一種多功能光纖微結構連續刻寫裝置及方法與流程

2023-05-30 19:33:21 2

本發明涉及光纖傳感系統中光纖光柵的製備，具體地指一種多功能光纖微結構連續刻寫裝置及方法。

背景技術：

光纖光柵是利用光纖的光敏性通過紫外曝光或者飛秒雷射在光纖的纖芯中形成的周期性折射率調製結構，其憑藉自身抗電磁幹擾、質輕、體積小、化學性質穩定以及電絕緣等優點得到了廣泛的研究。各種不同結構的光纖光柵擁有很多獨特的性能，使其成為一種在光纖通訊、光纖傳感等領域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。

1993年K.O.HiLL等人提出了相位掩模法製作光纖光柵，自此光纖光柵的生產開始步入商業化時代。相位掩模法製作光纖光柵是基於相位掩模板的近場衍射所產生的空間幹涉條紋在光纖纖芯中形成周期性折射率變化，從而形成光纖光柵。現有常規的相位掩模法生產光纖光柵時，每刻寫完一段光柵，需要控制雷射束關閉，再將刻寫完成的光纖光柵從光纖夾持器上取下來，然後再拿取下一根光纖開啟雷射刻寫，如此重複循環，實現光纖光柵的批量生產。由於在光柵刻寫前後，需要人工不停的在光纖夾具上固定和取下光纖，同時人工裝取過程中需要長時間停頓使得雷射器的雷射束在此時間內的能量不能有效利用，所以生產效率低下，使得光纖光柵的製造成本較高。

近年來在航空航天領域、土木工程領域、機械在線監測領域這些應用場合，對分布式光纖傳感的容量以及空間解析度要求逐步提高，使得光纖光柵的需求量以及刻寫要求日益倍增。傳統的分布式光纖傳感器的製備方法是先在單根光纖上刻寫好光纖光柵，然後將這些光纖串聯熔接成一根分布式的光纖傳感線路。但是該種方法不僅生產效率低，難以實現大容量、傳感單元密集的分布式光纖傳感器，此外光纖串聯熔接的工藝會因為調芯裝置的精度限制導致不可避免的附加損耗並影響到光信號的質量。同時熔接部分比較脆弱，需要塗覆或者使用熱縮套管，降低光纖的可繞性以及系統的可靠性。

連續刻寫裝置可以在單根光纖上刻寫出分布式的光纖光柵陣列，可以有效解決上述問題，並且大幅提高生產效率，降低成本。常見的連續刻寫裝置刻寫包括在恆定速度運動的裸纖上動態在線寫入光纖光柵並完成保護層塗覆和先剝除普通光纖的塗覆層然後動態在線寫入光纖光柵最後重塗覆的兩種刻寫方案。但是這兩種方案會使裸纖長時間與空氣接觸，其表面易吸附水蒸氣與細小懸浮顆粒，將會影響到光纖的機械強度與光學性能的長期穩定性。同時這兩種方案對光纖的移動速度難以精確控制，光纖的位置與方向無法調整，一般只用來刻寫均勻光柵及均勻光柵陣列，無法實現多功能的各種不同結構的光纖光柵的刻寫。

技術實現要素：

本發明的目的是針對傳統光纖光柵刻寫裝置與方法存在的諸多技術難點，以及傳統在線方案刻寫的光纖光柵可靠性差，難以刻寫多種不同結構的光纖光柵等問題提出的一種多功能光纖微結構連續刻寫裝置及方法，使得光纖微結構的生產效率成倍提高，降低製造多種光纖微結構的成本，本發明中光纖微結構是指在光纖中用雷射刻寫出的微小的結構，包括任意結構的光柵以及任意結構光柵的各種組合。

