CN116391141A - 一种长周期光纤光栅的制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种长周期光纤光栅的制作方法及装置。长周期光纤光栅的制作方法包括：对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料(5)；将涂覆材料(5)进行干燥及固化，涂覆材料(5)干燥后能对光纤施加应力。

Description

一种长周期光纤光栅的制作方法及装置 技术领域

本申请涉及光纤光栅制作技术领域，例如涉及一种长周期光纤光栅的制作方法及装置。

背景技术

自1995年A.M.Vengsarkar等人首次在光纤中成功写入长周期光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)结构以来，LPFG技术得到了迅速发展和应用，尤其是在光纤传感等领域中，由于LPFG具有对外界环境敏感、结构简单、插入损耗小、易实现远距离传感等优点，被广泛应用于压力、应变、温度以及折射率等物理量的检测系统中。

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CO ₂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。

还有一类是首先将光栅写入区域的光纤涂覆层剥除，使光纤包层暴露，然后将光纤固定在光纤夹具上；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，实现长周期光纤光栅的制作。这种方法需要多次处理光纤，操作复杂， 效率较低，且容易损伤光纤。

发明内容

本申请的一个目的在于提出一种长周期光纤光栅的制作方法，能够获得性能稳定的长周期光纤光栅，生产效率较高，成本低，适于大规模生产。

本申请的另一个目的在提出一种长周期光纤光栅的制作装置，能够提高长周期光纤光栅的生产效率。

为达此目的，本申请采用以下技术方案：

一种长周期光纤光栅的制作方法，包括：

对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料，形成至少一组喷涂层；

将所述涂覆材料进行干燥及固化，所述涂覆材料干燥后能对所述光纤施加应力。

可选地，所述光纤的拉丝过程中，在所述光纤的包层表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料；

将所述包层表面的所述涂覆材料干燥后，对所述光纤依次进行内涂层和外涂层的涂覆，然后对所述内涂层和所述外涂层进行固化。

可选地，所述光纤的拉丝过程中，在所述光纤的内涂层表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料；

将所述内涂层表面的所述涂覆材料干燥后，对所述光纤进行外涂层的涂覆，然后对所述外涂层进行固化。

可选地，所述光纤拉丝完成后，在所述光纤的外涂层表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料；

将所述外涂层表面的所述涂覆材料干燥后，对所述光纤进行着色，然后 对着色层进行固化。

可选地，所述涂覆材料为油墨。

可选地，所述涂覆材料喷涂的厚度为1μm-20μm。

可选地，所述涂覆材料喷涂为环状或点状。

可选地，每组所述喷涂层内的所述涂覆材料的周期Λ为1μm-1000μm，每组所述喷涂层的长度L为1mm-100mm；当所述喷涂层有多组时，相邻两组所述喷涂层间的距离D为每组所述喷涂层的长度L的0-100倍。

一种长周期光纤光栅的制作装置，包括牵引机构和沿牵引方向依次设置的喷涂机和干燥机，所述牵引机构用于牵引光纤，所述喷涂机能够对所述光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料，所述干燥机能够对喷涂在所述光纤上的所述涂覆材料进行干燥，所述涂覆材料干燥后能对所述光纤施加应力。

可选地，还包括涂覆模具和UV固化灯，所述涂覆模具包括内涂模具和外涂模具；

沿牵引方向依次设置所述喷涂机、所述干燥机、所述内涂模具、所述外涂模具和UV固化灯，以使所述喷涂机能在所述光纤的包层表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料；

或沿牵引方向依次设置所述内涂模具、所述喷涂机、所述干燥机、所述外涂模具和UV固化灯，以使所述喷涂机能在所述光纤的内涂层表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料。

本申请的有益效果为：

本申请通过在光纤上喷涂周期性间隔的涂覆材料，涂覆材料干燥后，能对光纤施加一定间距的应力分布来实现长周期光纤光栅的写制，光纤光栅的 性能稳定，通过调节涂覆材料的间隔周期、厚度等调节应力的大小，从而能实现光栅周期的调节；本申请通过对光纤施加周期性的应力分布实现长周期光纤光栅的写制，不需要专门制作掩膜版或用光刻胶处理，操作简单，成本较低，生产效率高。

