CN109709639B - 全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，它的脉冲激光发生器的脉冲激光输出端连接第一光分路器的输入端，第一光分路器的第一输出端连接第二光分路器的第一输入端，宽带光源的输出端连接第二光分路器的第二输入端，第二光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的一端，第二光分路器的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器的第二输出端连接第三光分路器的第一输入端，光谱分析仪的光通信端口连接第三光分路器的第二输入端，第三光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的另一端，第三光分路器的第二输出端为光谱观察接口；通过本发明制作的光栅阵列具有较大的弯曲半径以及较高的机械强度。

Description

全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法。

背景技术

设备跟踪在医学领域是一个非常活跃和完善的领域，它可在手术过程中对人体内的医疗器械进行导航，例如导管、内窥镜、柔性针等微创手术器械。光纤光栅(Fiber BraggGrating,FBG)由于其具有柔软、体积小、抗电磁干扰能力强、易组网与嵌入等特性，目前已经有大量学者进行基于光纤光栅传感器的三维姿态还原的基础研究，以及活检针，导管和其他用于形状检测的微创工具的医学应用研究中。

光纤轴向应变及曲率、挠率等的反馈信息获取是三维姿态重建的重点。而为了定位曲率半径，至少有三根纤维被粘合封装成特定的几何形状(线性、三角形或正方形的横截面)以获得二维或三维的形状重建。在2010年，哈佛大学的Park采用每组三个(横截面为三角形)共两组的共轴传感器封装在手术针上，通过轴向应变的检测，通过曲率完成针尖形状重建，并能达到1mm的检测精度，上述方法仅能实现自由空间内二维平面重建，并且其采用分离的、若干单个光栅组成的光栅阵列易于制作，但是封装和布设由于自然扭转等问题对后续解调算法存在较大影响。

为了解决封装的难题，已有学者提出采用多芯光纤来简化设计，在2007年美国Forggat团队采用OFDR检测系统实现了多点轴向共位的三芯光纤光栅的准分布式曲率检测，传感器为110个长度为0.5cm间距为1cm的FBG阵列，上述光栅的制作方法采用掩膜版旋转对准写入的方法，但是旋转写入法对制作平台精度要求非常高，且涂覆层剥离后的机械强度不高会增加制作难度。

目前采用FBG的形状传感器用于针形跟踪的主要限制是集成的FBG数量有限，并且其是采用分离式的准分布式结构，光栅与光栅之间的间隔存在盲区，难以保证三维姿态重建的精度，只能通过近似值来推断还原3D形状。另外，由于光纤光栅材质的限制，其弯曲半径以及温度干扰也存在较大影响。针对以上问题，针对目前三维姿态重构主要是基于离散型准分布式传感而导致精度不高的问题，提出基于硫系三芯长光纤光栅的传感方法，利用硫系光纤本身对1550nm波段具有的高光敏性以及能诱导折射率产生调制的特性，形成密集连续的光纤光栅阵列，该传感器将是一种全分布式的传感结构，而且其全分布式结构能够提高三维姿态重构的精度。另外，PMMA材料本身的柔韧性好，机械强度高，也可以解决普通单模光纤柔性差的劣势。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法，通过本发明制作的光栅阵列具有较大的弯曲半径以及较高的机械强度。

为实现此目的，本发明所设计的一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于，它包括脉冲激光发生器、第一光分路器、宽带光源、第二光分路器、三芯微丝光纤、第三光分路器和光谱分析仪，其中，所述脉冲激光发生器的脉冲激光输出端连接第一光分路器的输入端，第一光分路器的第一输出端连接第二光分路器的第一输入端，宽带光源的输出端连接第二光分路器的第二输入端，第二光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的一端，第二光分路器的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器的第二输出端连接第三光分路器的第一输入端，光谱分析仪的光通信端口连接第三光分路器的第二输入端，第三光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的另一端，第三光分路器的第二输出端为光谱观察接口；

所述三芯微丝光纤的每根纤芯的直径相等，且每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um。

一种利用上述平台的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作方法，它包括如下步骤：

步骤1：将三芯As₂Se₃光纤(硫系光纤)插入PMMA(聚合物聚甲基丙烯酸甲酯)管中形成三芯微丝光纤预制棒；

步骤2：通过左侧光纤夹具对三芯微丝光纤预制棒的左侧进行夹持固定，通过右侧光纤夹具对三芯微丝光纤预制棒的右侧进行夹持固定，控制加热环在三芯微丝光纤预制棒外圈平移对PMMA管进行软化，PMMA管的表面张力导致PMMA管在三芯As₂Se₃光纤上坍塌；