本發明為實現上述目的，本發明提供了一種多功能光纖微結構連續刻寫裝置，包括：

放纖模塊，用於存儲光纖，並以由所刻寫光纖微結構類型而確定的速度放出光纖；

光纖清洗模塊，用於對放纖模塊放出的光纖進行清洗並放出清潔光纖；

光纖調節模塊，用於調節光纖清洗模塊放出的位於刻寫區域的清潔光纖的位置與傾斜角度，以保證脈衝幹涉雷射方向與位於刻寫區域清潔光纖行進方向垂直，並放出刻寫微結構的光纖；

雷射發生模塊，與光纖調節模塊相對放置，用於發射脈衝幹涉雷射，且脈衝幹涉雷射用於刻寫光纖微結構，脈衝幹涉雷射的周期與光纖的行進速度的乘積為所需刻寫光纖微結構柵格間隔的整數倍；

收纖模塊，用於以由所刻寫光纖微結構的類型而確定的速度收納由光纖調節模塊放出的刻有微結構的光纖；

根據所刻寫光纖微結構類型調整放纖模塊放出光纖的速度與收纖模塊收回光纖速度改變光纖行進速度，同時根據所刻寫光纖微結構類型和光纖的行進速度改變雷射發生模塊發射脈衝幹涉雷射的起止時間，實現在位於刻寫區域的清潔光纖上刻寫所需的光纖微結構。

放纖模塊以由所刻寫光纖微結構的類型而確定的速度放出光纖，光纖經過光纖清洗模塊清洗，去除附著的雜質，並由光纖調整模塊調整光纖的刻寫區域與脈衝幹涉雷射的位置和傾斜角度，保證脈衝幹涉雷射方向與光纖行進模塊方向垂直，雷射發生模塊發射脈衝幹涉雷射，在光纖上刻寫微結構，刻有微結構的光纖由收纖模塊收納，在微結構刻寫過程中放纖模塊和收纖模塊同步轉動可以實現單根光纖上連續刻寫數量大且密集光纖微結構陣列，通過對放纖模塊和收纖模塊轉速的控制精確控制光纖的移動步進和移動速度，以滿足在刻制不同光纖微結構時對光纖與脈衝幹涉雷射相對速度需求，通過改變發射脈衝幹涉雷射時間和停止發射脈衝幹涉雷射的時間，實現在光纖上連續刻寫任意所需的光纖微結構。

進一步地，還包括第一應力控制模塊，用於壓緊或放鬆位於放纖模塊和光纖清洗模塊之間的光纖；

第二應力控制模塊，用於壓緊或放鬆位於光纖調節模塊和收纖模塊之間的光纖。

第一應力控制模塊和第二應力控制模塊共同調節光纖中的應力，在光纖微結構刻寫過程中可通過改變光纖中的應力實現所刻寫的光纖微結構中心波長的微調。

進一步地，還包括隔震光學平臺，光纖調節模塊置於隔震光學平臺上，用於保證刻寫區域的光纖的穩定性，提高所刻寫光纖微結構的準確度。

進一步地，光纖調節模塊左過渡輪組和右過渡輪組，左過渡輪組和右過渡輪組相對布置，左過渡輪組和右過渡輪組可相對獨立上下移動，

左過渡輪組，用於纏繞由光纖清洗模塊放出的清潔光纖並放出進入刻寫區域的清潔光纖；

右過渡輪組，用於纏繞由刻寫區域放出的刻有微結構的光纖並放出進入收纖模塊的刻有微結構的光纖；

通過上下調整左過渡輪組和右過渡輪組改變左過渡輪組與右過渡輪組的位置關係，實現調節位於刻寫區域的清潔光纖的位置和傾斜角度。

通過調節左過渡輪組與右過渡輪組的上下位置關係，可以調節位於左過渡輪組與右過渡輪組之間光纖的傾斜角度和位置，使光纖的行進方向與光纖刻寫模塊輸出的脈衝幹涉雷射垂直，同時可以讓光纖刻寫模塊輸出的脈衝幹涉雷射的焦點位於光纖上，提高所刻寫光纖微結構的質量。

