CN113105107A - 光纤光栅退火装置及退火方法 - Google Patents

光纤光栅退火装置及退火方法 Download PDF

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李萌
马修泉
洪春权
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Abstract

本发明涉及一种光纤光栅退火装置及退火方法，该装置包括：基座；移动平台，移动平台设置在基座上，光纤夹持件，移动平台沿光纤光栅长度方向的两端分别设置有一个光纤夹持件，电极放电组件，电极放电组件设置在基座上。本申请提供的上述方案，通过驱动移动平台在基座上移动，从而就可以带动移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电组件上产生的温度场范围内移动，同时，可根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，避免人为操作不当导致的光纤受损，从而完成了局部退火避免因整体退火而导致的光纤受损或易损，有效提升了光纤光栅的退火效率和品质。

Description

光纤光栅退火装置及退火方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅技术领域，特别是涉及一种光纤光栅退火装置及退火方法。
背景技术
光纤光栅(FBG)是一种在光纤激光、光通信、光传感等领域具有重要应用的光无源器件，目前较为常见的相位掩模法在制作FBG前，往往需要提升其光纤光敏性。常温高压载氢增敏技术因价格低廉和操作简单而被大量应用，其基本原理为高压氢气均匀扩散到光纤的包层和纤芯中，与锗在紫外光的照射下，入射光的相干图样写入纤芯并产生纤芯轴向的折射率周期变化，纤芯中的氢分子发生反应形成Ge-OH和Ge-H键等化学键和缺陷中心，从而形成光纤光栅。
通过载氢刻写的光纤光栅，光刻后的光纤存在残余氢分子形成的Ge-OH键等，导致光栅光学特性的不稳定，在实际应用层面上这种不稳定性将导致光栅无法进行长期稳定使用。
为了提高光纤光栅的稳定性，高温退火的方法被普遍适用，高温退火后可清除光纤中未反应的氢分子，破坏不稳定的Ge-OH和Ge-H键，达到使光纤光栅稳定的效果。
目前常见的高温退火方法采用了高温炉恒温加热，此方法具有明显的劣势，主要原因为光纤光栅整体放入高温炉中进行退火且存在较长的退火周期，长周期的高温退火易破坏光纤表面涂覆层造成光纤光栅损伤，影响光纤线光栅的后续使用和贮存。
发明内容
基于此，有必要针对现有的光纤光栅采用高温炉恒温加热来退火时，容易破坏光纤表面涂覆层造成光纤光栅损伤的问题，提供一种光纤光栅退火装置及退火方法。
本发明提供了一种光纤光栅退火装置，包括：
基座；
移动平台，所述移动平台设置在所述基座上，且所述移动平台能够沿光纤光栅的长度方向在所述基座上移动；
光纤夹持件，用于夹持光纤光栅，所述移动平台沿光纤光栅长度方向的两端分别设置有一个所述光纤夹持件；
电极放电组件，所述电极放电组件设置在所述基座上。
在其中一个实施例中，所述光纤夹持件可拆卸的安装在所述移动平台上。
在其中一个实施例中，所述移动平台上设置有多个插孔，所述光纤夹持件朝向移动平台的一端上设置有连接杆，所述连接杆与所述插孔相配合。
在其中一个实施例中，所述电极放电组件包括蓄电池、支撑架以及至少一个电极；
所述蓄电池和所述支撑架均设置在所述基座上，所述电极与所述蓄电池电连接，所述电极设置在所述支撑架上，且所述电极的轴向与所述光纤光栅的轴向垂直。
在其中一个实施例中，包括两个或三个电极，所述电极均设置在所述支撑架上，所述电极沿所述光纤光栅的周向等间隔分布。
在其中一个实施例中，所述移动平台朝向所述基座的一侧上沿光纤光栅的长度方向设置有导轨，所述基座朝向所述移动平台的一侧上设置有滑槽，所述导轨与所述滑槽相配合。
在其中一个实施例中，还包括电机丝杆机构，所述电机丝杆机构设置在所述基座上，且所述电机丝杆机构与所述移动平台连接，用于带动所述移动平台沿所述滑槽移动。
本发明还提供了一种光纤光栅退火方法，用于如本申请实施例描述中任意一项所述的光纤光栅退火装置，该方法包括：
将光纤光栅固定在两个光纤夹持件之间，同时使得光纤光栅上的栅区位于两个光纤夹持件之间的区域；
控制电极放电组件上的电极放电，同时驱动移动平台在基座上移动，以使得移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电产生的稳定温度场内进行局部退火。
在其中一个实施例中，所述控制电极放电组件上的电极放电包括：根据栅区所需温度控制电极的放电量和放电时间。
在其中一个实施例中，所述栅区所需温度为T(t)，
Figure BDA0002997756650000031
其中，a，b为常数；η为分配到光纤光栅的能量分配系数；P为电极放电功率；r为放电通道半径；t为放电时间；k为热导率；T0为初始温度，即常温25℃。
本发明的有益效果：