步骤3：由左侧移动台和右侧移动台对三芯微丝光纤预制棒进行拉伸操作，同时，控制加热环在三芯微丝光纤预制棒外圈平移对三芯微丝光纤预制棒进行加热，实现对三芯微丝光纤预制棒进行拉细，使得每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um，三芯微丝光纤预制棒的长度范围为1～15cm，并同时与普通单模光纤进行耦合，得到三芯微丝光纤；

步骤4：采用全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台通过光纤干涉驻波法对三芯微丝光纤进行光栅刻写，通过光脉冲激发三芯微丝光纤内部产生驻波模式和光诱导折射率的周期性调制，实现三芯硫系长光纤光栅制作。

本发明利用硫系光纤在1550nm波段的高光敏性以及能诱导折射率产生调制的特性可实现全分布式的光栅阵列制作，利用其包层材料聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所具有的高机械强度和柔韧性，使该光栅阵列可具有较大的弯曲半径以及较高的机械强度。而硫系三芯光纤光栅阵列在本质上属于特殊材料的高密集光栅结构，其传感分辨率不受光栅长度以及间隔的影响。本发明可从原理上克服了传统光纤光栅阵列为点式准分布式检测，可实现全分布式的检测，极大的解决了基于光纤光栅阵列的分布式传感系统存在盲区及分辨率不高的问题，其材料属性也解决了光纤本身存在的弯曲半径有限问题。可将光纤光栅传感器更好的适用于于小空间、大弯曲半径等应力应变全分布式需求的应用场景。

附图说明

图1为本发明微丝光纤光栅制作平台示意图；

图2为本发明微丝光纤制作平台示意图；

图3为本发明预制棒堆管示意图。

其中，1—脉冲激光发生器、2—第一光分路器、3—宽带光源、4—第二光分路器、5—三芯微丝光纤、6—第三光分路器、7—光谱分析仪、8—三芯As₂Se₃光纤、9—PMMA管、10—左侧固定台面、11—右侧固定台面、12—中部固定台面、13—左侧移动台、14—右侧移动台、15—中部移动台、16—左侧光纤夹具、17—右侧光纤夹具、18—加热环、19—加热环安装臂、20—三芯微丝光纤预制棒。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，它包括脉冲激光发生器1、第一光分路器2、宽带光源3、第二光分路器4、三芯微丝光纤5、第三光分路器6和光谱分析仪7，其中，所述脉冲激光发生器1的脉冲激光输出端连接第一光分路器2的输入端，第一光分路器2的第一输出端连接第二光分路器4的第一输入端，宽带光源3的输出端连接第二光分路器4的第二输入端，第二光分路器4的第一输出端连接三芯微丝光纤5的一端，第二光分路器4的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器2的第二输出端连接第三光分路器6的第一输入端，光谱分析仪7的光通信端口连接第三光分路器6的第二输入端，第三光分路器6的第一输出端连接三芯微丝光纤5的另一端，第三光分路器6的第二输出端为光谱观察接口；

所述三芯微丝光纤5的每根纤芯的直径相等，且每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um。直径相同使得弯曲时受压或者受拉时所受应力相同。

上述技术方案中，所述三芯微丝光纤5为As₂Se₃光纤。As₂Se₃具有非常好的光敏性，以及透光性。易于制作光纤光栅，并保证低的传输损耗。

上述技术方案中，所述脉冲激光发生器1能以设定的目标中心波长值和20MHz的重复频率发出330fs(脉冲的半高宽)的光脉冲信号。适用于干涉驻波法。

上述技术方案中，所述脉冲激光发生器1发出的光脉冲信号的功率范围为30～50W。

上述技术方案中，所述第二光分路器4的第二输出端和第三光分路器6的第二输出端均用于连接光谱分析仪的光通信端口，所述第一光分路器2的第一输出端与第二输出端的光强比为50比50，第二光分路器4的第一输出端与第二输出端的光强比为90比10，第三光分路器6的第一输出端与第二输出端的光强比为90比10。上述设计保证主光强基本不降低的情况下，有足够的光强可以加以监测。

