CN109471216A - 一种基于双侧co2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法 - Google Patents

一种基于双侧co2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法。本发明采用双侧CO2激光器，其出射激光从两侧垂直照射于单模光纤已剥除涂覆层的区域，CO2激光光束以一定的角度沿两个方向，相互不重叠的入射光纤。两束激光相遇在光纤两侧，形成一个大角度包裹的热场，可以实现较均匀有效的光纤加热过程。本发明将扭转与照射推进分开，CO2激光将机械引入的扭转冻结在光纤中，引入周期性的折射率调制，形成此种特殊的长周期光纤光栅，解决了激光加热和螺旋同时进行时由于光纤同时受到马达的扭力和激光的冲击力容易引起光纤变形，形成阶梯状结构而增大损耗的技术问题。

Description

一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法
技术领域
本发明属于光纤光栅技术领域，更具体地，涉及一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法。
背景技术
螺旋长周期光纤光栅(Helical Long-Period Fiber Grating,HLPFG)一经提出便获得了广泛的关注，制备方式也多种多样。在普通实验制备方式中一般采用的都是合适热源加热的同时并扭转光纤的方法，这里的热源可以是高温炉，氢氧焰或是激光加热。CO2激光加热法以其能源清洁，能量密度高，控制方式灵活且能量利用效率高等优点脱颖而出。
现有技术中，CO2激光制备螺旋长周期光纤光栅的方法包括：Seungtae Oh等人使用单侧聚焦CO2激光照射光纤，照射加热过程中同时利用电机对光纤进行旋转并轴向移动，制备的结构连接上光源和光谱仪呈现出普通 LPG的损耗谱。Woojin Shin等人针对之前的制备方法作出了改进，将激光加热着的光纤两端同时进行方向相反的旋转，栅区长度仅为13mm就可以达到很强的耦合，偏振损耗也很小，低于1dB。对于施加在该HLPG上的同向扭转和反向扭转，表现出了很好的波长可调性。R.Gao利用CO2激光进行了多相移螺旋长周期光纤光栅的刻写，光栅刻写方式与前人类似，在刻写一段光栅后通过改变旋转马达的速度来改变下一段的光栅周期，来引入相移。在一整段光栅中分别引入了π/2，3π/2的相移，传输谱里会相应存在相移损耗峰，两个峰值之间的波长差对温度不敏感，由此可以利用此结构制备成温度不敏感的扭转传感器。Liang Zhang等人使用CO2激光在两模光纤上写入了螺旋光纤光栅，用于扭转的测量，也获得较好的扭转响应。
现有技术中，使用CO2激光制备长周期光纤光栅时，采用的最常见的方法就是一边加热一边螺旋，移过一个光栅周期的距离后再进行一样的步骤。但在实际操作中发现，激光加热和螺旋同时进行时由于光纤同时受到马达的扭力和激光的冲击力容易引起光纤变形，形成阶梯状结构增大损耗。利用CO2激光写入长周期光纤光栅的设备采用的是独立的CO2激光单侧写入，写入过程中容易出现两侧残余应力释放不均匀以及激光单侧冲击造成光纤变形及微弯，进而造成光纤偏离小尺寸激光光斑位置，影响光栅写入的准确性及一致性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术单侧CO2激光制备长周期光纤光栅时光纤易变形导致的损耗大、写入准确性差的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.低功率预热双侧CO2激光器，并保证制备过程中激光器的光斑位置保持不变；
S2.加大双侧CO2激光器的出射功率，并保证两侧激光功率接近；
S3.将两个夹具分别固定在左侧旋转马达和右侧旋转马达上，调节夹具之间的距离，并对两个夹具进行对准，保证两个夹具中心对轴且在同一水平面上；
S4.将中间一段被剥除涂覆层的单模光纤放入两个夹具并夹紧；
S5.所述单模光纤的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪；
S6.在宽带光源和左侧旋转马达之间的光纤上连接一个砝码，使夹具之间光纤保持绷直的状态；
S7.关闭双侧CO2激光器，打开宽带光源和光谱分析仪，左侧旋转马达与右侧旋转马达各旋转180°，旋转速度相同且方向相反；
S8.打开双侧CO2激光器后，照射的同时，左侧推进马达与右侧推进马达以相同的推进速度和方向推进光纤移动一个光栅周期的长度；
S9.重复步骤S7-S8，直至实现多个周期的连续刻写。
具体地，当两侧激光功率的差值在0.5W之内，则认为两侧激光功率接近。
