CN111722315A - 丝箍式机械制长周期光纤光栅 - Google Patents

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Abstract

一种丝箍式机械制长周期光纤光栅，包括丝箍装置和一根光纤，丝箍装置包括丝箍、弹簧和上下板，弹簧为钢丝紧密缠绕制作形成供光纤插入的空腔，钢丝横截面直径与光栅周期一致，弹簧的侧边设有上下板，弹簧的两端分别连接丝箍，丝箍连接在上下板的两端，上下板中部之间设有用以调节上下板间距的调节螺钉；弹簧中间部分横截面半径光纤半径一致，弹簧两侧部分横截面半径比光纤半径大；通过调节螺钉使得上下板分离，两侧丝箍收缩，然后利用丝箍带动弹簧收缩以进一步对放入弹簧里面的光纤施加压力，从而产生长周期光纤光栅。本发明结构简单、制作使用方便、适用场景多、具有谐振波长可调谐、模式耦合强度可控、光栅可擦除。

Description

丝箍式机械制长周期光纤光栅
技术领域
本发明涉及光纤传感领域和光纤通信无源器件领域，尤其涉及一种长周期光纤光栅(LPFG)。
技术背景
LPFG由于其制作简单、易于连接、插入损耗低、无后向反射等优点，在光通信领域发挥着越来越重要的作用。长周期光纤光栅作用于同向传输的纤芯导模和包层模之间，它将纤芯导模耦合到向前传输的包层模从而形成谐振波长的损耗峰，呈现出透射型带阻滤波特性。此外，LPFG对环境参数(折射率、温度、湿度、应力、弯曲、扭曲等)的变化很敏感，因此，在传感测量方面也具有很大的竞争优势。
LPFG的滤波特性，如损耗幅度、共振波长和抑制带宽一般由制造工艺决定，并且不能改变。目前长周期光栅的制作大多采用在掺锗载氢光纤中，通过紫外激光加掩膜版对纤芯进行照射，从而引入大的折射率周期性变化来实现；这种长周期光纤光栅的性能，包括应力、温度、弯曲等，易受外界环境的影响。另一种常见的制作长周期光纤光栅的工艺，是使用CO2激光逐点写入的方法使得光纤纤芯折射率产生周期性变化；这种方法可获得较大的有效折射率变化，器件性能稳定，然而工艺复杂，成本昂贵，不适合大规模生产。另外是一些机械制长周期光纤光栅(MLPFG)，已被广泛研究和开发应用于光通信和光纤传感器，如可调谐陷波滤波器、增益平坦滤波器、光纤负载传感器和多参数传感等。与紫外诱导的长周期光纤光栅(UV-LPFG)相比，它更容易形成光栅，并且可以通过改变外部压力来调节谐振波长处的峰值损耗。制作MLPFG的方法有很多，典型的是通过周期性凹槽和平板，或者两个周期性凹槽对光纤施加压力。其他方法还有：使用尼龙线缠绕，利用弹簧、周期性排列的石墨棒或金属丝压制等。但是，几乎所有的MLPFG都不能脱离复杂、笨重、大体积的施力装置而独立使用，这大大限制了MLPFG的应用范围和场合。
所以目前提出的MLPFG的制作方式笨重复杂，不易调节，这就导致了MLPFG的应用存在着很大问题。
发明内容
为了克服现有技术的笨重复杂、不易调节的不足，为了实现一种可以满足滤波效果、可脱离复杂受力装置单独使用等需求的长周期光栅(LPFG)，本发明提供了一种结构简单、制作使用方便、适用场景多、具有谐振波长可调谐、模式耦合强度可控、光栅可擦除等优点的丝箍式机械制长周期光纤光栅(MLPFG)。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种丝箍式机械制长周期光纤光栅(MLPFG)，包括丝箍装置、一根光纤，所述丝箍装置包括丝箍、弹簧和上下板，弹簧为钢丝紧密缠绕制作形成供光纤插入的空腔，钢丝横截面直径与光栅周期一致，所述弹簧的侧边设有上下板，所述弹簧的两端分别连接丝箍，丝箍连接在所述上下板的两端，所述上下板中部之间设有用以调节上下板间距的调节螺钉；所述弹簧中间部分横截面半径光纤半径一致，所述弹簧两侧部分横截面半径比光纤半径大；
通过所述调节螺钉使得上下板分离，两侧丝箍收缩，然后利用丝箍带动弹簧收缩以进一步对放入弹簧里面的光纤施加压力，从而产生长周期光纤光栅。
进一步，所述光纤在插入弹簧凹槽前无需剥除涂覆层，甚至光纤带有保护套也可直接放入弹簧。
所述弹簧及丝箍材料可采用韧性好的钢丝，便于整体收缩。
所述光纤包括但不限于单模光纤。
再进一步，连接在所述上下板的两端的丝箍结构一正一反。
更进一步，上板带有螺纹内孔，下板为光滑内孔且半径小于螺纹内孔，调节螺丝底部为倒角设计(即底部较细且光滑)，通过调节螺丝紧固程度控制上下板分离。
