一种光纤光栅元件、电控光纤光栅系统及制备系统的制作方法

本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及一种光纤光栅元件、电控光纤光栅系统及制备系统。

背景技术：

光纤光栅因具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。现有的光纤光栅制备方法主要有co2激光刻蚀法、电弧放电法、hf湿法刻蚀、周期性形变、振幅掩膜法和飞秒激光直写法等。作为说明，其中比较典型加工方式如下：

co2激光刻蚀法：单个激光脉冲通过聚焦镜并照射在光纤上，并且在光纤上架设成像系统来观察光栅刻写过程中光线是否发生形变光栅通过单侧的激光逐点写入，利用开关来控制激光的通断，在一个位置照射后通过轴向移动光纤位置来进行下一个栅区的刻写。此项写制技术优势明显，无需对光纤进行增敏，可以通过电脑方便的控制激光运动轨迹，但是存在一定缺陷，刻写过程中通过电脑操作激光的通断以及光纤的位移，很难保证聚焦激光光斑和光纤每次对准的精确度，不利于光栅刻写的稳定性和一致性。

振幅掩膜法：此种方法的关键在于振幅掩模版，当紫外光透过振幅掩模版对光纤进行横向曝光后，可以诱导光纤内部出现周期性的折射率改变，制成长周期光栅结构。由于长周期性的光纤光栅的周期较大，可以保证掩模版的制作精度，因此容易获得一致性高的符合光谱需求的光栅，故此种方法一直沿用下来并处于制备工艺的主流位置。但是这种方法也存在不少弊端，首先必须采用光敏光纤，而且制成的成品在高温下不稳定，必须对lpg采用退火处理来保证它在高温下能被使用，又因其次振幅掩模版的周期固定，没办法根据需求来灵活的调整周期长度，大大增加了制备成本。

飞秒激光直写法：用物镜聚焦后的飞秒激光焦点入射到掺锗的光纤纤芯中，被激光照射到的区域折射率会增大，同时平行移动光纤，就会在玻璃内部形成周期性的波导结构。利用飞秒激光直接刻写光纤光栅，可以不需要相位（振幅）掩模板，只需通过控制光斑焦点在光纤纤芯上的相对位置，即可制备任意类型的光纤光栅，但是用于制备长周期性的光纤光栅过程十分复杂，且难以操作，成本大。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤光栅元件、电控光纤光栅系统及制备系统，无需使用昂贵的仪器设备，极大地节约了设备成本，简化了制备工艺，光纤光栅元件只有放入交变磁场中才会被加热，安全系数大大提高，光纤光栅的写制光谱可实时调制，良品率更高，制备时间可控，有利于实现批量化生产，且可对光纤光栅元件回收重复利用以制备不同的光纤光栅。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种光纤光栅元件，包括光纤和电磁感应材料层，所述电磁感应材料层制备覆盖在所述光纤沿轴向分布的法位光栅调制区上。

一种电控光纤光栅系统，包括上述的光纤光栅元件和磁场发生装置，所述磁场发生装置用于产生与所述电磁感应材料层相作用的交变磁场，使所述电磁感应材料层发热进而对所述光纤光栅元件的法位光栅调制区进行加热，以改变所述法位光栅调制区的折射率，形成光纤光栅。

进一步地，还包括输入接头和输出接头，所述输入接头设于所述光纤光栅元件的一端，所述输出接头设于所述光纤光栅元件的另一端，或者，所述输入接头和输出接头设于所述光纤光栅元件的同一端。

进一步地，还包括耦合装置，所述输入接头和输出接头通过所述耦合装置连接于所述光纤光栅元件的同一端。

进一步地，所述磁场发生装置包括磁场发射器和电源控制模块，所述电源控制模块与所述磁场发射器电性连接，以向所述磁场发射器输出交变电流，进而使所述磁场发射器产生所述交变磁场。