具体地，两个夹具之间的距离为50mm。
具体地，旋转速度为0.060°/ms。
具体地，推进速度为0.040μm/ms。
第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的制备方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明采用双侧CO2激光器，其出射激光从两侧垂直照射于单模光纤已剥除涂覆层的区域，CO2激光光束以一定的角度沿两个方向，相互不重叠的入射光纤。两束激光经反射后相遇在光纤两侧，形成一个大角度包裹的热场，可以实现较均匀有效的光纤加热过程。
2.本发明将扭转与照射推进分开，CO2激光将机械引入的扭转冻结在光纤中，引入周期性的折射率调制，形成此种特殊的长周期光纤光栅，解决了激光加热和螺旋同时进行时由于光纤同时受到马达的扭力和激光的冲击力容易引起光纤变形，形成阶梯状结构增大损耗的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的CO2激光制备HLPFG系统结构图；
图2为本发明实施例提供的一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法流程图；
图3为本发明施例提供的HLPFG的结构示意图；
图4为本发明施例提供的HLPFG的透射光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，整个制备系统由宽带光源1、左侧旋转马达θL 6、左侧推进马达ZL 8、右侧旋转马达θR 7、右侧推进马达ZR 9、双侧CO2激光器 3、剥除涂覆层的单模光纤2、PC端5、光谱分析仪4、左右马达上的夹具 10和砝码11构成。
中间一段被剥除涂覆层的单模光纤通过两侧马达上的夹具夹持住，光纤的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪。双侧CO2激光器的出射激光从两侧垂直照射于单模光纤已剥除涂覆层的区域。宽带光源用于发射宽带光。宽带光经过中间一段被剥除涂覆层的单模光纤的透射谱用光谱分析仪探知。PC端可以调节双侧CO2激光器的出射激光的强度和时间，同时控制两侧旋转马达和水平推进马达的各项参数。在宽带光源和左侧马达之间的光纤上连接一个5g的砝码，该方法给光纤较小的轴向预应力，使夹具之间的光纤保持绷直的状态。
如图2所示，一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.低功率预热双侧CO2激光器，并保证制备过程中激光器的光斑位置保持不变；
S2.加大双侧CO2激光器的出射功率，并保证两侧激光功率接近；
S3.将两个夹具分别固定在左侧旋转马达和右侧旋转马达上，调节夹具之间的距离，并对两个夹具进行对准，保证两个夹具中心对轴且在同一水平面上；
S4.将中间一段被剥除涂覆层的单模光纤放入两个夹具并夹紧；
S5.所述单模光纤的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪；
S6.在宽带光源和左侧旋转马达之间的光纤上连接一个砝码，使夹具之间光纤保持绷直的状态；
S7.关闭双侧CO2激光器，打开宽带光源和光谱分析仪，左侧旋转马达与右侧旋转马达各旋转180°，旋转速度相同且方向相反；
S8.打开双侧CO2激光器后，照射的同时，左侧推进马达与右侧推进马达以相同的推进速度和方向推进光纤移动一个光栅周期的长度；
S9.重复步骤S7-S8，直至实现多个周期的连续刻写。
步骤S1.低功率预热双侧CO2激光器，并保证制备过程中激光器的光斑位置保持不变。
低功率的取值范围为小于0.5W。预热双侧CO2激光器使其运行达到稳定状态。激光器的光斑位置可从PC端读取，保证制备过程中激光器的光斑位置保持不变，以防止烧坏其他部件。
步骤S2.加大双侧CO2激光器的出射功率，并保证两侧激光功率接近。
加大双侧CO2激光器的出射功率至10W左右。调整两侧激光功率接近，比如，两者差值在0.5W之内，可以实现光纤两侧等温的包裹性加热。否则的话，会使光纤受热不均匀，出现微小弯曲，增大插入损耗。
步骤S3.将两个夹具分别固定在左侧旋转马达和右侧旋转马达上，调节夹具之间的距离，并对两个夹具进行对准，保证两个夹具中心对轴且在同一水平面上。
光纤在加热过程中，会受到激光的冲击以及自身形状的微小改变，引起光纤的抖动。制备过程中需要选取合适的夹持距离和推进速度来使光纤处于一个尽可能稳定的状态，这样有利于减小光纤的损耗以及以更高效率来完成光栅的刻写。
