CN111208602B - 一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法，该装置主要包括光纤拉丝塔系统和在线刻写光栅系统。通过将相位掩模板安装在一个平台上，实现刻写光栅中心波长的准确、快速调控，旋转平台由中央控制系统控制，根据刻写光栅中心波长的变化实时改变相位掩模板的旋转角度。在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，基于相位掩模法在线刻写光栅，通过旋转相位掩模板的角度和对应的激光器脉冲能量的增强补偿，实现具有相同或可控反射率且中心波长可连续变化的光栅阵列的制备。本发明方案能够制备出具有连续波长变化的弱光栅阵列，可以有效消除全同光栅之间的阴影效应和串扰影响，进一步满足大容量密集光纤传感网络的使用要求。

Description

一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法

技术领域

本发明属于光纤光栅制备技术领域，尤其涉及一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法。

背景技术

随着物联网的不断发展，对以光纤传感器为主的传感网络提出了更高的要求。目前光纤传感网络正朝着精度化、密集化和规模化的方向持续发展，进一步发展新型的大容量密集光纤传感网络已经成为了新一轮信息化浪潮的重大课题。

对新一代光纤传感网络的性能要求主要有以下两个方面：一是传感的容量要大，包括测量的点数多和测量的范围广，如大型的石油管道火警需要数个公里长度和上万个传感点同时测量以第一时间对火源的产生进行预警；二是传感的精度要高，可以对局部小范围的物理量变化进行精确测量，如对桥梁、隧道等大型工程中裂纹或缺陷处应力的检测就需要传感网络具有足够高的精度。目前有光纤传感网络可以实现在较长范围内数千个传感点的测量，但无法对局部较小区域进行区分和精度测量；同样有的光纤传感网络可以具有非常高的分辨能力和测量精度，但其传感范围和测量点数十分有限。因此，研究开发一种同时满足大容量且高精度的密集光纤传感网络具有十分重要的应用价值。

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)阵列是目前十分热门的一种光纤传感网络。通过在一根光纤上连续不断的写入一系列光栅，将每一个光栅作为一个光纤传感单元，再利用波分复用解调(WDM)技术和时分复用解调(TDM)技术对每一个光栅反射回来的信号进行区分识别，并通过对光栅中心波长的准确测量实现对整个光纤光栅传感网络的实时监测。基于WDM/TDM技术的光纤光栅传感网络可以实现大范围测量同时对相邻的FBG进行有效区分以实现高精度的测量要求。这种技术需要系统可以精确采集到每一个光栅的反射信号，要求光纤光栅阵列具有较低的传输损耗和信号串扰。专利CN104635295发明了一种在线光纤光栅制备系统，实现在线连续制备具有较好一致性的光栅阵列。该发明提出的光栅阵列具有较低传输损耗，可以实现较大容量的光纤传感网络的检测要求。但该型光栅阵列为全同型光栅，随着光栅数量和排列密度的进一步提高，难以解决全同光栅之间相互的信号串扰，限制了其容量和精度的进一步提高。

专利CN105259610A发明了一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法。该装置可以在刻写光栅过程中切换不同周期的相位掩模板，在一根光纤上刻写出具有不同波长类型的光纤光栅。该发明有效降低了全同光栅阵列中存在的光栅信号串扰影响，提高了光纤传感网络的容量。但该方法需要不断的切换相位掩模板，其刻写光栅的波长种类和相邻光栅的间隔受到了一定的限制，难以进一步满足大容量密集光纤传感网络的使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中制备多波长光栅阵列存在的波长种类少、难以完全消除光栅串扰的缺陷，提出一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法，实现光栅阵列在大容量密集光纤传感网络中的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，包括中央控制系统、预制棒送料装置、高温加热炉、光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台、双重涂覆固化装置和光纤牵引成盘装置；光纤直径检测装置上方依次设置预制棒送料装置、高温加热炉，制备的光纤经过光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台，到达光纤牵引成盘装置。该光栅平台依次包括激光器刻写装置、扩束柱面透镜、整形柱面透镜、聚焦柱面透镜和相位掩模板，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板后的裸纤上，进行光栅的刻写。

