CN111025458A - 一种可调控的新型光纤光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种可调控的新型光纤光栅器件，其特征是：所述光纤光栅器件是由输入光纤1、孔助光纤2和输出光纤3组成，其中输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3包括纤芯301和包层302，而孔助光纤2主要包含纤芯201、包层202、空气孔203。利用微泵周期性的向空气孔203内注入纳米流体和空气形成由纳米流体—空气两种不同折射率介质构成的光纤光栅4，从而实现对入射光的调制，同时也可通过可调谐装置实现孔助光纤内胶体的折射率变化，达到对光纤光栅的折射率调制。本发明可用于光滤波、光纤传感，具有光栅折射率可调，功能多，易于制造等优点，属于光纤通信和光纤传感技术领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种可调控的新型光纤光栅，属于光纤传感和光纤通信领域。
(二)背景技术
自1996年A.M.Vengsarkar等人用紫外曝光法在经载氢后的单模光纤上制备出首支通常意义上的LPFG以来，长周期光纤光栅得到显著的进步。目前，制备长周期光纤光栅的方法有紫外曝光制备法、CO2激光制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、腐蚀刻槽制备法、机械微弯制备法、离子束制备法，其中紫外曝光制备方法最为常用。长周期光纤光栅对应力、温度、压力等外界环境变化比较敏感，故可做成应力传感器、温度传感器、压力传感器。长周期光纤光栅的传光机理是在满足谐振条件下基模能量与包层模能量耦合，然后包层模能量传输一段距离后衰减掉，在传输谱上形成一个损耗峰，光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，被广泛应用于光纤通信和传感领域。
一种基于长周期光纤光栅的磁控可调谐滤波器在公开号CN103207465A的专利中提出，即在光纤纤芯上写入长周期光栅，并在微结构光纤的空气孔注入磁流体，通过磁场改变包层的折射率，从而改变长周期光纤光栅的谐振波长。该制作方法较以往的长周期光纤光栅在滤波谱段上有了很大的改观，但仍然只能滤除一个波段。文献“Jung H,Seo Y G,HaW,et al.Mask-free hybrid long-period fiber grating fabrication by self-assembled periodic polymerization in silica hollow optical fiber[J].OpticsLetters,2009,34(18):2745-2747.”中提出，利用毛细管力将聚合物液体填充到无芯光纤内，利用紫外灯照射或加热的方法固化聚合物，形成新型光纤光栅。这种制作方法制备的光栅，一旦空气孔内的聚合物紫外固化后光栅周期无法改变。同样在文献，“Kerbage C,Eggleton B J.Tunable microfluidic optical fiber gratings[J].Applied PhysicsLetters,2003,82(9):1338.”中提出向含有六个空气孔的光纤填充三氟甲苯液体，通过电机转动频率来控制注入到光纤空气孔里磁流体和空气的占比，从而达到调制光纤光栅的周期的作用。该方法可制备多种不同周期的微流光纤光栅，同样无法再次改变光栅周期。其次其他科研人员也做了大量关于基于磁流体填充的光栅，如基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪(专利号：CN102411131A)，该方法是在含有空气孔的光子晶体光纤的光栅内注入磁性敏感材料形成探头，通过将该探头放置于磁场，磁场的变化会引起光谱的变化，达到测量磁场的效果。
(三)发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术进一步改进并提供一种可调控的新型光纤光栅。
本发明提供的是一种可调控的新型光纤光栅器件，其特征是：所述光纤光栅器件是由输入光纤1、孔助光纤2和输出光纤3组成，其中输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3包括纤芯301和包层302，而孔助光纤2主要包含纤芯201、包层202、空气孔203。空气孔203利用微泵周期性的向光纤孔内注入纳米流体和空气形成由纳米流体—空气两种不同折射率介质构成的光纤光栅4，从而实现孔助光纤对入射光的调制，同时可通过外加调谐装置实现孔助光纤内纳米流体折射率的变化，达到对光纤光栅折射率的调制。
优选地，输入光纤1和输出光纤3采用普通单模光纤。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于光栅制作于光纤包层中的空气孔内，光纤光栅的周期由纳米流体与空气的占比控制。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于孔助光纤内的微孔可以是一个、两个、四个或多个。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于包层内孔的折射率是可调控的，可通过调节螺线管的单位长度的匝数N和通电电流I以及光纤移动速度V调控。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于所述的光栅可对不同波段的光进行滤除。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于所述的光栅具有较大的带阻滤波范围。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于所述同一周期下的光栅可进行自补偿。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于所述可通过外加调谐装置来控制孔内纳米流体的变化，达到光栅折射率。
进一步地，一种可调控的新型光栅，其特征在于孔助光纤内的微孔可以是圆形，椭圆形且不限于以上形状。
优选地，本发明所采用的孔助光纤包含三个空气孔，用于制备光纤光栅。
优选地，磁流体可采用水基磁流体和油基磁流体。
优选地，磁流体采用铁磁流体，其在外加磁场作用下变得具有很强磁性的液体，它是既具有磁性又具有流动性的新型功能材料。铁磁流体是由纳米级的铁磁或亚铁磁构成的胶体溶液，颗粒悬浮于载体溶液中，载体溶液通常为有机溶剂或水。纳米颗粒完全被表面活性剂包裹以防止聚合成团，铁磁流体通常在无外加磁场时不保持磁性。
