一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法與流程
2023-10-09 16:44:44
本發明屬於光纖通信和光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法。
背景技術：
光纖光柵是通過一定的方法在光纖纖芯形成永久性折射率周期性變化的光纖器件。長周期光纖光柵因其插入損耗低、背向反射小，其傳輸特性對溫度、應變、環境折射率等多種因素變化都比較敏感的優點，廣泛應用於通信和光纖傳感領域。
中空雙芯光纖是由纖芯、環形包層和空氣腔構成。空氣腔位於環形包層中間，纖芯位於包層空氣腔內，融嵌在環形包層內壁上。對這種結構光纖的概念早在1976年已被提出(美國專利NO.3950073)。
目前主要的長周期光纖光柵寫入方法有紫外雷射的振幅掩模法和雷射脈衝逐點寫入法。
中國專利(CN101825740，CN 101776780)是利用248nm的紫外雷射，在通過一塊振幅掩模板後照射到載氫的光纖或摻鍺光纖上，從而永久改變纖芯折射率，製成長周期光纖光柵。這種方法具有較大的靈活性，對光柵的折射率調製結構可以任意進行設計製作，但其缺點是不能批量生產。用這種方法製作光柵時，採用具有光敏性的摻鍺石英光纖，形成的光柵熱穩定性差。使用載氫的光纖，寫入光柵後必須進行退火以消除光柵中的不穩定成分，因此這樣製作的光柵成本高但效率低。
中國專利(CN101840019，CN03111552.7)採用10.6μm的CO2雷射脈衝逐點寫入長周期光纖光柵的方法，這種方法的優點是靈活性高，使用普通光纖，不必載氫，不用掩模板，周期容易控制，對光源相干性沒有要求。缺點是CO2雷射脈衝需要與纖芯精確對準，並且需要精確的運動控制機構，對於雙芯光纖需要多次對準操作，操作繁瑣，效率不高。
中國研究人員採用聚焦光斑直徑50μm的CO2雷射脈衝寫入長周期光纖光柵，所用到的同樣為中空雙芯光纖。缺點是需要對準雷射的出射位置，CO2雷射脈衝的聚焦平面需與雙芯組成的平面精確垂直，同時需要對光纖旋轉角度的精準控制，操作繁瑣，結構複雜(Tingting Yuan,Xing Zhong,Chunying Guan,*Jianan Fu,Jing Yang,Jinhui Shi,and Libo Yuan,Long period fiber grating in two-core hollow eccentric fiber,Optics Express,Vol.23,No.26)。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法。
本發明的目的是這樣實現的：
一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法，包括如下步驟：
(1)將一段待寫入光柵的中空雙芯光纖塗覆層去除，並用光纖夾具固定；
(2)向中空雙芯光纖內部充氣或者抽氣，使光纖內部氣壓大於或小於外界氣壓；
(3)利用加熱元件加熱2s，使光纖向外膨脹或向內塌縮；
(4)控制位移平臺將光纖向同一方向移動1mm，重新給光纖加熱，加熱時間均為2s；
(5)重複步驟(3)、(4)獲得周期性結構，實現長周期光纖光柵的寫入。
所述的中空雙芯光纖由兩個光纖芯、環形包層和空氣腔構成；環形包層中間為空氣腔，兩個光纖芯位於包層空氣腔中，融嵌於環形包層內壁並且呈對稱分布。
所述的中空雙芯光纖內部充氣，給光纖加熱，得到的是凸出型結構的長周期光纖光柵。
所述的向中空雙芯光纖內部抽氣，給光纖加熱，光纖受熱塌縮，得到的是凹陷型結構的長周期光纖光柵。
本發明的有益效果在於：
本發明操作方式容易實現，只需要控制加熱時間、功率及光纖前後移動距離。成柵裝置結構簡單，且僅有充氣(抽氣)、加熱和水平前後移動光纖三個操作步驟，因此避免了以往寫柵方法的雷射脈衝與光纖精確對準操作繁瑣的問題。
附圖說明
圖1雙芯中空光纖橫截面結構示意圖。
圖2雙M型加熱元件結構示意圖。
圖3(a)雙芯中空光纖由於熱膨脹產生形變圖。
圖3(b)雙芯中空光纖由於熱塌縮產生形變圖。
圖4中空雙芯長周期光纖光柵的寫入裝置示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做更詳細描述：
本發明提供一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法。(1)將一段待寫入光柵的中空雙芯光纖塗覆層去除，並用光纖夾具固定；(2)向中空雙芯光纖內部充氣(抽氣)使光纖內部氣壓大於(小於)外界氣壓；(3)利用加熱元件加熱2s，使光纖向外膨脹(向內塌縮)；(4)控制位移平臺將光纖向同一方向移動1mm，重新給光纖加熱，加熱時間均為2s；(5)重複步驟(3)、(4)獲得周期性結構，實現長周期光纖光柵的寫入。
本發明所述一種基於熱變形方式的中空雙芯長周期光纖光柵寫入方法的操作步驟如下：(1)將一段待寫入光柵的中空雙芯光纖塗覆層去除，並用光纖夾具固定；(2)向中空雙芯光纖內部充氣(抽氣)使光纖內部氣壓大於(小於)外界氣壓；(3)利用加熱元件加熱2s，使光纖向外膨脹(向內塌縮)；(4)控制位移平臺將光纖向同一方向移動1mm，重新給光纖加熱，加熱時間均為2s；(5)重複步驟(3)、(4)獲得周期性結構，實現長周期光纖光柵的寫入。
所述的中空雙芯光纖有多個光纖芯、環形包層和空氣腔構成；環形包層中間為空氣腔，光纖芯位於包層空氣腔中，融嵌於環形包層內壁並且呈對稱分布。
所述電發熱元件為雙M型，具有對稱結構，發熱區分別與光纖芯徑向對應，在加載不同的電流時，光纖芯所處溫度場不同，因而光纖芯產生的形變不同，從而得到多個參數不同的光纖光柵。
向光纖內充入氣體然後打開加熱元件，光纖受熱膨脹，從光纖中抽氣然後打開加熱元件，光纖受熱塌縮，可以得到兩種結構不同的長周期光纖光柵。
圖1為雙芯中空光纖橫截面結構示意圖，其中1為懸掛芯；2為環形包層；3為空氣腔。
圖2為雙M型加熱元件結構示意圖。M1、M2為一對具有對稱結構的發熱元件，其材料為高溫石墨，四個腳為電極引腳，中間環形區域為加熱區。通過控制加載的電流大小來控制發熱區溫度。當M1、M2加載不同的電流時，光纖芯所處溫度場不同，因而光纖芯產生的形變不同，從而得到參數不同的光纖光柵。
圖3(a)為向雙芯中空光纖中充氣時膨脹產生的形變；圖3(b)為向雙芯中空光纖中抽氣時塌縮產生的形變。長周期光纖光柵是由多個上述結構周期性排列構成。
圖4為中空雙芯長周期光纖光柵的寫入裝置示意圖。其中4為充氣(抽氣)裝置，5為中空雙芯光纖，6為微動臺，能夠水平移動，7為加熱裝置，8光纖卡具。