一种三芯微丝光纤制作平台，如图2所示，它包括左侧固定台面10、右侧固定台面11、中部固定台面12、左侧移动台13、右侧移动台14、中部移动台15、左侧光纤夹具16、右侧光纤夹具17、加热环18和加热环安装臂19，所述左侧移动台13能在左侧固定台面10顶端水平直线移动，右侧移动台14能在右侧固定台面11顶端水平直线移动，左侧移动台13上设置能夹住三芯微丝光纤预制棒20一端的左侧光纤夹具16，右侧移动台14上设置能夹住三芯微丝光纤预制棒20另一端的右侧光纤夹具17，加热环18通过加热环安装臂19固定在中部移动台15上，中部移动台15能在中部固定台面12上水平直线移动，从而能带动加热环18沿三芯微丝光纤预制棒20轴向移动，三芯微丝光纤预制棒20位于加热环18内并与加热环18同轴设置，所述加热环18与三芯微丝光纤预制棒20之间的距离为0.2～0.4mm，所述加热环18的输出温度为200～500℃。近距离保证加热环有足够的温度能传递到光纤预制棒上。其传递到光纤表面的温度要求为220℃左右。

一种利用上述平台的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作方法，它包括如下步骤：

步骤1：将三芯As₂Se₃光纤8插入PMMA管9中形成三芯微丝光纤预制棒20，如图3所示，即通过管棒法制作三芯As₂Se₃-PMMA预制棒；

步骤2：通过左侧光纤夹具16对三芯微丝光纤预制棒20的左侧进行夹持固定，通过右侧光纤夹具17对三芯微丝光纤预制棒20的右侧进行夹持固定，控制加热环18在三芯微丝光纤预制棒20外圈平移对PMMA管9进行软化，PMMA管9的表面张力导致PMMA管9在三芯As₂Se₃光纤8上坍塌；

步骤3：由左侧移动台13和右侧移动台14对三芯微丝光纤预制棒20进行拉伸操作，同时，控制加热环18在三芯微丝光纤预制棒20外圈平移对三芯微丝光纤预制棒20进行加热，实现对三芯微丝光纤预制棒20进行拉细，使得每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um，三芯微丝光纤预制棒20的长度范围为1～15cm，并通过光纤熔接机同时与普通单模光纤进行耦合，得到三芯微丝光纤；

步骤4：采用全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台通过光纤干涉驻波法对三芯微丝光纤进行光栅刻写，通过光脉冲激发三芯微丝光纤内部产生驻波模式和光诱导折射率的周期性调制，实现三芯硫系长光纤光栅制作。

所述步骤4中，采用全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台通过光纤干涉驻波法的对三芯微丝光纤进行光栅刻写的具体方法为脉冲激光发生器1发出光脉冲信号，光脉冲信号通过第一光分路器2分成光强相等的两路光脉冲信号，第一路光脉冲信号通过第二光分路器4输入到三芯微丝光纤5的一端，第二路光脉冲信号通过第三光分路器6输入到三芯微丝光纤5的另一端，两路光脉冲信号在三芯微丝光纤5中产生驻波和光诱导折射率的周期性调制，在三芯微丝光纤5的拉锥区域(即光纤变细的区域)形成布拉格光栅。

所述步骤4中，为观察三芯微丝光纤5中布拉格光栅的演变，在第三光分路器6的第二输入端连接光谱分析仪7，该光谱分析仪7通过三芯微丝光纤5的宽带信号传输获取光栅的光谱变化信息。

为观察三芯微丝光纤5中布拉格光栅的演变，在第三光分路器6的第二输入端连接光谱分析仪7通过光谱分析仪7分别通过三芯微丝光纤5的宽带信号(波长为1510～1590nm，由宽带光源3输出)传输以获取光栅的光谱变化。

所述步骤4中在第二光分路器4的第二输出端和第三光分路器6的第二输出端分别连接光谱分析仪7，对脉冲激光发生器1输出过来的脉冲激光进行监测。对光强和光脉冲进行监控，以获取更好的光谱质量。

本发明中，PMMA的材料比普通的二氧化硅柔性高。在保持较高机械强度的同时，增加了弯曲半径。

本说明书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 (8)

1.一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于，它包括脉冲激光发生器(1)、第一光分路器(2)、宽带光源(3)、第二光分路器(4)、三芯微丝光纤(5)、第三光分路器(6)和光谱分析仪(7)，其中，所述脉冲激光发生器(1)的脉冲激光输出端连接第一光分路器(2)的输入端，第一光分路器(2)的第一输出端连接第二光分路器(4)的第一输入端，宽带光源(3)的输出端连接第二光分路器(4)的第二输入端，第二光分路器(4)的第一输出端连接三芯微丝光纤(5)的一端，第二光分路器(4)的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器(2)的第二输出端连接第三光分路器(6)的第一输入端，光谱分析仪(7)的光通信端口连接第三光分路器(6)的第二输入端，第三光分路器(6)的第一输出端连接三芯微丝光纤(5)的另一端，第三光分路器(6)的第二输出端为光谱观察接口；