按上述技术方案，所述的相位掩模板安装在可旋转的基座上，包括固定装置、转轴、可控伸缩滑杆和水平底座，固定装置将相位掩模板固定在中心区域，经由转轴、可控伸缩滑杆与水平底座相连，且可以由可控伸缩滑杆伸缩实现以转轴为中心转动，改变相位掩模板的倾斜角度。

按上述技术方案，所述中央控制系统的送料控制信号输出端连接预制棒送料装置的控制信号输入端，中央控制系统的温度控制信号输出端连接高温加热炉的控制信号输入端，光纤直径检测装置的信号输出端连接中央控制系统的光纤直径检测结果输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅波长控制信号的输出端连接可控伸缩滑杆的信号输入端，中心控制系统的光纤光栅牵引成盘控制信号的输出端连接光纤牵引成盘装置的输入端。

按上述技术方案，所述可控伸缩滑杆由电信号控制，其在通电工作时，其伸缩长度由上一次的输入的电信号进行控制，其自身作为固定装置和水平底座的连结部件，除长度变化外不发生其它方向的移动和变化。

转轴作为固定装置和水平底座的连结部件，可以使固定装置以自身为中心发生一定程度的旋转，其相对于水平底座不会发生任何方向的移动。

本发明还提供一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，中央控制系统控制预制棒送料装置和高温加热炉将原料预制棒拉制成裸纤，经由光纤直径检测装置的实时反馈控制裸纤直径，此时裸纤的拉丝速度也处于一个相对稳定的数值。

步骤二，中央控制系统对激光器刻写装置的激光脉冲周期和强度进行预设，使在线刻写光栅平台刻写光栅；同时中央控制系统控制可控伸缩滑杆进行伸缩，其初始长度为最短状态并且恰好使相位掩模板的中垂线完全平行与裸纤方向，此即为倾斜角度为0°时的状态，中央控制系统根据预设的程序，同时调节激光器刻写装置和可控伸缩滑杆的参数，完成具有连续波长变化的光栅阵列的刻写。

步骤三，双重涂覆固化装置对步骤二刻写后的裸纤进行涂覆、固化处理形成光栅光纤，经由光纤牵引成盘装置完成装盘收纳。

按上述技术方案，所述可控伸缩滑杆的长度调节范围在5cm—6cm范围内，其长度调节精度为0.1mm，其对应的相位掩模板可以旋转的角度范围为0°—7°，对应刻写光栅的倾斜角度在0°—7°范围内变化，能使光栅的反射谱中心波长有6nm的连续变化且可控。

按上述技术方案，进行中心波长连续变化的弱布拉格光栅刻写操作时，中央控制系统通过对激光器刻写装置的控制，通过控制激光器的脉冲强度，调整光栅反射率，以补偿相位掩模版的倾斜角度对刻写光栅强度的影响，使刻写的弱布拉格光栅阵列的反射光功率和谱形质量均达到光纤光栅刻写目标的要求。

本发明的原理为：在光纤光栅制作过程中，通过对相位掩模板旋转一定的角度，可以使刻写的光栅相对于光纤轴向方向有一定的倾斜角度，形成小角度的倾斜光栅。这种小角度的倾斜光栅的中心波长和反射强度均与倾斜角度有对应关系，通过控制倾斜角度的大小和激光器脉冲强度等关键参数，可以实现在线制备具有连续波长变化的光栅阵列，其光栅中心波长变化的均匀性和强度的一致性均可以满足制备要求。该发明可以有效消除阴影效应和串扰影响，提高传感系统的复用容量。

本发明产生的有益效果是：其一，本发明基于反射型弱布拉格光纤光栅，可以实现长距离的准分布式传感要求，通过波长的连续变化，可进一步提高使用的传感距离和复用容量；

其二，本发明通过改变相位掩模板的旋转角度实现刻写光栅中心波长的改变，其相对于切换掩模板或其它方法相比，在改变速度和改变幅度上均有较大优势，可以实现密集的、高精度的波长连续变化的光栅阵列的在线制备；

其三，本发明中相位掩模板的旋转角度与刻写光栅的中心波长具有一一对应的关系，可以对每一个制备的光栅的中心波长进行严格控制，有效提高了传感系统的寻峰效率，降低了全同光栅之间存在的阴影效应；