抱箍装置整体较小，其弹簧结构中间部分横截面半径要稍微比两侧半径较小，与光纤半径一致，这样是为了在弹簧收缩时最终中间部分与两侧部分同步。两侧丝箍结构既带动弹簧收缩，也可以固定住上下板。由于弹簧收缩过程是两端相反方向的转动，结合丝箍的特殊结构，两侧使用一正一反两个丝箍；另外两侧丝箍保证了上下板两侧固定，中间螺丝作为施力，增大上下板距离，使上下板稳定分离而不造成某一侧翘起，从而带动丝箍和弹簧收缩。丝箍装置上板带有螺纹内孔，下板为光滑内孔且半径小于螺纹内孔，螺丝底部为倒角设计(即底部较细且光滑)，使得该装置可通过调节侧边螺丝紧固程度控制上下板分离，从而进一步使得丝箍收缩进而带动弹簧两侧收缩，最终弹簧与丝箍整体收缩，进而包覆和压制光纤，施力方向垂直光纤，操作简单，从而实现不同压力下的不同滤波波长，控制纤芯与包层模式之间的耦合强度，产生不同滤波效果。
本发明的技术构思为：通过螺丝固定使上下板分离，进而丝箍收缩带动弹簧结构收缩，进而包覆和压制光纤。从而实现一种性能稳定可靠、可脱离复杂受力装置单独使用的机械制长周期光纤光栅。
本发明的有益效果主要表现在：(1)机械制长周期光纤光栅(MLPFG)结构简单、制作方便，并且包覆光纤，受力均匀，容易稳定形成长周期光纤光栅。(2)丝箍装置不仅是光纤的施力装置，同时也是在光纤光栅形成后作为保护套，对光纤光栅有保护作用，可随时移动，适应各种场景，与其它结构相比更具有优势；(3)该结构可以稳定产生长周期光纤光栅，由于丝箍装置不易变形，以及金属特有的性质(耐腐蚀、强度高等)会使得使用时间更长；(4)该结构可用通过控制弹簧收缩大小控制施力的大小，进而调节滤波效果，操作简单，无需其他工具辅助，这是其他制作长周期光栅所没有的特性。
附图说明
图1是丝箍式机械制长周期光纤光栅的结构示意图。
图2是丝箍装置横截面工作原理图。
图3是丝箍装置弹簧收缩简易工作原理图。
具体实施方式
下面是结合附图对本发明作进一步的描述。
参照图1～图3，一种丝箍式机械制长周期光纤光栅，包括丝箍装置102和一根光纤101，所述光纤101穿插于丝箍装置102中的弹簧103里面，通过拧螺丝，使得上下板分离(参考图2黑色箭头)，两侧丝箍104收缩，丝箍104带动弹簧装置103收缩，弹簧装置103包覆并且对光纤产生与周期间距相对应的应力。利用光纤101的弹光效应，进而形成完整的机械制长周期光纤光栅(MLPFG)。通过控制弹簧装置103收缩大小，从而对光纤101施加不同大小的压力，达到不同的滤波效果。
进一步，插入丝箍装置102中弹簧里面的光纤101为在插入前无需剥除涂覆层，甚至光纤101带有保护套也可直接放入凹槽中，其制作的紧密缠绕弹簧103的金属丝横截面直径与光栅周期一致；所述弹簧103及丝箍104材料可采用韧性好的钢丝，便于整体收缩。
再进一步，抱箍装置102整体较小，其弹簧结构103中间部分横截面半径要稍微比两侧半径较小，与光纤101半径一致，这样是为了在弹簧103收缩时最终中间部分与两侧部分同步。两侧丝箍结构104既带动弹簧103收缩，也可以固定住上下板。由于弹簧103收缩过程是两端相反方向的转动，结合丝箍的特殊结构，两侧使用一正一反两个丝箍104；另外两侧丝箍104保证了上下板两侧固定，中间螺丝作为施力，增大上下板距离，使上下板稳定分离而不造成某一侧翘起，从而带动丝箍和弹簧103收缩。丝箍装置102上板带有螺纹内孔，下板为光滑内孔且半径小于螺纹内孔，螺丝底部为倒角设计(即底部较细且光滑)，使得该装置可通过调节侧边螺丝紧固程度控制上下板分离，从而进一步控制丝箍104收缩进而带动弹簧两侧收缩，最终弹簧103与丝箍104整体收缩，进而包覆和压制光纤101，施力方向垂直光纤101，操作简单，从而实现不同压力下的不同滤波波长，控制纤芯与包层模式之间的耦合强度，产生不同滤波效果。
参照图1、图2和图3，整个器件的工作过程和原理如下：将光纤101放入丝箍装置102的弹簧里面，转动丝箍装置102的螺钉，使得上下板分离，两侧丝箍104收缩，进而带动中间弹簧103收缩，由于弹簧103中间部分横截面半径小于两侧横截面半径，结合弹簧103收缩和结构设计特点，收缩过程最终同步(图3)，进而包覆和压制光纤101，利用光纤的弹光效应，稳定压制出长周期光纤光栅(LPFG)。

