一种预应力控制光纤光栅刻写装置的制作方法

本实用新型涉及光纤光栅刻写技术领域，尤其涉及一种预应力控制光纤光栅刻写装置。

背景技术：

每个光纤光栅在恒定的温度下都具有一个特定的反射中心波长，即布拉格中心波长，因此光纤光栅具有波分复用特性，可以在单个传感通道内串联多个光纤光栅传感器同时测量而不相互影响，该特性增强了光纤光栅传感器的实际适用性。在实际应用中对光纤光栅的带宽要求和布拉格中心波长有特定的要求，在普通的光传感系统中，光纤光栅带宽范围为0.2-0.3nm，在使用中其占用光源带宽范围一般为0.5nm-2nm。在光纤传感常用的C波段内，由于其带宽有限，在对其进行波分复用的情况下，需要对每个光纤光栅所占用的带宽通道进行严格控制，因此要求每个通道内对应的光纤光栅的布拉格中心波长的数值可控，同个通道内所串联的光纤光栅的中心波长的间距相同，可增大系统的传感器容量。

现有技术光纤光栅的制作方法有，双光束全息干涉横向写入法，相位掩模板法和飞秒激光器写入法。

相位掩模法制作光纤光栅是基于相位掩模板的近场衍射所产生的空间干涉条纹在光纤纤芯中形成周期性折射率变化，从而形成光纤光栅。针对现有使用的相位掩模板的光纤光栅刻写方法中，刻写的光纤光栅的布拉格波长主要有以下因素决定：一是相位掩模板的周期常数，二是光纤折射率，三是光纤光栅刻写时作用在光纤上的预应力。其中，相位掩模板的周期常数和光纤折射率为确定的参量，施加在光纤的预应力的大小将引起刻写的光纤光栅布拉格中心波长的偏移量，在目前的生产工艺中，需要通过人工操作对光纤直接施加预应力，施加大小仅凭借经验决定，因此无法保证每次放置光纤时的拉力相同。导致现有技术方法刻写的光纤光栅的布拉格中心波长存在误差较大，并且由于误差较大使得同个通道内所串联的光纤光栅数量相应的减少，造成不必要的浪费。而通过增加拉力计和导轨模块进行拉力控制的设计则会导致整个系统相对复杂，成本较高。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提出了一种预应力控制光纤光栅刻写装置，实现同一相位掩模板刻写的光纤光栅的布拉格中心波长为固定的指定波长，在连续均匀间隔周期的相位掩模板刻写的光纤光栅保持相同的布拉格中心波长间隔。在一定宽度带宽范围的光谱内一个通道能容纳更多的光纤光栅而避免出现相互交叉影响测量的现象。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种预应力控制光纤光栅刻写装置，包括相位掩模板装置、光纤固定夹具、光纤、PC端检测系统、预应力控制装置、一分二分路器；

所述相位掩模板装置包括相位掩模板、柱透镜和紫外激光器，所述紫外激光器的紫外激光束呈垂直分布，紫外激光器通过柱透镜进行聚焦成横向线性光斑照射到相位掩模板并聚焦在光纤上。

进一步地，所述光纤固定夹具包括光纤夹具和光纤夹具压块，所述光纤夹具沿长度方向开设有V形槽；

进一步地，所述V形槽的深度小于所述光纤的直径，所述光纤铺设在V形槽内，通过所述光纤夹具上方设有光纤夹具压块将光纤固定设置在相位掩模板下方。

进一步地，所述一分二分路器一端与光纤相连，另一端分别与PC端检测系统和扫频光源相连。

进一步地，所述PC端检测系统控制刻写激光器的光源开关，进行实时检测光纤光栅刻写精度。

进一步地，所述预应力控制装置包括滑轮支撑杆、滑轮、轻弹簧、缓冲支撑座、载重；所述滑轮设置于滑轮支撑杆上方并且可沿轴心自由转动，滑轮外侧开设置有凹形槽；所述轻弹簧一端铺设在凹形槽内后延伸到外侧处于拉伸状态悬挂有可拆卸载重，另一端与滑轮支撑杆底座相连；通过滑轮支撑杆上设置的滑轮中凹形槽内铺设的轻弹簧一端悬挂的可拆卸载重逆时针带动滑轮上方的光纤夹具压块中固定的光纤沿长度方向运动通过相应掩膜板下方，进行光纤光栅刻写。

优选的，所述光纤通过两个光纤夹具和两个光纤夹具压块固定设置在相位掩模板下方的正中间位置。

优选的，所述相位掩模板装置和预应力控制装置设置固定于光学防震平台上方。

采用上述方案的有益效果是：提供一种预应力控制光纤光栅刻写装置无需采用拉力计作为预应力提供装置，在不增加额外的反馈控制电路和复杂的丝杠控制装置的情况下，可以实现控制光纤光栅刻写时光纤预应力大小的目的，保证光纤光栅刻写生产中布拉格中心波长偏移的准确性；在同一通道内连续分布的各相邻光纤光栅中心波长间隔等间距分布；可一定宽度带宽范围的光谱内一个通道能容纳更多的光纤光栅而避免出现相互交叉影响测量的现象，降低设计难度，降低成本。