其四，本发明通过旋转角度和激光器脉冲能量的设置，共同对刻写光栅的反射率强度进行控制，实现在阵列传感使用过程中光栅发射功率的优化，以补偿下游光栅因阴影效应带来的衰减，提高整体光栅阵列的谱形质量和传感系统的复用容量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的装置示意图；

图2为本发明实施例中在线刻写光栅阵列的装置示意图；

图3为本发明实施例中实现相位掩模板小角度旋转的装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中刻写出的具有连续波长变化特性的光栅谱形效果图，其中横坐标为波长值，纵坐标为光栅的光反射率；

图5为本发明实施例中具有连续波长变化特性的光栅阵列下游第5000个光栅反射光谱形相对于全同光栅阵列的对比效果图，其中横坐标为波长值，纵坐标为光栅的光反射率；

其中：1—中央控制系统、2—预制棒送料装置、3—高温加热炉、4—光纤直径监测装置(丝径仪)、5—在线刻写光栅平台、6—双重涂敷和固化装置、7—光栅光纤、8—光纤牵引成盘装置、9—激光器刻写装置、10—扩束柱面透镜、11—整形柱面透镜、12—聚焦柱面透镜、13—相位掩模板、14—固定装置、15—转轴、16—可控伸缩滑杆、17—水平底座。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1、图2和图3所示的在线制备具有连续波长变化的光栅阵列装置，它包括中央控制系统1、预制棒送料装置2、高温加热炉5、光纤直径检测装置4、在线刻写光栅平台3、双重涂覆固化装置6和光纤牵引成盘装置8，所述预制棒送料装置2将原料预制棒以一定速度送至高温加热炉3中，拉制的裸纤输出端对应光纤直径检测装置4的裸纤输入端，在线刻写光栅平台5位于光纤直径检测装置4的输出端和双重涂覆固化装置6的输入端之间，双重涂覆固化装置6的输出端连接光纤牵引成盘装置8，将光栅光纤7成盘收纳。所述在线刻写光栅平台5包括激光器刻写装置9、扩束柱面透镜10、整形柱面透镜11、聚焦柱面透12镜和相位掩模板13，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板13后的裸纤上，完成光栅的刻写。所述的相位掩模板13安装在可旋转的基座上，包括固定装置14、转轴15、可控伸缩滑杆16和水平底座17，固定装置14将相位掩模板13固定在中心区域，经由转轴15、可控伸缩滑杆16与水平底座17相连，且可以由可控伸缩滑杆16伸缩实现以转轴15中心转动，改变将相位掩模板13的倾斜角度。

中央控制系统1的送料控制信号输出端连接预制棒送料装置2的控制信号输入端，央控制系统1的温度控制信号输出端连接高温加热炉3的控制信号输入端，光纤直径检测装置4的信号输出端连接中央控制系统1的光纤直径检测结果输入端，中心控制系统1的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置9的控制信号输入端，中心控制系统1的光纤光栅波长控制信号的输出端连接可控伸缩滑杆16的信号输入端，中心控制系统1的光纤光栅牵引成盘控制信号的输出端连接光纤牵引成盘装置8的输入端。

可控伸缩滑杆16是一种完全由电信号控制的滑杆，其在通电工作时，其伸缩长度由上一次的输入的电信号进行控制，其自身作为固定装置14和水平底座17的连结部件，除长度变化外不会发生其它方向的移动和变化。经由转轴15作为为固定装置14和水平底座17的连结部件，可以使固定装置14以自身为中心发生一定程度的旋转，其相对于水平底座17不会发生任何方向的移动。