附图说明

图1是本申请具体实施方式提供的长周期光纤光栅的制作方法的流程图；

图2是本申请具体实施方式一提供的涂覆材料喷涂在包层的光纤的结构示意图；

图3是本申请具体实施方式二提供的涂覆材料喷涂在内涂层的光纤的结构示意图；

图4是本申请具体实施方式三提供的涂覆材料喷涂在外涂层的光纤的结构示意图；

图5是本申请的具体实施方式提供的一种涂覆材料的喷涂工艺示意图；

图6是本申请具体实施方式提供的在光纤的外涂层表面喷涂涂覆材料的长周期光纤光栅的制作装置的结构示意图；

图7是本申请具体实施方式提供的在光纤的包层表面喷涂涂覆材料的长周期光纤光栅的制作装置的结构示意图；

图8是本申请具体实施方式提供的在光纤的内涂层表面喷涂涂覆材料的长周期光纤光栅的制作装置的结构示意图。

图中：

1、芯层；2、包层；3、内涂层；4、外涂层；5、涂覆材料；6、着色层；7、UV固化灯；8、涂覆模具；81、内涂模具；82、外涂模具；9、干燥机；10、喷涂机；11、着色模具；12、牵引机构；13、裸纤测径仪。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。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。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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或两个元件的相互作用关系。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。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方， 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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图1-8并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。

光纤由内至外依次包括芯层1、包层2、内涂层3和外涂层4。光纤的拉丝过程包括预制棒经拉丝机拉制成裸光纤(裸光纤由内向外依次包括芯层1和包层2)，裸光纤通过裸纤测径仪13测径，然后进入涂覆固化系统依次涂覆内涂层3、外涂层4后以及对内涂层3和外涂层4进行固化。

本实施例提供了一种长周期光纤光栅的制作方法，如图1至4所示，制作方法包括对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料5，形成至少一组喷涂层。将涂覆材料5进行干燥及固化，涂覆材料5干燥后能对光纤施加应力。

本实施例中，通过在光纤上喷涂周期性间隔的涂覆材料5，涂覆材料5干燥后，能对光纤施加一定间距的应力分布来实现长周期光纤光栅的写制，光纤光栅的性能稳定，通过调节涂覆材料5的两个周期间的距离能够调节光纤的衰减特性，调节涂覆材料5的厚度能够调节光纤受到的应力的大小，可以调节光栅周期，从而便于获得滤波效果好的长周期光纤光栅。

可选地，涂覆材料5为油墨。油墨的干燥温度可选为50-100℃，例如，可以选为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃。经干燥后光纤表面喷涂的油墨溶剂被完全蒸发，只留下周期性排列的黑色固体碳黑点。然而涂覆材料5为油墨并不用以限定本申请，例如，涂覆材料5还可以为树脂材料。

可选地，涂覆材料5喷涂的厚度为1μm-20μm。例如，可以喷涂的厚度 可以选为1μm、5μm、10μm、15μm或20μm。可选为1μm-10μm。喷涂材料的厚度越大，干燥后的涂覆材料5对光纤施加的应力越大。

可选地，涂覆材料5喷涂为环状或点状。具体地，涂覆材料5喷涂为点状时，沿光纤的轴向一侧喷涂。

具体地，如图5所示，每组喷涂层内的涂覆材料5的周期Λ为1μm-1000μm，即每组喷涂层内的点与点或环与环间的距离为1μm-1000μm，例如，可选为10μm、100μm、300μm、500μm或800μm。每组喷涂层的长度L为1mm-100mm；例如可以选为1mm、10mm、20mm、50mm、80mm或100mm。

喷涂层可以喷涂为一组形成独立的长周期光纤光栅，也可以间隔喷涂多组形成级联长周期光纤光栅，当喷涂层有多组时，相邻两组喷涂层间的距离D为每组喷涂层的长度L的0-100倍，例如可以选为0.5L、1L、2L、10L、40L、50L、70L或100L。