本发明提供的退火装置，通过驱动移动平台在基座上移动，从而就可以带动移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电组件上产生的温度场范围内移动，同时，可根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，避免人为操作不当导致的光纤受损，从而完成了局部退火避免因整体退火而导致的光纤受损或易损，有效提升了光纤光栅的退火效率和品质。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的光纤光栅退火装置的结构示意图；
图2为图1的电极分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1所示，本发明一实施例中，提供了一种光纤光栅退火装置，包括；基座、移动平台10、光纤夹持件20以及电极放电组件30，其中，移动平台10设置在基座上，且移动平台10能够沿光纤光栅的长度方向在基座上移动；光纤夹持件20，用于夹持光纤光栅，移动平台10沿光纤光栅长度方向的两端分别设置有一个光纤夹持件20，电极放电组件30设置在基座上。
在使用时，首先将光纤光栅01固定在两个光纤夹持件20上，此时，光纤光栅01上的栅区必须位于两个光纤夹持件20之间，然后驱动移动平台10沿光纤光栅的长度方向在基座上移动，从而就可以带动移动平台10上的光纤夹持件20上固定的光纤光栅01在电极放电组件30上产生的温度场范围内移动，同时，可根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，避免人为操作不当导致的光纤受损，从而完成了局部退火避免因整体退火而导致的光纤受损或易损，有效提升了光纤光栅的退火效率和品质。
在一些实施例中，为了方便调节光纤夹持件20在移动平台10上的安装位置，本申请中的光纤夹持件20可拆卸的安装在移动平台10上。
具体地，上述移动平台10上设置有多个插孔，光纤夹持件20朝向移动平台10的一端上设置有连接杆，连接杆与插孔相配合。通过将光纤夹持件20上的连接杆插入到不同位置的插孔中，从而就可以方便调节两个光纤夹持件20之间的距离，以适应不同长度的栅区。
需要说明的是，本申请实施例中的光纤夹持件与移动平台的连接结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，移动平台上设置有多个螺纹孔，光纤夹持件通过螺栓固定在对应的螺纹孔中。本申请对光纤夹持件与移动平台的具体连接结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。
在一些实施例中，本申请中的电极放电组件30包括蓄电池、支撑架以及至少一个电极，其中，蓄电池和支撑架均设置在基座上，电极与蓄电池电连接，电极设置在支撑架上，且电极的轴向与光纤光栅的轴向垂直。
进一步地，为了提供稳定的温度场，如图2所示，本申请中的光纤光栅退火装置包括两个或三个电极，该电极均设置在支撑架上，且电极沿光纤光栅的周向等间隔分布。
在使用的时候，光纤光栅01位于三个电极的中心，每个电极与光纤光栅01间隔2mm，在电极放电产生的热等离子体时释放大量热量形成均匀温度场，在温度场内的栅区纤芯折射率发生改变，中心波长从而达到与高温退火相同的效果。
在一些实施例中，本申请中的移动平台10朝向基座的一侧上沿光纤光栅的长度方向设置有导轨，基座朝向移动平台10的一侧上设置有滑槽，导轨与滑槽相配合。由于移动平台与基座的连接结构为导轨与滑槽的结构，因此，推动移动平台就可以使得移动平台在基座上移动。
需要说明的是，本申请实施例中的移动平台和基座的连接结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，移动平台朝向基座的一侧上设置有滚珠，基座朝向移动平台的一侧上设置滚动槽，滚珠位于滚动槽中。本申请对移动平台和基座的具体结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。
在一些实施例中，为了方便驱动移动平台移动，本申请中的光纤光栅退火装置还包括电机丝杆机构，该电机丝杆机构设置在基座上，且电机丝杆机构与移动平台10连接，用于带动移动平台10沿滑槽移动。
具体地，上述电机丝杆机构包括步进电机、丝杆以及丝杆螺母，其中，步进电机固定在基座上，步进电机上的输出轴通过联轴器与丝杆连接，丝杆螺母螺纹连接在丝杆上，且丝杆螺母与移动平台连接，在使用时，通过步进电机带动丝杆转动，丝杆带动丝杆螺母沿丝杆的轴向移动，从而就可以带动丝杆螺母上连接的移动平台移动。
需要说明的是，本申请实施例中用电机丝杆机构驱动移动平台移动的结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，通过液压杆驱动移动平台移动。本申请对如何带动移动平台在基座上移动的具体结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。
本发明还提供了一种光纤光栅退火方法，用于如本申请实施例描述中任意一项的光纤光栅退火装置，该方法包括：
步骤1：将光纤光栅固定在两个光纤夹持件之间，同时使得光纤光栅上的栅区位于两个光纤夹持件之间的区域；
步骤2：控制电极放电组件上的电极放电，同时驱动移动平台在基座上移动，以使得移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电产生的稳定温度场内进行局部退火。
