CN111965752A - 一种多芯光纤光栅制作方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种多芯光纤光栅制作方法及系统。该系统包括：定位装置，其用于分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；还包括计算分析模块，其用于根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转角速度；还包括光栅写入装置，其包括至少一个相位掩膜板；还包括控制模块，控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。能够解决现有技术中多芯光纤光栅制备过程中，因光纤扭转，而使不同的位置纤芯写入光栅不一致的问题。

Description

一种多芯光纤光栅制作方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种多芯光纤光栅制作方法及系统。

背景技术

光纤光栅用于传感器中，常常需要两根或两根以上光纤光栅配合使用，以此消除应力、应变、温度等变量的交叉敏感问题。对于复杂应用场景，常常需要多根光纤光栅复合使用，导致传感器结构复杂，不利于线路故障查找以及传感器商用化、微型化。

在多芯光纤中写入光栅制得的多芯光纤光栅，可以消除上述提到的所测变量交叉敏感问题，同时利于传感器微型化、商用化，便于复杂线路故障查找。

然而，现有的制备技术多为单点、非连续、去涂层、以及旋转光纤来制得多芯光纤光栅，不能量产化，不具备工业生产可操作性。另外，多芯光纤光栅制备过程中，存在因光纤扭转而使不同位置的纤芯受到的入射光照射强度不同，导致写入的光栅不一致等问题(中心波长偏移、反射率大小不一)，且该过程不可控，重复性较差，使得多芯光纤光栅质量较低，严重限制了其发展。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多芯光纤光栅制作方法及系统，能够解决现有技术中多芯光纤光栅制备过程中，因光纤扭转而使不同位置的纤芯写入的光栅不一致的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种多芯光纤光栅制作方法，包括以下步骤：

分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；

根据第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度；

控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

在上述技术方案的基础上，根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转加速度，具体包括：

根据该纤芯的第一位置信息和第二位置信息计算得到光纤的偏转角度；

根据第一位置信息、第二位置信息、拉丝速度和偏转角度获取偏转角速度。

在上述技术方案的基础上，所述的根据第一位置信息和第二位置信息计算得到光纤的偏转角度，具体包括：

根据公式

计算得到光纤的偏转角度θ；

其中，x′₁为第二位置的三维坐标系中的x向坐标，x₁为第一位置三维坐标系中的x向坐标，y′₁为第二位置的三维坐标系中的y向坐标，y₁为第一位置三维坐标系中的y向坐标。

在上述技术方案的基础上，所述的根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转角速度，具体包括：

根据公式

计算得到获取该纤芯的偏转角速度w；

其中，z′₁为第二位置三维坐标系中的Z向坐标，z₁为第一位置三维坐标系中的Z向坐标，ν为拉丝速度。

在上述技术方案的基础上，使相位掩膜板和写入光源均以所述偏转角速度转动，写入周期一致的光栅。

在上述技术方案的基础上，保持写入光源与光纤相位位置不转动，并周向间隔设置不同周期的相位掩膜板，使所有的相位掩膜板以偏转角速度转动，写入不同周期的光栅。

本发明还提供一种多芯光纤光栅制作系统，包括：

定位装置，其用于分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；

计算分析模块，其用于根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转角速度；

光栅写入装置，其包括至少一个相位掩膜板；

控制模块，控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

在上述技术方案的基础上，所述定位装置包括间隔设置的第一定位机构和第二定位机构，所述第一定位机构和第二定位机构均包括：

透射光源，其用于透射穿过多芯光纤；

显影板，其用于显示透射光源透过多芯光纤的影像；

摄像头，其用于抓取显影板上的光学图像以获取位置信息。

在上述技术方案的基础上，所述光栅写入装置还包括：

旋转台，其上至少一个相位掩膜板；

第一电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述旋转台转动；

写入光源，其用于与所述相位掩膜板配合刻写光栅；

第二电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述写入光源转动。

在上述技术方案的基础上，所述旋转台上设有高精度刻度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过定位装置在获得的光纤中的其中一根纤芯的第一位置信息和第二位置信息，在通过计算分析模块结合第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度，以使控制模块控制光栅写入装置的相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。在光纤写入光栅后，在光纤外包覆涂层并固化。该系统可在线、不剥除涂层的条件下，稳定制备多芯光纤光栅，重复性高，改善了因生产抖动等情况下写入光栅中心波长偏移、反射率不均等问题，提高了产品质量，适合工业量产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种多芯光纤光栅制作方法的流程图；