进一步地，所述磁场发射器包括一电磁线圈，沿轴向环绕在所述光纤光栅元件外。

一种电控光纤光栅的制备系统，包括上述的电控光纤光栅系统以及

光源发生装置，用于向所述光纤光栅元件内耦合进检测光束；

光谱检测装置，用于接收从所述光纤光栅元件内透射或反射出来的光束，得到所述光纤光栅的实时写制光谱。

进一步地，所述光源发生装置连接于所述光纤光栅元件的一端，所述光谱检测装置连接于所述光纤光栅元件的另一端，或者，所述光源发生装置和光谱检测装置连接于所述光纤光栅元件的同一端。

进一步地，还包括耦合装置，所述光源发生装置和光谱检测装置通过所述耦合装置连接于所述光纤光栅元件的同一端。

进一步地，还包括：

处理控制主机，连接于所述光谱检测装置和磁场发生装置之间，用于根据所述光谱检测装置得到的实时写制光谱自动对所述磁场发生装置进行控制，以自动将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱。

本发明具有如下有益效果：该光纤光栅元件、电控光纤光栅系统及制备系统以不同分布规律的电磁感应材料层进行电磁感应，即可制备出不同的光纤光栅，无需使用昂贵的仪器设备，极大地节约了设备成本，简化了制备工艺，光纤光栅元件只有放入交变磁场中才会被加热，安全系数大大提高，光纤光栅的写制光谱可实时调制，良品率更高，制备时间可控，有利于实现批量化生产，且可回收重复利用。

附图说明

图1为本发明提供的电控光纤光栅的制备方法的步骤框图；

图2为本发明提供的长周期性的光纤光栅的光纤光栅元件的示意图；

图3为图2所示的长周期性的光纤光栅的透射光谱图；

图4为本发明提供的短周期性的光纤光栅的光纤光栅元件的示意图；

图5为图4所示的短周期性的光纤光栅的反射光谱图；

图6为本发明提供的非周期性光纤光栅的光纤光栅元件的示意图；

图7为图6所示的非周期性光纤光栅的反射光谱图；

图8为本发明提供的电控光纤光栅的制备系统的示意图；

图9为本发明提供的电控光纤光栅的另一制备系统的示意图；

图10为本发明提供的电控光纤光栅的预处理方法的步骤框图；

图11为图10所示的电控光纤光栅的预处理方法中步骤s1.2的步骤框图；

图12为图10所示的电控光纤光栅的预处理方法中另一步骤s1.2的步骤框图；

图13为图10所示的电控光纤光栅的预处理方法中又一步骤s1.2的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例一

如图1、2、4和6所示，一种电控光纤光栅的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：对光纤11进行预处理，以在所述光纤11沿轴向分布的法位光栅调制区上制作覆盖一电磁感应材料层12，形成光纤光栅元件1。

在该步骤s1中，所述电磁感应材料层12可以采用铁、镍、钴等金属或者含有该类金属的氧化物或合金，如：氧化铁、硅钢、不锈钢、铁钴合金、镍钴合金等，这类金属、金属氧化物和合金既具有良好的导电能力，同时也具有良好的导磁能力，另外，稀土或者含有稀土的氧化物或合金也可以用于制作所述电磁感应材料层12。

步骤s2：采用交变磁场与所述电磁感应材料层12相作用，使所述电磁感应材料层12发热进而对所述光纤11的法位光栅调制区进行加热，以改变所述法位光栅调制区的折射率，形成光纤光栅。

在该步骤s2中，所述交变磁场作用于所述电磁感应材料层12时，基于电磁感应原理，可在所述电磁感应材料层12内部形成一电流涡流，所述电流涡流具有热效应，可使所述电磁感应材料层12发热，而基于光纤光热效应，所述法位光栅调制区的折射率在所述电磁感应材料层12的加热下发生改变而形成所述光纤光栅。

由于所述法位光栅调制区的折射率是跟随其温度变化而变化的，故可通过控制所述电磁感应材料层12的发热量来对所述光纤光栅的写制光谱进行调制。因此，该制备方法在步骤s2之后，还包括：