实施例二：：

在线制备具有连续波长变化的光栅阵列装置，包括光纤拉丝塔系统和在线刻写光栅系统。所述光纤拉丝塔系统，包括预制棒送料装置、高温加热炉、双重涂敷和固化装置、两级光纤丝径测量仪、光纤牵引成盘装置和控制各部分单元的中央控制系统。通过中央控制系统对各个部件的协调控制，实现由光纤预制棒拉制成裸纤再到成品光纤的过程，最终光纤经由收线装置进行成盘。在这一过程中拉丝速度、光纤拉制的长度和直径均可由控制系统反馈并控制，以实现光纤的均匀拉制。线刻写光栅系统包括一台193nm准分子激光器、一组光学透镜、一个相位掩模板和一个具有旋转功能的基座。激光器受到中央控制系统控制，以一定间隔频率的方式发射出光斑为矩形的光束，该光束经一组光学透镜整形扩束后透过相位掩模板聚焦在裸纤的纤芯处，实现单脉冲在线刻写光栅阵列。具有旋转功能的基座包括一个衬底、一个固定相位掩模板的夹具、一个转轴和一个可以自由控制伸缩的滑杆。所述的夹具通过转轴固定在衬底上，且可以依靠转轴进行旋转。所述的滑杆可由控制系统控制发生一定程度的伸缩，推动或拉回夹具从而改变夹具与水平方向的角度。该系统特征在于，通过人为设置参数控制滑杆的长度，使相位掩模板相对于光纤发生一定角度的倾斜，该倾斜角度与滑杆长度一一对应。

实施例三：

本实施例中提供一种在线制备具有连续波长变化的光栅阵列的方法，它包括如下步骤：

步骤一，中央控制系统1控制预制棒送料装置2和高温加热炉3将原料预制棒拉制成裸纤，经由光纤直径检测装置4的实时反馈使裸纤直径达到一个稳定状态，此时裸纤的拉丝速度也处于一个相对稳定的数值。

步骤二，中央控制系统1对激光器刻写装置9的激光脉冲周期和强度进行预设，使在线刻写光栅平台开始工作准备刻写光栅；同时中央控制系统1控制可控伸缩滑杆16进行伸缩，其初始长度为最短状态并且恰好使相位掩模板的中垂线完全平行与裸纤方向，此即为倾斜角度为0°时的状态，中央控制系统根据预设的程序，同时调节激光器刻写装置9和可控伸缩滑杆16的参数，完成具有连续波长变化的光栅阵列的刻写。

进行中心波长连续变化的弱布拉格光栅刻写操作时，中央控制系统1通过对激光器刻写装置9的控制，通过控制激光器的脉冲强度，调整光栅反射率实现阵列中所有光栅反射功率的优化，以补偿相位掩模版13的倾斜角度对刻写光栅强度的影响，使刻写的弱布拉格光栅阵列的反射光功率和谱形质量均达到光纤光栅刻写目标的要求。相邻光栅的中心波长的变化范围在0.1nm以内，整体光栅阵列的中心波长变化在6nm以内呈周期性连续变化。所述具有连续中心波长变化的弱光栅阵列均由等反射光功率的弱布拉格光栅构建。中央控制系统1通过对激光器刻写装置9和可控伸缩滑杆16的同步控制，在相位掩模板旋转角度增大时增大激光脉冲强度，可以实现不同倾斜角度的布拉格光栅反射光功率相等，实现等反射光功率光栅阵列的制备，解决下游光栅因阴影效应带来的光信号的衰减问题。

步骤三，双重涂覆固化装置6对步骤2刻写后的裸纤进行涂覆、固化处理形成光栅光纤7，经由光纤牵引成盘装置8完成装盘收纳。可控伸缩滑杆16的长度调节范围在5cm—6cm范围内，其长度调节精度为0.1mm，其对应的相位掩模板可以旋转的角度范围为0°—7°，对应刻写光栅的倾斜角度在0°—7°范围内变化，能使光栅的反射谱中心波长有6nm的连续变化。

本发明方案提出通过可以改变相位掩模板的倾斜角度，实现刻写光栅中心波长的连续性变化，同时控制激光器刻写装置的脉冲强度，对不同波长的光栅反射率进行控制，实现等反射率光栅阵列的制备。本实施例对上述方法进行了仿真，对倾斜角度分别为0°、2°、3°和4°的布拉格光栅谱形进行计算，同时对应的脉冲强度分别设为7.0mJ、7.5mJ、8.0mJ和8.5mJ，仿真结果如图4所示。结果表明，随着倾斜角度的不断增大，刻写光栅的中心波长由1550nm向1554nm处发生连续性变化，同时由于光栅刻写脉冲强度的提高，该过程中各个光栅的反射光功率强度一致。因此，可知利用该方法制备光栅阵列过程中，可以实现等反射率的光栅中心波长的连续性变化。

