CN113325508B - 一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，传输光纤的纤芯中传输的激光基模光束入射到空芯光纤的空气孔纤芯中产生模式间的干涉耦合，激发高阶模式光束，光场功率沿光纤轴向周期性变化，高功率激光固化填充在空气孔空芯内的光聚合材料，形成周期性固态的光聚合材料，固态的聚合材料与液态的聚合材料的折射率不同，使空芯光纤的空气孔纤芯折射率发生周期性改变，得到光纤光栅。本发明制作的光纤光栅可用于温度传感、折射率传感、压力传感等，该制作方法具有操作流程简单、制作周期短、重复性高的优点。

Description

一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种光纤光栅制作方法，特别是一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法。

背景技术

光纤通信的发展使有源和无源光器件也得到了迅速发展。光纤光栅作为一种无源器件，具有制作简单、体积小、耐腐蚀、灵敏度高、易于复用、抗干扰能力强等优势，被广泛应用于航空航天、电力、石油化工、环境监测、土木工程、医学影像、农业、林业等领域。

目前制作光纤光栅的方法有：利用紫外光通过振幅掩膜版曝光氢载掺锗光纤的振幅掩膜法、利用氢氟酸周期性腐蚀光纤的腐蚀刻槽法、利用氦(He²⁺)或氢(H⁺)离子束沿轴向周期性入射到光纤表面的离子束入射法、基于入射激光与菲涅尔反射光发生干涉的内部写入法、基于衍射原理形成干涉条纹的相位掩膜法等。振幅掩膜法对紫外光的相干性没有要求，但是热稳定性较差；腐蚀刻槽法利用氢氟酸腐蚀光纤，效率低且不容易控制光纤光栅的参数；离子束入射法不需要对光纤进行预处理、高温稳定性好，但是在包层中会感生很高的折射率变化；内部写入法对光纤折射率的改变较小，只有写入较长的光栅才能得到可实际应用的反射率；相位掩膜法需要制作可用于相位调制的模板，工艺流程复杂。

公开号为CN110941044A的专利，一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法。由凸锥间隔相同毫米量级的距离形成光栅，控制位移平台移动距离等于光栅的周期，带动光纤移动同样的距离，但是该方法操作流程复杂，需要重复切割和熔接步骤，制作出新的凸锥。

公开号为CN103543490A的专利，一种基于喷墨打印技术的长周期光纤光栅制作方法。采用喷墨打印技术，以周期性间距的光刻胶涂层包覆光纤包层，氩离子紫外激光器对暴露出的光纤包层进行扫描曝光，未包覆光刻胶涂层的光纤包层和位于其内部的纤芯感光，经感光的纤芯产生光致诱导折射率变化，再去除光刻胶涂层，实现长周期光纤光栅的制作，该方法制作工艺复杂，耗时长。

Denisyuk(Journal of Optical Technology,2013,80(3):193-196)等人用光敏复合材料填充光子晶体光纤，然后由材料一侧两束光的干涉图案记录，在固体聚合物复合材料中形成布拉格光栅，获得光学窄带滤波器，该种光纤光栅制作方法，两束光需要满足干涉条件，存在一定的技术难度。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，相比于现有技术具有操作流程简单、制作周期短的优势，而且具有较高的重复性。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，包括以下步骤：传输光纤1的纤芯1-1中传输的激光基模光束入射到空芯光纤2的空气孔纤芯2-1中产生模式间的干涉耦合，激发高阶模式光束，光场功率沿光纤轴向周期性变化，高功率激光固化填充在空气孔空芯2-1内的光聚合材料3，形成周期性固态的光聚合材料4，固态的聚合材料4与液态的聚合材料3的折射率不同，使空芯光纤2的空气孔纤芯2-1折射率发生周期性改变，得到光纤光栅。

本发明还包括：

1.空芯光纤2是内部光斑成周期性变化的光纤，包括带空气孔的光纤或波导。

2.激光能够固化空芯光纤2中填充的光聚合材料。

3.可通过改变空芯光纤2的直径或激光波长改变得到的光纤。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将光聚合材料填充进光纤，入射到光纤的激光照射光聚合材料使其固化，形成周期性固态的光聚合材料，固态的聚合材料与液态的聚合材料的折射率不同，使纤芯折射率发生周期性改变，形成光纤光栅。该方法相比于上述凸锥级联法和干涉法具有操作流程简单的优点，相比于喷墨打印法具有制作周期短的优势，而且具有较高的重复性。

1.本发明利用光聚合材料固、液不同状态下的折射率不同，从而制成光纤光栅，具有成本低、操作流程简单的优势。

2.光栅周期自形成，周期范围可根据波长或模式耦合区间调整。

3.光路上的光聚合材料发生固化作用的耗时短，缩短了光纤光栅的制作周期。

附图说明

图1为本发明制作光纤光栅的方法示意图；

图2为本发明光纤光栅的光场仿真图；

图3为本发明光纤光栅的光场仿真局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

光聚合材料填充进空芯光纤中受激光照射发生固化，由于激光传播模式在空芯中耦合变化，光聚合材料周期性固化，固化的光聚合材料折射率高于液态聚合材料，使得空芯光纤纤芯折射率周期性分布，获得了基于光聚合材料的光纤光栅。本发明制作的光纤光栅可用于温度传感、折射率传感、压力传感等，该制作方法具有操作流程简单、制作周期短、重复性高的优点。