作为一种可选的实施方式一，如图1和2所示，光纤的拉丝过程中，在光纤的包层2表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。预制棒经拉丝机拉制成裸光纤后，在光纤的包层2表面涂覆周期性间隔的涂覆材料5。将包层2表面的涂覆材料5干燥后，对光纤依次进行内涂层3和外涂层4的涂覆，然后对内涂层3和外涂层4进行固化，固化波长可选为300nm-500nm。可以理解的是，将涂覆材料5干燥后能对光纤的包层2施加一定间距的应力分布，从而实现长周期光纤光栅的在线写制，能够提高生产效率。

作为一种可选的实施方式二，如图1和3所示，光纤的拉丝过程中，在光纤的内涂层3表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。预制棒经拉丝机拉制成 裸光纤，裸光纤经过涂覆固化系统涂覆内涂层3后，并在内涂层3固化后，在光纤的内涂层3表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。将内涂层3表面的涂覆材料5干燥后，对光纤进行外涂层4的涂覆，然后对外涂层4进行固化，固化波长可选为300nm-500nm。可以理解的是，将涂覆材料5干燥后能对光纤内涂层3施加一定间距的应力分布，从而实现长周期光纤光栅的在线写制，能够提高生产效率。

作为一种可选的实施方式三，如图1和4所示，光纤拉丝完成后，为了区分不同的光纤，需要对光纤进行着色处理，在着色处理前，在光纤的外涂层4表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。将外涂层4表面的涂覆材料5干燥后，对光纤进行着色，然后对着色层6进行固化。可以理解的是，外涂层4表面的涂覆材料5干燥后能对光纤的外涂层4施加一定间距的应力分布，光纤的裸光纤(裸光纤为玻璃)不会受到影响或破坏，从而能提高光栅的写制的成功率，提高生产效率。

本实施例通过在光纤上喷涂周期性间隔的涂覆材料5，涂覆材料5干燥后，能对光纤施加一定间距的应力分布来实现长周期光纤光栅的写制，光纤光栅的性能稳定，通过调节涂覆材料5的间隔周期、厚度、颗粒度、模量等材料特性，涂覆材料5的厚度、固化度等来控制应力的大小和分布，从而调节光纤包层2、内涂层3或外涂层4中传输模式的耦合。光纤的拉丝过程中，在光纤的包层2或内涂层3表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5，即在光纤拉丝机拉出的裸光纤上进行涂覆材料5的喷涂，或在光纤涂覆内涂层3后进行涂覆材料5的喷涂，实现了光纤光栅的在线写制，能够提高生产效率。或光纤拉丝完成后，在光纤的外涂层4表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5，光纤 的玻璃部分不会受到影响或破坏，从而能提高光栅的写制的成功率，提高生产效率。本申请通过对光纤施加周期性的应力分布实现长周期光纤光栅的写制，不需要专门制作掩膜版或用光刻胶处理，操作简单，成本较低，生产效率高。

为了进一步实施上述的长周期光纤光栅的制作方法，本实施例还公开了一种长周期光纤光栅的制作装置，如图6所示，长周期光纤光栅的制作装置包括牵引机构12和沿牵引方向依次设置的喷涂机10和干燥机9，牵引机构12用于牵引光纤，喷涂机10能够对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料5，干燥机9能够对喷涂在光纤上的涂覆材料5进行干燥，涂覆材料5干燥后能对光纤施加应力。

本实施例中利用牵引机构12牵引的光纤依次穿过喷涂机10和干燥机9，可选地，喷涂机10能够对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料5，涂覆材料5可以喷涂为环状或点状。喷涂的涂覆材料5经干燥机9进行干燥。

具体地，牵引机构12包括放线辊和收线辊，放线辊设置于喷涂机10远离干燥机9的一侧，收线辊设置于干燥机9远离喷涂机10的一侧。

作为一种可选的实施方式，如图6所示，为了便于区分不同的光纤，光纤拉丝完成后需要对光纤着色处理，干燥机9远离喷涂机10的一侧还设置有着色模具11和UV固化灯7，光纤喷涂涂覆材料5后，经过着色模具11对光纤进行着色处理，着色处理后，UV固化灯7能对着色层6进行固化处理。

作为一种可选的实施方式，如图7所示，为了实现长周期光纤光栅在拉丝过程中的制作，本实施例中的长周期光纤光栅的制作装置还包括涂覆模具 8和UV固化灯7，涂覆模具8包括内涂模具81和外涂模具82；