采用上述技术方案，通过驱动移动平台在基座上移动，从而就可以带动移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电组件上产生的温度场范围内移动，同时，可根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，避免人为操作不当导致的光纤受损，从而完成了局部退火避免因整体退火而导致的光纤受损或易损，有效提升了光纤光栅的退火效率和品质。
在一些实施例中，本申请中的控制电极放电组件上的电极放电包括：根据栅区所需温度控制电极的放电量和放电时间。
具体地，上述栅区所需温度为T(t)，该
Figure BDA0002997756650000081
其中，a，b为常数；η为分配到光纤光栅的能量分配系数；P为电极放电功率；r为放电通道半径；t为放电时间；k为热导率；T0为初始温度，即常温25℃。由于该栅区温度可控，可以根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，从而避免人为操作不当导致的光纤受损。
综上所述，本发明在使用时：
首先根据光纤光栅上的光栅区域调节光纤夹持件在移动平台上的位置，待确定好光纤夹持件的位置后，将光纤夹持件固定在移动平台上，此时将光纤光栅固定在两个光纤夹持件上，光纤光栅上的栅区位于两个光纤夹持件之间，然后驱动移动平台沿光纤光栅的长度方向在基座上移动，从而就可以带动移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电组件上产生的温度场范围内移动，同时，可根据不同光纤光栅的需求自定义设置退火区域，退火时间和温度函数，自动化程度较高，避免人为操作不当导致的光纤受损，从而完成了局部退火避免因整体退火而导致的光纤受损或易损，有效提升了光纤光栅的退火效率和品质。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤光栅退火装置，其特征在于，包括：
基座；
移动平台(10)，所述移动平台(10)设置在所述基座上，且所述移动平台(10)能够沿光纤光栅的长度方向在所述基座上移动；
光纤夹持件(20)，用于夹持光纤光栅，所述移动平台(10)沿光纤光栅长度方向的两端分别设置有一个所述光纤夹持件(20)；
电极放电组件(30)，所述电极放电组件(30)设置在所述基座上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，所述光纤夹持件(20)可拆卸的安装在所述移动平台(10)上。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，所述移动平台(10)上设置有多个插孔，所述光纤夹持件(20)朝向移动平台(10)的一端上设置有连接杆，所述连接杆与所述插孔相配合。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，所述电极放电组件(30)包括蓄电池、支撑架以及至少一个电极；
所述蓄电池和所述支撑架均设置在所述基座上，所述电极与所述蓄电池电连接，所述电极设置在所述支撑架上，且所述电极的轴向与所述光纤光栅的轴向垂直。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，包括两个或三个电极，所述电极均设置在所述支撑架上，所述电极沿所述光纤光栅的周向等间隔分布。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，所述移动平台(10)朝向所述基座的一侧上沿光纤光栅的长度方向设置有导轨，所述基座朝向所述移动平台(10)的一侧上设置有滑槽，所述导轨与所述滑槽相配合。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，还包括电机丝杆机构，所述电机丝杆机构设置在所述基座上，且所述电机丝杆机构与所述移动平台(10)连接，用于带动所述移动平台(10)沿所述滑槽移动。
8.一种光纤光栅退火方法，用于如权利要求1～7任意一项所述的光纤光栅退火装置，其特征在于，该方法包括：
将光纤光栅固定在两个光纤夹持件之间，同时使得光纤光栅上的栅区位于两个光纤夹持件之间的区域；
控制电极放电组件上的电极放电，同时驱动移动平台在基座上移动，以使得移动平台上的光纤夹持件上固定的光纤光栅在电极放电产生的稳定温度场内进行局部退火。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅退火方法，其特征在于，所述控制电极放电组件上的电极放电包括：
根据栅区所需温度控制电极的放电量和放电时间。
10.根据权利要求9所述的光纤光栅退火方法，其特征在于，所述栅区所需温度为T(t)，
Figure FDA0002997756640000021
其中，a，b为常数；η为分配到光纤光栅的能量分配系数；P为电极放电功率；r为放电通道半径；t为放电时间；k为热导率；T0为初始温度，即常温25℃。
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