步骤s3：通过控制所述交变磁场将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱。

在该步骤s3中，可通过控制产生所述交变磁场的交变电流来达到控制所述交变磁场的目的，所述交变电流的电流电压强度和交变频率分别对应于所述交变磁场的磁场强度和交变频率，共同决定了所述电磁感应材料层12的发热量，从而决定了所述法位光栅调制区的光栅调制量，即所述光纤光栅的谐振峰值波长和损耗峰强度，而制备调制时间则与所述交变电流的电流电压强度和交变频率负相关，所述交变电流的电流电压强度和交变频率越大，所述光纤光栅的制备调制时间则越少，反之则越大。

故而，可通过控制所述交变电流的电流电压强度和/或交变频率（即所述交变磁场的磁场强度和/或交变频率）来调制所述光纤光栅的谐振峰值波长、损耗峰强度和制备调制时间中至少一种。

具体的，在该步骤s3中，将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱的步骤如下：

步骤s3.1：向所述光纤光栅元件1内耦合进检测光束。

在该步骤s3.1中，向所述光纤光栅元件1内耦合进的检测光束优选为超连续的宽带光束，其检测光谱连续覆盖了较大的波长范围。

步骤s3.2：接收从所述光纤光栅元件1内透射或反射出来的光束，得到所述光纤光栅的实时写制光谱。

在该步骤s3.2中，所述检测光束在所述光纤光栅元件1内的传输过程中，经过所述法位光栅调制区时，一部分检测光束会被所述光纤光栅反射原路返回，形成反射光束，得到反射光谱，另一部分检测光束可透过所述光纤光栅继续向前传输，形成透射光束，得到透射光谱，其中，所述反射光谱和透射光谱是互补的，互补后构成步骤s3.1中的耦合进所述光纤光栅元件1内的检测光束的光谱。

所述光纤光栅的实时写制光谱和所需写制光谱既可采用所述反射光谱来表示，也可采用透射光谱来表示。

步骤s3.3：控制所述交变磁场，将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱。

在该步骤s3.3中，将所述光纤光栅的实时写制光谱与所需写制光谱进行比较，若相同，则结束调制，若不同，则控制所述交变磁场进行变化，重复步骤s3.1-s3.3，直至所述光纤光栅的实时写制光谱与所需写制光谱相同后，结束调制。

由于所述法位光栅调制区的折射率是跟随其温度变化而变化的，因此，所述光纤光栅是非永久性的，当撤去所述交变磁场而所述法位光栅调制区的温度恢复正常后，所述光纤光栅也会消失，所述光纤光栅元件1等同于普通光纤，因此，在每次使用前，都需要先通过上述步骤s2和步骤s3将所述光纤光栅元件1调制出具有所需写制光谱的光纤光栅，并在使用过程中不能撤去所述交变磁场，所述光纤光栅需要一边使用一边调制，以避免所述法位光栅调制区的温度改变导致所述光纤光栅的实时写制光谱发生偏离。

该制备方法可以制作出长周期性的光纤光栅、短周期性的光纤光栅或非周期性光纤光栅。

在一具体实施方式中，如图2所示，所述光纤光栅为长周期性的光纤光栅，其光栅周期λ=0.5mm，光栅阶数为n，先利用相位匹配公式计算出该长周期性的光纤光栅的谐振波长位置，以确定所述法位光栅调制区沿所述光纤11轴向周期性分布的位置，然后再在沿所述光纤11轴向以0.5mm周期性分布的n个法位光栅调制区上制作覆盖所述电磁感应材料层12，得到所述光纤光栅元件1，接着采用所述交变磁场与所述电磁感应材料层12相作用，对所述法位光栅调制区进行加热使所述光纤光栅元件1形成长周期的光纤光栅，最后将该长周期性的光纤光栅的实时写制光谱调制为如图3所示的透射光谱。