沿牵引方向依次设置喷涂机10、干燥机9、内涂模具81、外涂模具82和UV固化灯7，以使喷涂机10能在光纤的包层2表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。光纤的包层2表面喷涂涂覆材料5后，依次经内涂模具81、外涂模具82涂覆内涂层3和外涂层4，外涂层4涂覆后经UV固化灯7固化。通过在光纤的包层2喷涂涂覆材料5，对光纤的包层2施加一定间距的应力分布来实现长周期光纤光栅的在线写制。

作为一种可选的实施方式，如图8所示，为了实现长周期光纤光栅在拉丝过程中的制作，本实施例中的长周期光纤光栅的制作装置还包括涂覆模具8和UV固化灯7，涂覆模具8包括内涂模具81和外涂模具82。沿牵引方向依次设置内涂模具81、喷涂机10、干燥机9、外涂模具82和UV固化灯7，以使喷涂机10能在光纤的内涂层3表面喷涂周期性间隔的涂覆材料5。光纤的内涂层3表面喷涂涂覆材料5后，依次经外涂模具82涂覆外涂层4，外涂层4涂覆后经UV固化灯7固化。通过在光纤的包层2喷涂涂覆材料5，对光纤的包层2施加一定间距的应力分布来实现长周期光纤光栅的在线写制。

以上结合具体实施例描述了本申请的技术原理。这些描述只是为了解释本申请的原理，而不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。

Claims (10)

1. 一种长周期光纤光栅的制作方法，其包括：

   对光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料(5)，形成至少一组喷涂层；

   将所述涂覆材料(5)进行干燥及固化，所述涂覆材料(5)干燥后对所述光纤施加应力。
2. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，

   所述光纤的拉丝过程中，在所述光纤的包层(2)表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料(5)；

   将所述包层(2)表面的所述涂覆材料(5)干燥后，对所述光纤依次进行内涂层(3)和外涂层(4)的涂覆，然后对所述内涂层(3)和所述外涂层(4)进行固化。
3. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，

   所述光纤的拉丝过程中，在所述光纤的内涂层(3)表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料(5)；

   将所述内涂层(3)表面的所述涂覆材料(5)干燥后，对所述光纤进行外涂层(4)的涂覆，然后对所述外涂层(4)进行固化。
4. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，

   所述光纤拉丝完成后，在所述光纤的外涂层(4)表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料(5)；

   将所述外涂层(4)表面的所述涂覆材料(5)干燥后，对所述光纤进行着色，然后对着色层(6)进行固化。
5. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，所述涂覆材料(5)为油墨。
6. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，所述涂覆材料(5)喷涂的厚度H为1μm-20μm。
7. 根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，所述涂覆材料(5)喷涂为环状或点状。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的长周期光纤光栅的制作方法，其中，每组所述喷涂层内的所述涂覆材料(5)的周期Λ为1μm-1000μm，每组所述喷涂层的长度L为1mm-100mm；当所述喷涂层有多组时，相邻两组所述喷涂层间的距离D为每组所述喷涂层的长度L的0-100倍。
9. 一种长周期光纤光栅的制作装置，其包括牵引机构(12)和沿牵引方向依次设置的喷涂机(10)和干燥机(9)，所述牵引机构(12)用于牵引光纤，所述喷涂机(10)用于对所述光纤喷涂周期性间隔的涂覆材料(5)，所述干燥机(9)用于对喷涂在所述光纤上的所述涂覆材料(5)进行干燥，所述涂覆材料(5)干燥后对所述光纤施加应力。
10. 根据权利要求9所述的长周期光纤光栅的制作装置，其还包括涂覆模具(8)和UV固化灯(7)，所述涂覆模具(8)包括内涂模具(81)和外涂模具(82)；

    沿牵引方向依次设置所述喷涂机(10)、所述干燥机(9)、所述内涂模具(81)、所述外涂模具(82)和UV固化灯(7)，以使所述喷涂机(10)能在所述光纤的包层(2)表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料(5)；

    或沿牵引方向依次设置所述内涂模具(81)、所述喷涂机(10)、所述干燥机(9)、所述外涂模具(82)和UV固化灯(7)，以使所述喷涂机(10)能在所述光纤的内涂层(3)表面喷涂周期性间隔的所述涂覆材料(5)。

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