两个夹具之间的距离过长，会导致光纤在制备过程中发生抖动，影响成栅质量；两个夹具之间的距离过短，有可能导致激光烧坏其他部件。两个夹具之间的距离优选为50mm。如果两个夹具不对准(上下对准或前后对准)，会使制备过程中光纤出现微小弯曲，增大插入损耗。
步骤S4.将中间一段被剥除涂覆层的单模光纤放入两个夹具并夹紧。
单模光纤被剥除涂覆层的长度应大于光栅总长度。
步骤S6.在宽带光源和左侧旋转马达之间的光纤上连接一个砝码，使夹具之间光纤保持绷直的状态。
在光纤左侧连接上一个5g的重物，给光纤较小的轴向预应力，可以保证光纤在加热过程中不会引入微弯影响到刻写精度。重物较轻，不至于在加热时产生拉锥结构，并且能提高光栅刻写效率。
步骤S7.关闭双侧CO2激光器，打开宽带光源和光谱分析仪，左侧旋转马达与右侧旋转马达各旋转180°，旋转速度相同且方向相反。
左侧旋转马达与右侧旋转马达各旋转180°，相当于在整根光纤内引入360°扭转。由于旋转过程是在激光照射之前，并且有砝码可以保持光纤处于拉直的状态，在一定的范围之内旋转速度的快慢对光栅制备的稳定性影响不大，故选取了较快的一个速度，3s内完成一整圈360°旋转，减少了制备时间并且保证了实验过程的稳定性。旋转速度优选0.060°/ms。在机械扭转之前，关闭双侧CO2激光器，使得扭转过程与照射推进过程分开，解决了激光加热和螺旋同时进行时由于光纤同时受到马达的扭力和激光的冲击力容易引起光纤变形，形成阶梯状结构增大损耗的技术问题。CO2激光将机械引入的扭转冻结在光纤中，引入周期性的折射率调制，形成此种特殊的长周期光纤光栅。
步骤S8.打开双侧CO2激光器后，照射的同时，左侧推进马达与右侧推进马达以相同的推进速度和方向推进光纤移动一个光栅周期的长度。
一定范围内，马达推进速度越慢光纤抖动越小，形态越稳定，故在刻写时间和光栅制备稳定性里取一个平衡值，设为0.040μm/ms。
在推进速度选取过程中，可以通过光谱仪来在线监控功率变化以观察光栅的形态。当光纤在加热过程中保持平直时，光栅的插入损耗小；当光纤在加热中出现了弯曲，会引入很大的损耗并逐渐恶化，以至光谱杂乱，不能成栅。光栅周期的长度取值范围为[1μm,800μm]。
步骤S9.重复步骤S7-S8，直至实现多个周期的连续刻写。
根据实际需要选择循环次数，即需要的光栅周期数。如图3所示，经过多个周期的连续刻写之后，中间一段被剥除涂覆层的单模光纤最终形成螺旋长周期光纤光栅。
图4中，横坐标为宽带光源用于发射宽带光波长，单位为nm，纵坐标为透射强度，单位为dB。如图4所示，制备的HLPFG的参数为：周期为 500微米，周期数为35。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于双侧CO2激光写入螺旋长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.低功率预热双侧CO2激光器，并保证制备过程中激光器的光斑位置保持不变；
S2.加大双侧CO2激光器的出射功率，并保证两侧激光功率接近；
S3.将两个夹具分别固定在左侧旋转马达和右侧旋转马达上，调节夹具之间的距离，并对两个夹具进行对准，保证两个夹具中心对轴且在同一水平面上；
S4.将中间一段被剥除涂覆层的单模光纤放入两个夹具并夹紧；
S5.所述单模光纤的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪；
S6.在宽带光源和左侧旋转马达之间的光纤上连接一个砝码，使夹具之间光纤保持绷直的状态；
S7.关闭双侧CO2激光器，打开宽带光源和光谱分析仪，左侧旋转马达与右侧旋转马达各旋转180°，旋转速度相同且方向相反；
S8.打开双侧CO2激光器后，照射的同时，左侧推进马达与右侧推进马达以相同的推进速度和方向推进光纤移动一个光栅周期的长度；
S9.重复步骤S7-S8，直至实现多个周期的连续刻写。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当两侧激光功率的差值在0.5W之内，则认为两侧激光功率接近。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，两个夹具之间的距离为50mm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，旋转速度为0.060°/ms。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，推进速度为0.040μm/ms。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的制备方法。
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