由于磁流体折射率nMF在环境温度为T时,受外磁场强度H作用下的函数表达式为：
式中，Hcn为阈值；no为在无磁场情况下磁流体的折射率；ns为外磁场增大到一定程度后，磁流体体系折射率趋于“饱和”的值。
优选地，调谐装置可采用磁铁来调节孔助光纤内的磁流体折射率。
优选地，磁场调谐装置也可采用亥姆霍兹螺线管。
进一步的，磁场的强度可由下列公式表述
B＝μ0NI (2)
其中，B是磁场，μ0是真空磁导率，N是单位长度的线圈数，I是电流。
优选地，孔助光纤的空气孔内可灌注磁流体、酒精、甘油、液晶和水凝胶。
进一步地，酒精的凝固点是：-117℃,沸点是：78℃，具有良好的热胀冷缩性质。
液晶在熔融状态或被溶剂溶解之后，失去固态物质的刚性，获得了液体的易流动性，并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态。
进一步地，当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。
进一步，水凝胶(Hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。凝胶的聚集态既非完全的固体也非完全的液体。固体的行为是一定条件下可维持一定的形状与体积，液体行为是溶质可以从水凝胶中扩散或渗透。
进一步地，水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境(如温度、pH、光、电、压力等)微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。
进一步地，该光栅可用于测量温度，由于温度升高时，孔内的汞柱会产生形变，从而达到光纤周期的变化。
进一步地，该光栅可用于测量电场，当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。
进一步地，该光栅可用于测量光强，水凝胶的合成主要是在温度响应中引入对光敏感的基团。党有光照射时，这类水凝胶将光能转化成热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏材料的相变温度时，发生体积相转变现象。
进一步地，该光栅可用于测量压力强度，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀，导致该光栅周期变化。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明所述的一种可调控的新型光纤光栅其包层内的磁流体的折射率可通过外加磁场调节。
本发明所述的一种可调控的新型光纤光栅，可二次加工，对不同波长的光进行滤除。
本发明所述的一种可调控的新型光纤光栅，空气孔的形状及数量对光栅的谐振峰的移动有一定的影响。
本发明所述的一种可调控的新型光纤光栅，具有较宽的滤波阻带.
(四)附图说明
图1是可调控的新型光纤光栅的结构示意图。
图2是制备可调控的新型光纤光栅的装置图。
图3是通电螺线管对新型光纤光栅周期调控的结构示意图；
图4是其他类型微孔光纤：(a)含有两个大小不一的圆形微孔；(b)含有三个大小一致的微孔；(c)含有两个大小一致的椭圆形微孔；(d)含有六个大小一致的环形微孔。
图5是孔助光纤端径向上的折射率分布图。
(五)具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1、图2和图3说明，本发明实施方式由输入光纤1、孔助光纤2和输出光纤3组成，其中输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3包括纤芯301和包层302，而孔助光纤2主要包含纤芯201、包层202、空气孔203。空气孔203利用微泵周期性的向内注入磁流体和空气形成由磁流体—空气两种不同折射率介质构成的光纤光栅4。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤1、光栅制备：利用充气泵16(外接聚四氟乙烯管13)和微注射器9(外接聚四氟乙烯管14)通过连接孔助光纤的毛细管10分别给孔助光纤内注入空气和磁流体；
步骤2、光纤器件制备：在以磁流体和空气柱为介质的新型光纤光栅两端分别焊接输入光纤1和输出光纤3(双箭头处为焊接点)，这样就制备好完整的磁场调控的新型光纤光栅；
步骤3、光纤光栅内磁流体折射率调制：(1)可利用磁场强度不同的磁铁20对光纤光栅进行折射率调制或(2)通电螺线管改变其电流大小，方向或插入铁芯来改变磁场强度达到对光纤光栅折射率调制的效果；
步骤4、光纤光栅测量：将连接孔助光纤一端的毛细管去除，利用光纤焊接机在新型光纤光栅的两端分别焊接宽谱光源(BBS)和光谱仪(OSA),利用通电螺线管16改变其电流，来改变磁流体的折射率，利用光谱仪来观察光栅的透射谱。
Claims (7)
1.一种可调控的新型光纤光栅,包括输入光纤1、孔助光纤2和输出光纤3组成，其中输入光纤1主要包含纤芯101和包层102，输出光纤3包括纤芯301和包层302，而孔助光纤2主要包含纤芯201、包层202、空气孔203。空气孔203利用微泵周期性的向光纤孔内注入纳米流体和空气形成由纳米流体—空气两种不同折射率介质构成的光纤光栅4，从而实现孔助光纤对入射光的调制，同时可通过外加调谐装置实现孔助光纤内纳米流体折射率的变化，达到对光纤光栅折射率的调制。
2.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于光栅制作于光纤包层中的空气孔内，光纤光栅的周期由纳米流体与空气的占比控制。
3.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于可通过调谐装置来控制纳米流体折射率的变化，达到调制深度。
4.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于光纤孔内的填充物可以是磁流体、酒精、甘油、液晶和水凝胶。
5.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于该光栅可用于测量磁场、温度、电场、压力和光强。
6.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于孔助光纤内的微孔可以是圆形，椭圆形且不限于以上形状。
7.根据权利要求1所述的一种可调控的新型光栅，其特征在于孔助光纤内的微孔可以是一个、两个、四个或多个。
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