進一步地，光纖類型為塗覆層紫外透明的光纖或者無塗覆層的光纖。採用該類型光纖無需剝除光纖塗覆層，保障光纖的機械強度和系統穩定性，同時便於放纖模塊與收纖模塊對光纖行進速度的調整，提高光纖微結構刻寫質量。

進一步地，雷射發生模塊包括：

紫外雷射器，用於提供連續雷射束；

聲光調製器，其輸入端與紫外雷射器輸出端連接，用於將連續雷射束調製為脈衝雷射束；

變跡幅度模板，用於改變由聲光調製器輸出的脈衝雷射束光強分布來對光纖微結構進行切趾，輸出第一脈衝雷射；

聚焦透鏡，用於控制由變跡幅度模塊輸出的第一脈衝雷射的光斑尺寸，輸出第二脈衝雷射；

相位掩模板，用於讓由聚焦透鏡輸出的第二脈衝雷射形成脈衝幹涉雷射。

紫外雷射器發出的連續雷射束，經過聲光調製器調製為脈衝雷射束，通過邊跡幅度模板改變脈衝雷射束的光強分布實現對光纖微結構進行切趾，在通過聚焦透鏡將由變跡幅度模板輸出的第一脈衝雷射聚焦，輸出第二脈衝雷射，由相位掩模板讓第二脈衝雷射形成脈衝幹涉雷射，通過更換變跡幅度模板可實現多種變跡光柵的刻寫，通過更換相位掩模板可以實現不同中心波長的光纖微結構刻寫。

進一步地，相位掩模板包括相位掩模板基座和相位掩模面板，相位掩模面板安裝於相位掩模板基座上，且相位掩模面板可以相對於相位掩模板基座旋轉，相位掩模板基座用於支撐相位掩模面板，相位掩模面板讓第二脈衝雷射形成脈衝幹涉雷射，可以以掩模板面板所在平面的法線方向為軸旋轉來實現傾斜光柵的刻寫。

作為本發明的另一方面，本發明提供了一種採用多功能光纖微結構連續刻寫裝置的多功能光纖微結構連續刻寫方法，包括：

(1)通過同步調整放纖模塊和收纖模塊讓光纖以由所刻寫光纖微結構的類型而確定的速度行進，光纖進入光纖清洗模塊清洗後放出清潔光纖；

(2)當清潔光纖行進至刻寫區域時，通過光纖調整模塊調整位於刻寫區域的清潔光纖的位置和傾斜角度，使光纖行進方向與脈衝幹涉雷射方向垂直；

由雷射發生模塊間斷的發出脈衝幹涉雷射，脈衝幹涉雷射在位於刻寫區域的清潔光纖上刻寫光纖微結構，脈衝幹涉雷射的發射時間和停止時間根據所刻寫的光纖微結構結構確定；

(3)判斷是否所有光纖微結構已經刻寫完成，若是，則終止，否則，待清潔光纖行進至刻寫區域後，進入步驟(2)；

脈衝幹涉雷射的周期與光纖的行進速度為所需刻寫光纖微結構柵格間隔的整數倍。

本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫方法，通過讓脈衝幹涉雷射固定，讓光纖相對脈衝幹涉雷射移動，可以實現單根光纖上的光纖微結構的刻寫。通過調整位於刻寫區域的光纖與雷射發生模塊發出的脈衝幹涉雷射的位置，可以提高所刻寫光纖微結構的質量，通過調整放纖模塊和收纖模塊調節光纖的行進速度，同時調整脈衝幹涉雷射的發射起始時間和終止時間，可以實現不同光纖微結構刻寫。

進一步地，在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時調整放纖模塊與收纖模塊讓光纖勻速行進實現均勻光柵的刻寫，或通過在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時調整放纖模塊與收纖模塊讓光纖均勻加速行進可以實現啁啾光柵的刻寫。

進一步地，在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時短暫暫停脈衝幹涉雷射可以實現相移光柵和超結構光柵的刻寫。

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置，可在單根光纖上連續刻寫光纖微結構，整根光纖無熔點也無需剝除塗覆層，機械強度高；