图2为本发明实施例中偏转角求解原理示意图；

图3为本发明实施例中光栅制作的示意图；

图4为本发明实施例中旋转台的安装示意图；

图5为本发明实施例中一种多芯光纤光栅制作系统的示意图；

图6为本发明实施例中不同周期光栅两芯光纤光栅阵列示意图。

图中：1、旋转台；2、相位掩膜板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

图1为本发明实施例中一种多芯光纤光栅制作方法的流程图；如图1所示，本发明提供一种多芯光纤光栅制作方法，包括以下步骤：

S1：分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息。

优选地，S1步骤具体包括以下步骤：

S11：以光纤两个相互垂直的方向为X和Y轴，以光纤的拉丝方向为Z轴建立坐标轴；

S12：在第一位置时，从X轴方向和Y轴方向同时拍摄该纤芯，获取该纤芯的第一位置中X轴方向和Y轴方向的信息(x₁，y₁)；

S13：在第二位置时，保持拍摄方向不变进行第二次拍摄，获取该纤芯的第二位置中X轴方向和Y轴方向的信息(x₁’，y₁’)。

在本实施例中，是以光纤两个相互垂直的方向为X和Y轴，以光纤的拉丝方向为Z轴建立坐标轴；当然在其他实施例中，也可以采用其他的方式建立坐标系，来确定其中一根纤芯的两个不同位置的位置信息。

S2：根据第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度。

图2为本发明实施例中偏转角求解原理示意图；如图2所示，优选地，S2步骤具体包括：

S21：根据该纤芯的第一位置信息和第二位置信息计算得到光纤的偏转角度。

优选地，S21步骤具体包括：根据公式

计算得到光纤的偏转角度θ；

其中，x′₁为第二位置的三维坐标系中的x向坐标，x₁为第一位置三维坐标系中的x向坐标，y′₁为第二位置的三维坐标系中的y向坐标，y₁为第一位置三维坐标系中的y向坐标。

在本实施例中，设逆时针偏转方向为正偏转方向，当公式

的差值＜0时，光纤偏转方向为正偏转方向；当公式

的差值＞0时，光纤偏转方向为负偏转方向。由此，通过该多芯光纤定位系统可以获得光纤生产过程中的偏转角度以及方向。优选地，当θ角大于180度时，优先选择反向偏转(2π-θ)角度。

S22：根据第一位置信息、第二位置信息、拉丝速度和偏转角度获取偏转角速度。

优选地，S22步骤具体包括：

根据公式

计算得到获取该纤芯的偏转角速度w；

其中，z′₁为第二位置三维坐标系中的Z向坐标，z₁为第一位置三维坐标系中的Z向坐标，ν为拉丝速度。其中拉丝速度ν为系统的设定值。

图3为本发明实施例中光栅制作的示意图，如图3所示，S3：控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

在其中一个实施例中，使相位掩膜板和写入光源均以所述偏转角速度转动，写入周期一致的光栅。在本实施例中，周期一致的光栅，该产品可用于光纤传感领域，如弯曲应变、温度等参数测量，以及海洋探测、激光领域。

在另一个实施例中，保持写入光源与光纤相对位置不转动，并周向间隔设置不同周期的相位掩膜板，使所有的相位掩膜板以偏转角速度转动，写入不同周期的光栅。周期不一致时，该产品可用于光纤定位系统，既可对光纤故障进行定位，也可用于无损光路中，对整段光纤、接头盒、光纤跳线接头等光设备进行定位。

