CN113687462A - 一种光纤光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅制作方法，属于光纤光栅制作领域。在非绝热拉锥型微纳光纤周围设置光敏聚合材料环境，由于激光传播模式在非绝热拉锥型微纳光纤中耦合变化，光纤外部有周期性明暗相间的倏逝场泄露，在周围是相近折射率的光敏聚合材料环境时更加明显，有高功率光场泄露位置处的光敏聚合材料由于受到敏感光照自生长成有一定折射率的固态光敏聚合材料，产生周期性折射率分布，进而获得光纤光栅。本发明制作的光纤光栅可用于折射率传感、温度传感、应力传感等，该制作方法具有自生长、可控性强、制作周期短、操作流程简单、重复性高的优点。

Description

一种光纤光栅制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种光纤光栅制作方法。

背景技术

作为一种无源器件，光纤光栅已在通信和传感领域具有极其重要的地位和广阔的应用前景，具有尺寸小，灵敏度高，抗干扰能力强等优势。可以用作光纤放大器的增益平坦、色散补偿，以及折射率、温度、应变、生物化学传感器等。目前制作光纤光栅，待成栅光纤包括普通单模光纤，特殊光纤，例如空芯、毛细管光纤、边孔光纤等，以及微纳光纤，调制方式包括纤芯调制和包层调制，制作方法包括常见的激光刻写，相位掩膜，以及喷墨打印技术，周期性表面涂覆法等。

公开号为CN103543490B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，将光刻胶涂层烘干；采用波长为248nm的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；去处光刻胶涂层，实现光纤光栅的制作。

公开号为CN101281274的专利，一种光纤包层光栅。拉制出包层具有光敏特性而纤芯不具有光敏性的光纤，将光栅写入具有光敏性的光纤包层中。光纤包括空芯光纤、单模光纤或者是其它类型的光纤。光纤包层光栅的写入方法与芯内光栅的写入方法相同。光栅可以是等间距的短周期光栅、长周期光栅、倾斜光栅、变迹光栅等，也可以是非周期光栅。这种光纤包层光栅的模式变换能力远大于现有的芯内光栅。它能实现芯内导模之间，芯内导模与包层模之间，以及芯内导模与光纤外部光场之间的模式变换。

微纳光纤光栅结合了微纳光纤的倏逝场特性和光栅的光谱特性，且微纳光纤光栅的比普通光纤光栅尺寸更小，结构更紧凑。另外，结合微纳光纤的特性，在微纳光纤表面制作光栅结构，可以获得包层调制，以达到更高的外界传感灵敏度。

公开号为CN105353459B的专利，微纳光纤表面制作光栅的方法。利用涂覆在微纳光纤表面的功能化膜，借助于薄膜材料的光敏性，利用低功率的紫外光进行曝光制备光栅。其中，还介绍了几种微纳光纤表面制作光栅的方法：H.Xuan提出了一种利用CO₂激光器对微纳光纤进行加热，继而进行周期性微拉锥的方法来制作微纳光纤光栅；X.Zhang等研究者提出了一种利用PDMS对微纳光纤进行周期性表面涂覆的方法制作微纳光纤光栅；G.Kakarantzas等研究者则将表面涂覆和周期性曝光相结合，提出了一种首先在微纳光纤表面涂覆二氧化硅薄膜，随后利用CO₂激光器进行周期性固化的方法制作微纳光纤光栅。公开号为CN106768525A的专利，一种基于瑞利不稳的长周期光栅传感器及其制备和测量方法。利用液体的瑞利不稳效应在微纳光纤表面断裂形成周期性的结构，实现微纳光纤光栅的制备。但是这些方法需要精密的微操平台和技术，不易控制，且容易损伤微纳光纤。

本发明探求到一种自主生长的光纤光栅制作方法。将具有外部明暗相间光斑的非绝热拉锥型微纳光纤周围设置为光敏聚合材料的环境，入射到光纤的激光使高功率倏逝场泄露位置处自生长产生固化的光敏材料，从而在非绝热拉锥型微纳光纤外部形成折射率周期性改变，获得光纤光栅。该方法相比于上述制作光纤光栅的方法具有自主性强，易控制，制作周期短，尺寸小的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光栅制作方法。Lacroix等人已经指出突变型光纤锥可看作一个模式干涉仪，其特性与二模光纤(一种未拉锥的少模光纤)相同。传输光纤中传输的激光基模光束经过突变型锥区，激发高阶模式光束，入射到非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区时产生模式间的干涉耦合，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。柱坐标下待成栅光纤纤芯内的场解为：

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；非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区的纤芯中高阶模式光束的光场只能表现出一个圆环。对于非绝热拉锥型微纳光纤，一部分基模HE₁₁的能量在锥形区域将耦合到包层模HE_1m中，设置周围光敏聚合材料折射率为1.48，与本光纤折射率相近，将出现更加明显的高阶模式倏逝场圆环，即非绝热拉锥型微纳光纤轴外有周期性倏逝场光斑呈现明暗相间的分布规律，明场中的光敏聚合材料发生固化，在光纤表面自生长形成周期性固态的光敏聚合材料；暗场中的光敏聚合材料呈液态，可用酒精溶液冲洗干净，固态的聚合材料与周围介质的折射率不同，使非绝热拉锥型微纳光纤包层折射率发生周期性改变，形成光纤光栅器件。

