成多波长复用的光栅阵列；
步骤6：对刻写光栅后的光纤进行2次涂覆，形成最终的光纤光栅阵列。
本发明提供的一种双涂覆层光纤光栅阵列通过在拉丝生产光纤的过程中，利用外部气相沉积在包层外面超薄涂覆一层TiO2薄膜，用于提高光纤的韧性、耐腐蚀性以及强大的抗拉能力，同时为后续光栅的刻写提供了一种理想结构。这种光纤可以直接采用相位掩模法单脉冲刻写光栅，光栅刻写效率高。待光纤光栅阵列刻写完成后，根据实际需求将其进行二次丙烯酸酯涂覆到250um或900um。该双涂覆层光纤光栅阵列的制备方法简单，灵活性好，具有强大的抗疲劳及耐腐蚀能力，适用于恶劣环境以及长期情况下的工程监测。
Claims (6)
1.一种双涂覆层弱光栅阵列，其特征在于，包括纤芯(2)、刻写在纤芯(2)上的弱光光栅阵列(1)、纤芯(2)外的包层(3)，包层(3)外涂覆TiO2层(4)，TiO2层(4)外涂覆高分子材料层(5)。
2.根据权利要求1所述一种双涂覆层弱光栅阵列，其特征在于：所述TiO2层(4)采用汽相沉积工艺制备，厚度2～10um。
3.根据权利要求1或2所述一种双涂覆层弱光栅阵列，其特征在于：所述的弱光光栅阵列(1)是全同或者波分复用的弱光栅，光栅反射率低于0.1％。
4.根据权利要求1所述一种双涂覆层弱光栅阵列，其特征在于：所述弱光光栅阵列(1)采用相位掩模法单脉冲刻写。
5.根据权利要求1所述一种双涂覆层弱光栅阵列，其特征在于：所述高分子材料层(5)的材料是丙烯酸酯，或聚乙烯。
6.一种双涂覆层弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在光纤拉丝塔上对标准的预制棒进行加热，拉丝，形成纤芯和包层；
(2)待涂覆的裸光纤通过TiO2的高温沉积区域，在光纤的包层表面汽相沉积一层5～10um的TiO2；
(3)光纤收线器卷绕一次涂覆的TiO2光纤；
(4)在相位掩模自动刻写系统中，以低于20米/秒的速度匀速牵引光纤，采用单脉冲曝光的方式刻写等间距、同波长的弱光栅，通过调节脉冲的宽度或功率，调节光栅的反射率；
(5)根据光栅间隔和波长需要，一次或多次更换掩膜版，重复步骤(4)，在不同位置刻写另一波长的弱光栅，构成多波长复用的光栅阵列；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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