在另一具体实施方式中，如图4所示，所述光纤光栅为短周期性的光纤光栅，其光栅周期λ=0.1mm，光栅阶数为n，先利用相位匹配公式计算出该短周期性的光纤光栅的谐振波长位置，以确定所述法位光栅调制区沿所述光纤11轴向周期性分布的位置，然后再在沿所述光纤11轴向以0.1mm周期性分布的n个法位光栅调制区上制作覆盖所述电磁感应材料层12，得到所述光纤光栅元件1，接着采用所述交变磁场与所述电磁感应材料层12相作用，对所述法位光栅调制区进行加热使所述光纤光栅元件1形成短周期性的光纤光栅，最后将该短周期性的光纤光栅的实时写制光谱调制为如图5所示的反射光谱。

在又一具体实施方式中，如图6所示，所述光纤光栅为非周期性的光纤光栅，其非周期性的光栅间距依次为λ1、λ2、……λn，光栅阶数为n，同样的，先利用相位匹配公式计算出该非周期性的光纤光栅的谐振波长位置，以确定所述法位光栅调制区沿所述光纤11轴向非周期性分布的位置，然后再在沿所述光纤11轴向以间距为λ1、λ2、……λn非周期性分布的n个法位光栅调制区上制作覆盖所述电磁感应材料层12，以得到所述光纤光栅元件1，然后采用所述交变磁场与所述电磁感应材料层12相作用，对所述法位光栅调制区进行加热使所述光纤光栅元件1形成非周期性的光纤光栅，最后将该非周期性的光纤光栅的实时写制光谱调制为如图7所示的反射光谱。

实施例二

如图10、2、4和6所示，一种电控光纤光栅的预处理方法，可用作实施例一所述的制备方法的步骤s1，包括如下步骤：

步骤s1.1：根据相位匹配公式，确定所需光纤光栅的法位光栅调制区沿光纤11轴向分布的位置。

在该步骤s1.1中，依据长周期性、短周期性或非周期性的光纤光栅对应的相位匹配公式，可计算出对应的光纤光栅的谐振峰值位置。相位匹配公式为本领域的公知常识，故本实施例仅以短周期性的光栅光纤进行如下说明：

短周期性的光栅光纤的相位匹配公式为m*λb=2*neff*λ，该式中m是所需光纤光栅的光栅阶数，λb是所需光纤光栅的中心反射波长，neff是光纤纤芯的有效折射率，λ为所需光纤光栅的光栅周期（光栅间距）。根据该相位匹配公式，在确定了所需光纤光栅的光栅周期λ和光栅阶数m的情况下，可计算出所需光纤光栅的中心反射波长λb，反过来，在确定了所需光纤光栅的中心反射波长λb的情况下，可计算出所需光纤光栅的光栅周期λ和光栅阶数m之间的关系。

步骤s1.2：在所述光纤11沿轴向分布的法位光栅调制区上制作覆盖一电磁感应材料层12。

在一具体实施方式中，如图11所示，步骤s1.2包括如下步骤：

步骤s1.2.1：在所述光纤11表面上制作覆盖一绝缘隔热材料层。

在该步骤s1.2.1中，所述绝缘隔热材料层可以但不限于为橡胶、硅胶或塑料等有机材料，这类有机材料既具有良好的绝缘能力，同时也具有良好的隔热能力。

步骤s1.2.2：将覆盖于所述法位光栅调制区上的绝缘隔热材料层进行剥离，使所述法位光栅调制区从所述绝缘隔热材料层中露出。

在该步骤s1.2.2中，所述绝缘隔热材料层可采用切削或co2激光刻蚀等方式进行局部剥离。

步骤s1.2.3：在露出的法位光栅调制区上制作覆盖所述电磁感应材料层12。

在该步骤s1.2.3中，所述电磁感应材料层12可采用真空镀膜、磁控溅射或喷涂等方式进行制作。在制作时，所述电磁感应材料层12既可仅覆盖于露出的法位光栅调制区上，也可同时覆盖于露出的法位光栅调制区和所述绝缘隔热材料层上。由于所述绝缘隔热材料层的绝缘性能和隔热性能，所述电磁感应材料层12在所述交变磁场中产生的电流和热量均不会向外扩散。