所用的非绝热拉锥型微纳光纤，其外部泄露的光场功率沿光纤轴向周期性变化；所用的光敏聚合材料是一种聚合物材料，对特定波长与能量等参数的激光敏感，其状态发生转变；所用的光敏聚合材料受激光作用后由液态转化为固态，其固化后折射率与光纤具有较高的亲和性；所用的激光波长及能量等参数应与光敏聚合材料适配，能够固化非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区外部泄露倏逝场光斑位置处的光敏聚合材料。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用光敏聚合材料固态下有一定的折射率，形成与周围介质的折射率改变，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为本发明制作光纤光栅的透射光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种光纤光栅制作方法。

本发明的目的在于提供一种光纤光栅制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光栅制作方法，如图1所示，传输光纤1中传输的激光基模光束经过突变型锥区1-1，激发高阶模式光束，入射到非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2中产生模式间的干涉耦合，沿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。柱坐标下待成栅光纤纤芯内的场解为：

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；非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区的纤芯1-3中高阶模式光束的光场只能表现出一个圆环。对于非绝热拉锥型微纳光纤，一部分基模HE₁₁的能量在锥形区域将耦合到包层模HE_1m中，设置周围光敏聚合材料折射率为1.48，与本光纤折射率相近，将出现更加明显的高阶模式倏逝场圆环，即非绝热拉锥型微纳光纤轴外有周期性倏逝场光斑呈现明暗相间的分布规律，光纤轴向光场仿真结果如图2所示。在图2中，周围环境是光敏聚合材料时，会产生明显的周期性倏逝场泄露，明场中的光敏聚合材料2发生固化，形成周期性固态的光敏聚合材料3，暗场中的光敏聚合材料呈液态，可用酒精溶液冲洗干净，固态的聚合材料3与周围介质的折射率不同，使非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2的包层折射率发生周期性改变，形成光纤光栅器件。至此，可以得到所制作的光纤光栅的透射光谱，其示意图如图3所示，为峰谷结构，其中心波长为λ_Center。

所用的非绝热拉锥型微纳光纤，其外部泄露的光场功率沿光纤轴向周期性变化；所用的光敏聚合材料是一种聚合物材料，对特定波长与能量等参数的激光敏感，其状态发生转变；所用的光敏聚合材料受激光作用后由液态转化为固态，其固化后折射率与光纤具有较高的亲和性；所用的激光波长及能量等参数应与光敏聚合材料适配，能够固化非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区外部泄露倏逝场光斑位置处的光敏聚合材料。

本发明的技术方案是这样实现的：

实施例，基于非绝热拉锥型微纳光纤的成栅方法：

1.将锥腰直径为2μm非绝热拉锥型微纳光纤浸入对532nm光波段敏感的光敏聚合胶中。截取长度为10cm单模光纤，使用米勒钳将单模光纤中间的涂覆层剥除1cm左右，露出包层，用酒精擦拭干净光纤后使用。使用两步拉锥法制作非绝热拉锥型微纳光纤，即用光纤熔接机在单模光纤上制作两个突变型锥区，然后使用氢气火焰法，在两个锥区中间制作一个均匀的锥腰区，它的长度为2mm，腰区直径为2μm，将锥腰区浸入光敏聚合胶环境。

2.将工作波长为532nm的激光器尾纤切割平整，并与步骤1中传输光纤的另一端熔融焊接。打开激光器电源后，将激光器光源功率调到100nW，等待2s，断光。周围设置为光敏聚合胶的非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区轴线外明场上的光敏聚合胶发生固化，折射率改变，暗场中的光敏聚合胶仍然呈液态，使用酒精溶液冲洗干净，光纤轴线外明暗相间的光场使固态的光敏聚合胶成周期性分布，固态的聚合材料与周围介质的折射率不同，使非绝热拉锥型微纳光纤的包层折射率发生周期性改变，形成光纤光栅器件。

3.改变步骤1中的非绝热拉锥型微纳光纤直径或激光波长，步骤2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 (5)

1.一种光纤光栅制作方法，其特征在于：传输光纤1中传输的激光基模光束经过突变型锥区1-1，激发高阶模式光束，入射到非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2中产生模式间的干涉耦合，外部泄露的光场功率沿光纤轴向周期性变化，在周围是相近折射率的光敏聚合材料环境2时更加明显，高功率激光泄露的光斑固化设置在非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2周围的光敏聚合材料，在光纤表面自生长成周期性固态的光敏聚合材料3，剩余低功率激光泄露位置处的光敏聚合材料仍然是液态，液态聚合材料使用酒精溶液清洗处理，固态的聚合材料3与周围介质的折射率不同，使非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2的包层折射率发生周期性改变，形成光纤光栅器件。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅制作方法，其特征在于：所述的非绝热拉锥型微纳光纤，其外部泄露的光场功率沿光纤轴向周期性变化。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅制作方法，其特征在于：所述的光敏聚合材料是一种聚合物材料，对特定波长与能量等参数的激光敏感，其状态发生转变。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅制作方法，其特征在于：所述的光敏聚合材料受激光作用后由液态转化为固态，其固化后折射率与光纤具有较高的亲和性。

5.根据权利要求1所述的一种基于光敏聚合材料的光纤光栅制作方法，其特征在于：所述的激光波长及能量等参数应与光敏聚合材料适配，能够固化非绝热拉锥型微纳光纤锥腰区1-2外部泄露倏逝场光斑位置处的光敏聚合材料。

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