本发明的一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，如图1所示，传输光纤1的纤芯1-1中传输的激光基模光束入射到空芯光纤2的空气孔纤芯2-1中产生模式间的干涉耦合激发高阶模式光束，沿纤芯半径方向场量呈驻波分布；在圆周方向场量呈sinmΦ或cosmΦ驻波分布，m是沿圆周方向出现最大值的对数；沿z轴呈行波状态，波的相位常数为β。柱坐标下待成栅空芯光纤空气孔纤芯内的场解为：

其中A、B是两个待定的常数，e^-jβz表示电磁场解是沿光纤轴(z轴)方向的行波，J_m(k_cr)是m阶贝塞尔函数；受到纤芯直径的限制，待成栅空芯光纤2的空气孔纤芯2-1中高阶模式光束的光场只能表现出一个圆环，光纤轴向光场仿真结果如图2所示，局部放大如图3所示。在图3中，激光沿z轴正向传播，空气孔纤芯中轴线上的光场呈现明暗相间的分布规律，明场中的光聚合材料3发生固化，形成周期性固态的光聚合材料4，暗场中的光聚合材料呈液态，固态的聚合材料4与液态的聚合材料3的折射率不同，使空芯光纤2的纤芯2-1折射率发生周期性改变，形成基于光聚合材料的光纤光栅器件。

空芯光纤是内部光斑成周期性变化的光纤，可以是小孔径空芯光纤、毛细管光纤等带空气孔的光纤或波导；所用的光聚合材料其液态和固态的折射率不同；所用的激光应能够固化空芯光纤中填充的光聚合材料。本发明的技术方案是这样实现的：

实施例，基于空芯光纤的成栅方法：

1.将对532nm光波段敏感的光聚合胶填充到纤芯直径为15μm的空芯光纤的空气孔中。截取长度为10cm的空芯光纤，使用米勒钳将空芯光纤一端的涂覆层剥除3cm左右，露出包层，用酒精擦拭干净光纤尾端后，再用光纤切割刀以涂覆层起始位置为基准固定后，推动切割刀的刀刃，之后再用酒精擦拭尾端部分，再使用米勒钳将空芯光纤另一端的涂覆层剥除3cm左右，重复上述切割步骤，使空芯光纤端面平整，等待填充光聚合胶。

2.将步骤1中处理好的空芯光纤一端与微泵连接，使光聚合胶填充进空芯光纤，空芯光纤的空气孔中完全充满光聚合胶。

3.将步骤2中充满光聚合胶的空芯光纤水平放置在显微镜的载物台上，再将用作传输的单模光纤一端固定在微操作手上，操作微操作手，使充满光聚合胶的空芯光纤与单模传输光纤同轴对芯放置。

4.将工作波长为532nm的激光器尾纤按照步骤1的方法切割平整，并与步骤3中传输单模光纤的另一端熔融焊接。打开激光器电源后，等待5分钟。充满光聚合胶的空芯光纤中明场上的光聚合胶发生固化，折射率改变，暗场中的光聚合胶仍然呈液态，纤芯中轴线上明暗相间的光场使固态的光聚合胶成周期性分布，固态的聚合材料与液态的聚合材料的折射率不同，使空芯光纤的纤芯折射率发生周期性改变，形成基于光聚合材料的光纤光栅器件。

5.改变步骤1中的空芯光纤直径或激光波长，步骤4中制成的光纤光栅周期就会发生改变，可根据实际要求制成不同栅距的光纤光栅。

Claims (4)

1.一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，其特征在于，包括以下步骤：传输光纤(1)的纤芯(1-1)中传输的激光基模光束入射到空芯光纤(2)的空气孔纤芯(2-1)中产生模式间的干涉耦合，激发高阶模式光束，沿纤芯半径方向场量呈驻波分布；在圆周方向场量呈sinmΦ或cosmΦ驻波分布，m是沿圆周方向出现最大值的对数；沿z轴呈行波状态，波的相位常数为β；柱坐标下待成栅空芯光纤空气孔纤芯内的场解为：

其中A、B是两个待定的常数，e^-jβz表示电磁场解是沿光纤轴z轴方向的行波，J_m(k_cr)是m阶贝塞尔函数；受到纤芯直径的限制，待成栅空芯光纤(2)的空气孔纤芯(2-1)中高阶模式光束的光场只能表现出一个圆环，光场功率沿光纤轴向周期性变化，高功率激光固化填充在空气孔纤芯(2-1)内的光聚合材料(3)，形成周期性固态的光聚合材料(4)，固态的光聚合材料(4)与液态的光聚合材料(3)的折射率不同，使空芯光纤(2)的空气孔纤芯(2-1)折射率发生周期性改变，得到光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，其特征在于：所述的空芯光纤(2)是内部光斑成周期性变化的光纤，包括带空气孔的光纤或波导。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，其特征在于：所述激光能够固化空芯光纤(2)中填充的光聚合材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光聚合材料的光纤光栅制作方法，其特征在于：可通过改变空芯光纤(2)的直径或激光波长改变得到的光纤光栅的栅距。

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