本发明方案中通过使光栅阵列中相邻光栅发生连续性的中心波长变化，降低光栅中心波长的一致性，极大程度减少了全同光栅之间因阴影效应对下游光栅反射光功率的衰减，改善下游光栅谱形的凹陷性进而提高光栅阵列的复用容量本实施例对上述方法的实际效果进行了仿真计算，设定光栅阵列中的光栅个数为5000个，光栅反射率为0.01％(即-40dB)，光栅的中心波长在2nm带宽内呈连续性周期变化，其末端光栅光反射谱形与全同光栅阵列对应光栅的谱形对比结果如图5所示。具有波长连续变化特性的光栅阵列末端光栅的谱形在强度和凹陷程度上明显优于全同光栅阵列，末端光栅的反射光强得以明显提高。因此，在线制备光栅阵列时，通过调控相位掩模板的旋转角度改变刻写光栅的中心波长，通过使光栅中心波长连续变化进行刻意降低中心波长的一致性，可以有效提高复用容量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，包括中央控制系统、预制棒送料装置、高温加热炉、光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台、双重涂覆固化装置和光纤牵引成盘装置；该光栅平台依次包括激光器刻写装置、扩束柱面透镜、整形柱面透镜、聚焦柱面透镜和相位掩模板，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板后的裸纤上，进行光栅的刻写，所述的相位掩模板安装在可旋转的基座上，包括固定装置、转轴、可控伸缩滑杆和水平底座，固定装置将相位掩模板固定在中心区域，经由转轴、可控伸缩滑杆与水平底座相连，且可以由可控伸缩滑杆伸缩实现以转轴为中心转动，改变相位掩模板的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，所述中央控制系统的送料控制信号输出端连接预制棒送料装置的控制信号输入端，中央控制系统的温度控制信号输出端连接高温加热炉的控制信号输入端，光纤直径检测装置的信号输出端连接中央控制系统的光纤直径检测结果输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅波长控制信号的输出端连接可控伸缩滑杆的信号输入端，中心控制系统的光纤光栅牵引成盘控制信号的输出端连接光纤牵引成盘装置的输入端。

3.根据权利要求1所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，所述可控伸缩滑杆由电信号控制，其在通电工作时，其伸缩长度由上一次的输入的电信号进行控制，其自身作为固定装置和水平底座的连结部件，除长度变化外不发生其它方向的移动和变化。

4.一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，中央控制系统控制预制棒送料装置和高温加热炉将原料预制棒拉制成裸纤，经由光纤直径检测装置的实时反馈控制裸纤直径；

步骤二，中央控制系统对激光器刻写装置的激光脉冲周期和强度进行预设，使在线刻写光栅平台刻写光栅；同时中央控制系统控制可控伸缩滑杆进行伸缩，其初始长度为最短状态并且恰好使相位掩模板的中垂线完全平行与裸纤方向，此即为倾斜角度为0°时的状态，中央控制系统根据预设的程序，同时调节激光器刻写装置和可控伸缩滑杆的参数，完成具有连续波长变化的光栅阵列的刻写；

步骤三，双重涂覆固化装置对步骤二刻写后的裸纤进行涂覆、固化处理形成光栅光纤，经由光纤牵引成盘装置完成装盘收纳。

5.根据权利要求4所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，其特征在于，所述可控伸缩滑杆的长度调节范围在5cm—6cm范围内，其长度调节精度为0.1mm，其对应的相位掩模板可以旋转的角度范围为0°—7°，对应刻写光栅的倾斜角度在0°—7°范围内变化，能使光栅的反射谱中心波长有6nm的连续变化且可控。

6.根据权利要求4或5所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，其特征在于，进行中心波长连续变化的弱布拉格光栅刻写操作时，中央控制系统通过对激光器刻写装置的控制，通过控制激光器的脉冲强度，调整光栅反射率，以补偿相位掩模版的倾斜角度对刻写光栅强度的影响。

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