Claims (7)

1.一种丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，包括丝箍装置和一根光纤，所述丝箍装置包括丝箍、弹簧和上下板，弹簧为钢丝紧密缠绕制作形成供光纤插入的空腔，钢丝横截面直径与光栅周期一致，所述弹簧的侧边设有上下板，所述弹簧的两端分别连接丝箍，丝箍连接在所述上下板的两端，所述上下板中部之间设有用以调节上下板间距的调节螺钉；所述弹簧中间部分横截面半径与光纤半径一致，所述弹簧两侧部分横截面半径比光纤半径大；
通过所述调节螺钉使得上下板分离，两侧丝箍收缩，然后利用丝箍带动弹簧收缩以进一步对放入弹簧里面的光纤施加压力，从而产生长周期光纤光栅。
2.如权利要求1所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，所述光纤在插入弹簧凹槽前无需剥除涂覆层，所述光纤带有保护套也可直接放入弹簧。
3.如权利要求1或2所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，所述弹簧及丝箍材料可用韧性好的钢丝。
4.如权利要求1或2所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，所述光纤为单模光纤。
5.如权利要求1或2所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，连接在所述上下板的两端的丝箍结构一正一反。
6.如权利要求1或2所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，上板带有螺纹内孔，下板为光滑内孔且半径小于螺纹内孔。
7.如权利要求6所述的丝箍式机械制长周期光纤光栅，其特征在于，所述调节螺丝底部为倒角设计，即底部较细且光滑，通过调节螺丝紧固程度控制上下板分离。
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