附图说明

图1为一种预应力控制光纤光栅刻写装置的结构示意图；

图2为一种预应力控制光纤光栅刻写装置中预应力控制装置的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、相位掩模板装置，2、光纤固定夹具，3、光纤，4、PC端检测系统，5、预应力控制装置，6、一分二分路器，7、扫频光源，11、相位掩模板，12、柱透镜，13、紫外激光器，21、光纤夹具，22、光纤夹具压块，51、滑轮支撑杆，52、滑轮，53、轻弹簧，54、缓冲支撑座，55、载重。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1和图2所示，一种预应力控制光纤光栅刻写装置，包括相位掩模板装置1、光纤固定夹具2、光纤3、PC端检测系统4、预应力控制装置5、一分二分路器6；

相位掩模板装置1包括相位掩模板11、柱透镜12和紫外激光器13，紫外激光器13的紫外激光束呈垂直分布，紫外激光器13通过柱透镜12进行聚焦成横向线性光斑照射到相位掩模板11并聚焦在光纤3上。

光纤固定夹具2包括光纤夹具21和光纤夹具压块22，光纤夹具21沿长度方向开设有V形槽；V形槽的深度小于所述光纤3的直径，光纤铺设在V形槽内，通过光纤夹具21上方设有光纤夹具压块22将光纤3固定设置在相位掩模板11下方。

一分二分路器6一端与光纤3相连，另一端分别与PC端检测系统4和扫频光源7相连。

PC端检测系统4控制刻写激光器的光源开关，进行实时检测光纤光栅刻写精度。

预应力控制装置5包括滑轮支撑杆51、滑轮52、轻弹簧53、缓冲支撑座54、载重55；滑轮52设置于滑轮支撑杆51上方并且可沿轴心自由转动，滑轮52外侧开设置有凹形槽；所述轻弹簧53一端铺设在凹形槽内后延伸到外侧处于拉伸状态悬挂有可拆卸载重55，另一端与滑轮支撑杆底座相连；通过滑轮支撑杆上51设置的滑轮中凹形槽内铺设的轻弹簧53一端悬挂的可拆卸载重55逆时针带动滑轮上方的光纤夹具压块22中固定的光纤3沿长度方向运动通过相应掩膜板11下方，进行光纤光栅刻写。

具体地，光纤通过两个光纤夹具21和两个光纤夹具压块22固定设置在相位掩模板11下方的正中间位置。

具体地，相位掩模板装置1和预应力控制装置2设置固定于光学防震平台上方。

预应力的施加由挂载重55物的重量，轻弹簧53的拉力和光纤3的作用力共同作用产生，载重53为：

F载重＝F弹+F光纤

铺设放置光纤3前需将载重55物卸下，则滑轮52左侧由于受到拉伸的轻弹簧53的向下的拉力，滑轮凹槽部分与缓冲支持座54相互接触。此时轻弹簧53拉伸量为X，轻弹簧53的拉力F弹为：

F弹＝kX

式中，k为轻弹簧的弹性系数。

刻写光纤光栅时将经过高压载氢后的光纤3部分剥离涂覆层，把光纤3铺设固定在光纤夹具21的V形槽中，剥离涂覆层部分置于相位掩模板11正前方，同时利用光纤夹具压块22压紧光纤3。控制光纤3处于松弛状态。在滑轮53右侧挂上载重55为M，质量为m，重力系数为g，载重55mg略大于轻弹簧53的拉力F弹，故由于力的相互作用，滑轮52将向顺时针方向转动，由于光纤3为刚性材料，其弹性系数较小。光纤3又不受力至紧绷状态时光纤伸长量△x值可忽略不计。当滑轮52右侧挂上合适的载重55时，预应力控制装置5对光纤3的受力如图2所示。

滑轮52相对于其滑轮中心自由转动，所受摩擦力可忽略不计。光纤夹具压块22压紧光纤3后，光纤3置于光纤夹具21和光纤夹具压块22中间无法滑动。滑轮52与缓冲支撑座54不接触，不产生相互作用力，由此滑轮52在该状态下所受的力为：光纤3的载重55的拉力F载重和轻弹簧53的拉力F弹为：

F载重＝F弹+F光纤

其中，轻弹簧53拉力F弹为：

F弹＝k(X+△x)

式中，△x为加上载重后轻弹簧53的拉伸变化量，轻弹簧拉的伸量变化等于光纤3由松弛到紧绷状态的伸长变化量。由于光纤3为刚性材料，其弹性系数较小。光纤3由不受力至紧绷状态时光纤3伸长变化量△x值较小，通过合理选择载重55的重量可忽略弹簧伸长量△x,同时选取的轻弹簧53的弹性系数k值较小，此时F弹为：

F弹＝k(X+△x)≈kX

根据公式计算可得：

F预应力＝F光纤＝F载重-F弹＝mg-kX

合理选择载重55的重量可以改变作用在光纤3上的预应力的大小，当载重55的重量不变时，即可保证每次光纤光栅刻写时作用在光纤3上的预应力的大小不变，消除因人工操作对光纤3施加预应力大小不确定的差异，采用上述方案控制同一相位掩模板11刻写出的光纤光栅的布拉格中心波长偏移值相同，进而实现控制光纤光栅的布拉格中心波长的作用。在连续均匀间隔周期的相位掩模板11刻写的光纤光栅保持相同的布拉格中心波长间隔。在一定宽度带宽范围的光谱内一个通道能容纳更多的光纤光栅而避免出现相互交叉影响测量的现象。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。