2、本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置，通過固定脈衝幹涉雷射光源移而移動光纖，讓光纖與脈衝幹涉雷射相對移動，光纖調節模塊單獨固定在隔震光學平臺上，刻寫區域的穩定性高，可以實現超長光柵的刻寫；

3、本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置，光纖的移動速度可精確控制，光纖光柵的間隔以及長度可根據實際需求方便地進行調整，能夠製備均勻光柵，啁啾光柵等。同時光纖光柵的最小間隔可控制在5μm，能夠製備相移光柵，超結構光柵以及密集光纖光柵陣列等。

4、本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置，人工操作減少，生產過程實現連續刻寫，並且一套設備可刻寫多種光纖微結構，極大的降低了光纖微結構的製作成本。

附圖說明

圖1為本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置的結構圖，圖中：1—放纖輪，2—光纖清洗模塊，201—第一過渡輪，202—光纖清洗單元，203—第二過渡輪，3—光纖調節模塊，301—第三過渡輪，302—第四過渡輪，303—第五過渡輪，304—第六過渡輪，4—雷射發生模塊，5—收纖輪；6—第一應力控制輪，7—第二應力控制輪，8—隔震光學平臺，10—位於刻寫區域的光纖；

圖2為本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置中雷射發生模塊的示意圖，圖中：401-紫外雷射器，402-聲光調製器，403-變跡幅度模板，404-聚焦透鏡，405-相位掩模板；

圖3為普通掩模板刻寫傾斜光柵示意圖，圖中：4051-相位掩模面板，9-光纖；

圖4為採用本發明提供的多功能光纖微結構在紫外塗覆層透明光纖上刻寫的光纖微結構的反射光譜。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明提供的一種多功能光纖微結構連續刻寫裝置，該裝置包括放纖模塊，用於存儲光纖，並以一定速度放出光纖，光纖的行進速度根據所需刻寫微結構的類型確定，光纖首先進入第一應力控制模塊，並從第一應力模塊放出，然後進入光纖清洗模塊，經由光纖清洗模塊清洗後放出清潔光纖，清潔光纖進入光纖調節模塊，雷射發生模塊與光纖調節模塊相對放置，光纖調節模塊位於隔震光學平臺，光纖調劑模塊調整清潔光纖的位置與傾斜角度，使清潔光纖與雷射發生模塊輸出的脈衝幹涉雷射垂直，雷射發生模塊發射脈衝幹涉雷射，在位於刻寫區域的光纖上刻寫光纖微結構，隔震光學平臺實現在刻寫過程中保證位於刻寫區域的光纖的穩定性，刻寫有光纖微結構的光纖進入第二應力控制模塊，並由第二應力控制模塊放出，進入收纖模塊，收纖模塊以與光纖行進速度相同的速度收納刻有光纖微結構的光纖，放纖模塊放出光纖的速度與收纖模塊收納光纖的速度相同，保證在放纖模塊與收纖模塊之間的光纖為繃直狀態。通過讓光纖與脈衝幹涉雷射相對移動，實現在線連續刻寫光纖微結構。通過精確地控制放纖模塊放出光纖的速度，可以實現精確的控制光纖的行進速度，根據所刻寫光纖微結構類型和光纖行進速度，確定雷射發生模塊發射雷射的起止時刻，實現對不同結構光纖微結構的刻寫。通過在光纖微結構刻寫時保持光纖勻速移動可以實現均勻光柵的刻寫，通過在光纖微結構刻寫時保持光纖均勻加速可以實現啁啾光柵的刻寫，通過在光纖微結構刻寫時短暫暫停雷射可以實現相移光柵和超結構光柵的刻寫，暫停時間根據光纖微結構類型確定。由於光纖調節模塊位於隔震光學平臺上，在光纖微結構刻寫過程中，能夠提高刻寫區域的穩定性，實現長周期光柵以及超長光柵或光柵陣列的刻寫。通過共同調整第一應力控制模塊，使得位於放纖模塊和光纖清洗模塊之間的光纖壓緊或放鬆，通過調整第二應力控制模塊，使得位於收纖模塊和光纖調整模塊之間的光纖壓緊或放鬆，實現對光纖中應力的調整，在光纖微結構刻寫過程中可通過改變光纖中的應力實現所刻寫的光纖微結構中心波長的微調。