综上，利用该多芯光纤光栅制作方法，可通过获取光纤中其中一根纤芯的在第一位置的位置信息，和在第二位置的位置信息，获得该纤芯的偏转角度即整个光纤的偏转角度。再结合拉丝速度和第一位置和第二位置的纵向位置信息得到光纤的偏转角速度，使相位掩膜版以相同的速度转动，在使写入光源以相同的偏转角速度转动时写入周期一致的光栅；当保持写入光源不转动时，周向间隔设置不同周期的相位掩膜板时，可写入不同周期的光栅。可在光纤写入光栅后，在光纤外包覆涂层并固化。因此，该方法可在线、不剥除涂层的条件下，稳定制备多芯光纤光栅，重复性高，改善了因生产抖动等情况下写入光栅中心波长偏移、反射率不均等问题，提高了产品质量，适合工业量产。既可稳定制备相同的光栅，也可制备工作波长不一致的光栅，过程均稳定可控，重复性高，适合非对称结构多芯光纤光栅，也同样适合对称结构的多芯光纤光栅。该方法制作的多芯光纤光栅阵列既可用于传感领域，消除被测参数之间交叉敏感问题，也可用于定位系统或光纤编码，具有较好的应用前景。

图4为本发明实施例中旋转台的安装示意图；图5为本发明实施例中一种多芯光纤光栅制作系统的示意图；如图4和图5所示：

本发明还提供一种多芯光纤光栅制作系统，包括：定位装置，其用于分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；还包括计算分析模块，其用于根据第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度；还包括光栅写入装置，其包括至少一个相位掩膜板2；还包括控制模块，控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

在本实施例中，通过定位装置在获得的光纤中的其中一根纤芯的第一位置信息和第二位置信息，在通过计算分析模块结合第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度，以使控制模块控制光栅写入装置的相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。在光纤写入光栅后，在光纤外包覆涂层并固化。该系统可在线、不剥除涂层的条件下，稳定制备多芯光纤光栅，重复性高，改善了因生产抖动等情况下写入光栅中心波长偏移、反射率不均等问题，提高了产品质量，适合工业量产。

在一些可选地实施中，所述定位装置包括间隔设置的第一定位机构和第二定位机构，所述第一定位机构和第二定位机构均包括：透射光源，其用于透射穿过多芯光纤；还包括显影板，其用于显示透射光源透过多芯光纤的影像；还包括摄像头，其用于抓取显影板上的光学图像以获取位置信息。

在本实施例中，透射光源穿过多芯光纤，由于纤芯和包层的折射率不同，透过光纤显现在显影板上的光有所不同，随后摄像头抓取显影板上的光学图像，通过抓取不同方向上光纤的光学图像，即可对多芯光纤进行定位。

在一些可选地实施中，所述光栅写入装置还包括：旋转台1，其上至少一个相位掩膜板2；还包括第一电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述旋转台1转动；还包括写入光源，其用于与所述相位掩膜板2配合刻写光栅；还包括第二电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述写入光源转动。

在本实施例中，通过第一电机驱动旋转台1以偏转角速度转动，使光栅写入装置能够稳定的写入光栅。通过第二电机驱动写入光源以相同的偏转角速度转动时写入周期一致的光栅；当保持写入光源与光纤相对位置不转动时，在旋转台1的周向间隔设置不同周期的相位掩膜板时，可写入不同周期的光栅。写入光源可设置在更大的旋转转台上，使第二电机驱动其转动，也可采用旋转支架，使第二电机驱动其转动。

本实施例中，写入光源为248nm的紫外激光。

图6为本发明实施例中不同周期光栅两芯光纤光栅阵列示意图，参见图6，当刻写的光栅周期不同时，以2纤芯的光纤为例。当2组纤芯在光纤轴向方向上刻写的光栅周期不同时，例如A、B、C三个平面上的光栅周期不同，A平面上两根纤芯刻写光栅的中心波长为λ11、λ12，B平面上两根纤芯刻写光栅的中心波长为λ21、λ22，C平面上两根纤芯刻写光栅的中心波长为λ31、λ32，该几组波长不同，当整个光纤轴向方向上刻写的光栅周期不同时，则该2芯光纤光栅阵列可用于光纤定位系统，如光纤故障定位，也可用于在无损光路中，对整段光纤、接头盒、光纤跳线接头等光设备进行定位。另外，当两组纤芯光栅阵列的中心波长排列不一致时，例如其中一根纤芯中光栅阵列的波长为λ₁₁、λ₁₂、λ₁₃……λ_1n，另外一根纤芯中光栅阵列的波长为λ₂₁、λ₂₂、λ₂₃……λ_2n，该两组波长排列不一致，则可根据相应特征，对2组纤芯进行编码。