所述三芯微丝光纤(5)的每根纤芯的直径相等，且每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um；

将三芯As₂Se₃光纤(8)插入PMMA管(9)中形成三芯微丝光纤预制棒(20)；

通过左侧光纤夹具(16)和右侧光纤夹具(17)对三芯微丝光纤预制棒(20)的左右侧进行夹持固定，控制加热环(18)在三芯微丝光纤预制棒(20)外圈平移对PMMA管(9)进行软化，PMMA管(9)的表面张力导致PMMA管(9)在三芯As₂Se₃光纤(8)上坍塌；

对三芯微丝光纤预制棒(20)进行拉细，使得每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um，并同时与普通单模光纤进行耦合，得到三芯微丝光纤；

采用全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台通过光纤干涉驻波法对三芯微丝光纤进行光栅刻写，通过光脉冲激发三芯微丝光纤内部产生驻波模式和光诱导折射率的周期性调制，实现三芯硫系长光纤光栅制作；

脉冲激光发生器(1)发出光脉冲信号，光脉冲信号通过第一光分路器(2)分成光强相等的两路光脉冲信号，第一路光脉冲信号通过第二光分路器(4)输入到三芯微丝光纤(5)的一端，第二路光脉冲信号通过第三光分路器(6)输入到三芯微丝光纤(5)的另一端，两路光脉冲信号在三芯微丝光纤(5)中产生驻波和光诱导折射率的周期性调制，在三芯微丝光纤(5)的拉锥区域形成布拉格光栅。

2.根据权利要求1所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于：所述三芯微丝光纤(5)为As₂Se₃光纤。

3.根据权利要求1所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于：所述脉冲激光发生器(1)能以设定的目标中心波长值和20MHz的重复频率发出330fs的光脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于：所述脉冲激光发生器(1)发出的光脉冲信号的功率范围为30～50W。

5.根据权利要求1所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于：所述第二光分路器(4)的第二输出端和第三光分路器(6)的第二输出端均用于连接光谱分析仪的光通信端口，所述第一光分路器(2)的第一输出端与第二输出端的光强比为50比50，第二光分路器(4)的第一输出端与第二输出端的光强比为90比10，第三光分路器(6)的第一输出端与第二输出端的光强比为90比10。

6.一种利用权利要求1所述平台的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将三芯As₂Se₃光纤(8)插入PMMA管(9)中形成三芯微丝光纤预制棒(20)；

步骤2：通过左侧光纤夹具(16)对三芯微丝光纤预制棒(20)的左侧进行夹持固定，通过右侧光纤夹具(17)对三芯微丝光纤预制棒(20)的右侧进行夹持固定，控制加热环(18)在三芯微丝光纤预制棒(20)外圈平移对PMMA管(9)进行软化，PMMA管(9)的表面张力导致PMMA管(9)在三芯As₂Se₃光纤(8)上坍塌；

步骤3：由左侧移动台(13)和右侧移动台(14)对三芯微丝光纤预制棒(20)进行拉伸操作，同时，控制加热环(18)在三芯微丝光纤预制棒(20)外圈平移对三芯微丝光纤预制棒(20)进行加热，实现对三芯微丝光纤预制棒(20)进行拉细，使得每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um，三芯微丝光纤预制棒(20)的长度范围为1～15cm，并同时与普通单模光纤进行耦合，得到三芯微丝光纤；

步骤4：采用全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台通过光纤干涉驻波法对三芯微丝光纤进行光栅刻写，通过光脉冲激发三芯微丝光纤内部产生驻波模式和光诱导折射率的周期性调制，实现三芯硫系长光纤光栅制作。

7.根据权利要求6所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作方法，其特征在于：所述步骤4中，为观察三芯微丝光纤(5)中布拉格光栅的演变，在第三光分路器(6)的第二输入端连接光谱分析仪(7)，该光谱分析仪(7)通过三芯微丝光纤(5)的宽带信号传输获取光栅的光谱变化信息。

8.根据权利要求7所述的全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作方法，其特征在于：所述步骤4中在第二光分路器(4)的第二输出端和第三光分路器(6)的第二输出端分别连接光谱分析仪(7)，对脉冲激光发生器(1)输出过来的脉冲激光进行监测。

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