如圖1所示，本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置的實施例中，放纖模塊為繞有待刻寫光纖的放纖輪1，第一應力控制模塊為第一應力控制輪6，由放纖輪1放出的光纖經過第一應力控制輪6進入清洗模塊2，光纖清洗模塊2包括第一過渡輪201，光纖清洗單元202，第二過渡輪203，光纖經由第一過渡輪201進入光纖清洗單元202並由第二過渡輪203放出，光纖清洗單元202用於在光纖進入刻寫區域前，使用無水乙醇對光纖表面進行清潔，去除附著的雜質保障刻寫的光纖微結構的質量，第一過渡輪201和第二過渡輪203用於調節光纖走向使其順利通過光纖清洗單元202。光纖調節模塊3包括左過渡輪組和右過渡輪組，左過渡輪組包括第三過渡輪301和第四過渡輪302，右過渡輪組包括第五過渡輪303和第六過渡輪304，左過渡輪組和右過渡輪組固定在隔震光學平臺8上並且可相對獨立的上下移動，用於調節刻寫區域的光纖的位置與傾角，保障由雷射發生模塊4輸出的脈衝幹涉雷射方向與光纖行進方向垂直。由雷射發生模塊4發出的脈衝幹涉雷射在位於刻寫區域的光纖10上刻寫光纖微結構，第二應力控制模塊為第二應力控制輪7，收纖模塊為收纖輪5，刻寫有光纖微結構的光纖經由第二應力控制輪7進入收纖輪，放纖輪1與收纖輪5兩者構成一個光纖收放系統，放纖輪和收纖輪的最大線速度為20cm/s，步進為5μm，通過調整第一應力控制輪6和第二應力控制輪7在光纖微結構刻寫過程中可通過改變光纖中的應力實現所刻寫的光纖微結構中心波長的微調。

如圖2所示，本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置的實施例中，光纖類型為塗覆層紫外透明的光纖或者無塗覆層的光纖，採用該類型光纖可以採用紫外雷射刻寫雷射無需剝除光纖塗覆層，保障光纖的機械強度和系統穩定性，同時便於放纖模塊與收纖模塊對光纖行進速度的調整，提高光柵刻寫質量。雷射發生模塊4包括紫外雷射器401，作為刻寫光纖微結構的光源為248nm準分子雷射器；由紫外雷射器401輸出的雷射進入聲光調製器402，聲光調製器402將雷射調製為脈衝雷射，且需要保證脈衝周期乘以光纖移動速度為所需刻寫光纖微結構柵格間距的整數倍，由聲光調製器402輸出的脈衝雷射射入變跡幅度模板403，變跡幅度模板403用於調製脈衝雷射的光斑強度分布來對光纖微結構進行切趾，通過更換變跡幅度模板可實現多種變跡光柵的刻寫；經過聲光調製器402第一脈衝雷射進入聚焦透鏡404，聚焦透鏡404用於控制變光強分布的脈衝雷射的光斑尺寸，輸出第二脈衝雷射；第二脈衝雷射進入相位掩模板405，相位掩模板405用於形成空間幹涉光來刻寫光纖微結構，通過更換掩模板可以實現不同中心波長的光纖微結構刻寫，相位掩模板包括相位掩模板基座和相位掩模面板，相位掩模面板安裝於相位掩模板基座上，且相位掩模面板可以相對於相位掩模板基座旋轉，相位掩模面板讓第二脈衝雷射形成脈衝幹涉雷射，可以以掩模板面板所在平面的法線方向為軸旋轉來實現傾斜光柵的刻寫。