在一些可选地实施中，旋转台1上设有高精度刻度。在本实施例中，在旋转台1上设置高精度刻度可以精确的调整各个相位掩膜板2的周向间距。

另外，所述的多芯光纤光栅制作系统还包括拉丝炉，光纤预制棒通过拉丝炉进行光纤拉丝；涂覆装置，用于在光纤外包覆涂层并固化；收线装置，使包覆涂层后的光纤光栅进入收线装置。计算机主控制装置，其包括计算分析模块和控制模块，分别用于根据第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度；以及控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅；当然其还控制收线装置的速度以控制拉丝速度。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；

根据第一位置信息、第二位置信息和拉丝速度获取该纤芯的偏转角速度；

控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

2.如权利要求1所述的一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转加速度，具体包括：

根据该纤芯的第一位置信息和第二位置信息计算得到光纤的偏转角度；

根据第一位置信息、第二位置信息、拉丝速度和偏转角度获取偏转角速度。

3.如权利要求2所述的一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，所述的根据第一位置信息和第二位置信息计算得到光纤的偏转角度，具体包括：

根据公式

计算得到光纤的偏转角度θ；

其中，x′₁为第二位置的三维坐标系中的x向坐标，x₁为第一位置三维坐标系中的x向坐标，y′₁为第二位置的三维坐标系中的y向坐标，y₁为第一位置三维坐标系中的y向坐标。

4.如权利要求3所述的一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，所述的根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转角速度，具体包括：

根据公式

计算得到获取该纤芯的偏转角速度w；

其中，z′₁为第二位置三维坐标系中的Z向坐标，z₁为第一位置三维坐标系中的Z向坐标，ν为拉丝速度。

5.如权利要求1所述的一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，使相位掩膜板和写入光源均以所述偏转角速度转动，写入周期一致的光栅。

6.如权利要求1所述的一种多芯光纤光栅制作方法，其特征在于，保持写入光源与光纤相对位置不转动，并周向间隔设置不同周期的相位掩膜板，使所有的相位掩膜板以偏转角速度转动，写入不同周期的光栅。

7.一种实现如权利要求1所述的多芯光纤光栅制作方法的制作系统，其特征在于，包括：

定位装置，其用于分别在两个位置：第一位置和第二位置，获取其中一根纤芯的位置信息：第一位置信息和第二位置信息；

计算分析模块，其用于根据第一位置信息和第二位置信息获取该纤芯的偏转角速度；

光栅写入装置，其包括至少一个相位掩膜板(2)；

控制模块，控制相位掩膜板的旋转角速度以偏转角速度刻写光栅。

8.如权利要求7所述的一种多芯光纤光栅制作系统，其特征在于，所述定位装置包括间隔设置的第一定位机构和第二定位机构，所述第一定位机构和第二定位机构均包括：

透射光源，其用于透射穿过多芯光纤；

显影板，其用于显示透射光源透过多芯光纤的影像；

摄像头，其用于抓取显影板上的光学图像以获取位置信息。

9.如权利要求7所述的一种多芯光纤光栅制作系统，其特征在于，所述光栅写入装置还包括：

旋转台(1)，其上至少一个相位掩膜板(2)；

第一电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述旋转台(1)转动；

写入光源，其用于与所述相位掩膜板(2)配合刻写光栅；

第二电机，其用于接收所述控制模块的指令驱动所述写入光源转动。

10.如权利要求9所述的一种多芯光纤光栅制作系统，其特征在于，所述旋转台(1)上设有高精度刻度。

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