結合上述實施例中的裝置，本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫的裝置的具體操作及原理為：

使用塗覆層對248nm雷射透明的光纖，通過計算機控制放纖輪1和收纖輪5同步轉動，確保光纖收放纖同步，光纖依次經過第一應力控制輪6，第一過渡輪201，光纖清洗單元202，第二過渡輪203，第三過渡輪301，第四過渡輪302，第五過渡輪303，第六過渡輪304，第二應力控制輪7，最後存儲在收纖輪5中；整個過程中通過調節應力控制輪6和7使光纖中保持固定的應力使光纖繃直。

光纖微結構刻寫時，首先通過光纖調節模塊中的固定在左邊平臺的過渡輪106和107以及固定在右邊平臺的過渡輪108和109調節光纖的位置，使雷射聚焦點照射在光纖纖芯中，並使雷射方向與光纖行進方向垂直；如果需要刻寫傾斜光柵，則需要調節掩模板基座的傾角，如圖3所示；然後通過放纖輪1和收纖5同步轉動精確控制光纖的移動步進和移動速度，並使光纖經過光纖清洗模塊2，對光纖表面進行清潔；接著開啟紫外雷射器401，雷射通過幅度變跡模板402進行強度調製，更換不同的幅度變跡模板可實現不同的強度調製獲得不同的光纖微結構切趾效果；最後雷射通過聚焦透鏡404和相位掩模板405照射在移動的光纖上進行連續刻寫光纖微結構；當所需的一段光纖微結構刻寫完成後，暫停雷射，待下一段待刻寫光纖移動至光斑處，開啟雷射繼續刻寫光纖微結構，可以實現單根光纖上的光纖微結構的刻寫。

作為本發明的另一方面，本發明提供了一種採用多功能光纖微結構連續刻寫裝置的多功能光纖微結構連續刻寫方法，包括：

(1)通過同步調整放纖模塊和收纖模塊讓光纖以由所刻寫光纖微結構的類型而確定的速度行進，光纖進入光纖清洗模塊清洗後放出清潔光纖；

(2)當清潔光纖行進至刻寫區域時，通過光纖調整模塊調整位於刻寫區域的清潔光纖的位置和傾角，使光纖行進方向與脈衝幹涉雷射方向垂直；

由雷射發生模塊間斷的發出脈衝幹涉雷射，脈衝幹涉雷射在位於刻寫區域的清潔光纖上刻寫光纖微結構，脈衝幹涉雷射的發射時間和停止時間根據所刻寫的光纖微結構確定；

(3)判斷是否所有光纖微結構已經刻寫完成，若是，則終止，否則，待清潔光纖行進至刻寫區域後，進入步驟(2)；

脈衝幹涉雷射的周期與光纖的行進速度為所需刻寫光纖微結構中柵格周期的整數倍。

在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時調整放纖模塊與收纖模塊讓光纖勻速行進實現均勻光柵的刻寫，或通過在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時調整放纖模塊與收纖模塊讓光纖均勻加速行進可以實現啁啾光柵的刻寫。在脈衝幹涉雷射在光纖上刻寫光纖微結構時短暫暫停脈衝幹涉雷射可以實現相移光柵和超結構光柵的刻寫。

本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫方法，通過讓脈衝幹涉雷射固定，讓光纖相對脈衝幹涉雷射移動，可以實現單根光纖上光纖微結構的刻寫，通過調整位於刻寫區域的光纖與雷射發生模塊發出的脈衝幹涉雷射的位置，可以提高所刻寫光纖微結構的質量，通過調整放纖模塊和收纖模塊調節光纖的行進速度，同時調整脈衝幹涉雷射的發射起始時間和終止時間，可以實現不同光纖微結構刻寫。

圖4為採用本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置在紫外塗覆層透明光纖上刻寫的光纖微結構的反射光譜，位於中心波長的反射光強度最高，採用本發明提供的多功能光纖微結構連續刻寫裝置而刻寫的光纖微結構可靠性高。

最後所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。