在另一具体实施方式中，如图12所示，步骤s1.2包括：

步骤s1.2.1：在所述光纤11表面上制作覆盖一涂覆材料层。

在该步骤s1.2.1中，所述涂覆材料层需满足与所述电磁感应材料层12可被不同的溶液去除的要求，即存在一种溶液可将所述涂覆材料层溶解或腐蚀，而不可将所述电磁感应材料层12溶解或腐蚀，比如若所述涂覆材料层采用橡胶、硅胶或塑料等有机材料，则容易被有机溶剂溶解，而采用铁、镍、钴等金属或者含有该类金属的氧化物或合金的电磁感应材料层12则难以被有机溶剂溶解。

步骤s1.2.2：将覆盖于所述法位光栅调制区上的涂覆材料层进行剥离，使所述法位光栅调制区从所述涂覆材料层中露出。

在该步骤s1.2.2中，所述涂覆材料层可采用切削或co2激光等方式进行局部剥离。

步骤s1.2.3：在露出的法位光栅调制区上制作覆盖所述电磁感应材料层12。

在该步骤s1.2.3中，所述电磁感应材料层12可采用真空镀膜、磁控溅射或喷涂等方式进行制作。在制作时，所述电磁感应材料层12既可仅覆盖于露出的法位光栅调制区上，也可同时覆盖于露出的法位光栅调制区和所述涂覆材料层上。

步骤s1.2.4：将剩余的涂覆材料层进行剥离。

在该步骤s1.2.4中，剩余的涂覆材料层在被剥离的同时，可将覆盖于其上的电磁感应材料层12一同带走，仅留下覆盖于所述法位光栅调制区上的电磁感应材料层12。

如上所述，有机溶剂可将采用橡胶、硅胶或塑料等有机材料的涂覆材料层溶解，而难以将所述电磁感应材料层12溶解，故而该步骤s1.2.4中可采用有机溶剂将剩余的涂覆材料层进行剥离。

在又一具体实施方式中，如图13所示，步骤s1.2包括：

步骤s1.2.1：在所述光纤11表面上制作覆盖所述电磁感应材料层12。

在该步骤s1.2.1中，所述电磁感应材料层12可采用真空镀膜、磁控溅射或喷涂等方式进行制作。

步骤s1.2.2：在所述电磁感应材料层表面上制作覆盖一光敏材料层。

在该步骤s1.2.2中，所述光敏材料层可为正性光阻或负性光阻，通过涂覆方式制作。

步骤s1.2.3：对所述光敏材料层进行曝光显影，使覆盖于所述法位光栅调制区之外的电磁感应材料层12从所述光敏材料层中露出。

在该步骤s1.2.3中，采用紫外光透过光刻掩膜版对所述光敏材料层进行曝光，然后通过显影液将所述光敏材料层被曝光的部分或未被曝光的部分去除，正性光阻被曝光的部分可被显影液去除，负性光阻未被曝光的部分可被显影液去除。

步骤s1.2.4：将露出的电磁感应材料层12进行刻蚀去除。

在该步骤s1.2.4中，若所述电磁感应材料层12采用铁、镍、钴等金属或者含有该类金属的氧化物或合金，则可采用酸性溶液将露出的电磁感应材料层12进行刻蚀去除，而剩余的光敏材料层难以被酸性溶液腐蚀。

步骤s1.2.5：将剩余的光敏材料层进行剥离。

在该步骤s1.2.5中，可采用碱性溶液将剩余的光敏材料层进行剥离，而采用铁、镍、钴等金属或者含有该类金属的氧化物或合金的电磁感应材料层12难以被碱性溶液腐蚀。

实施例三

如图2、4和6所示，一种光纤光栅元件1，包括光纤11和电磁感应材料层12，所述电磁感应材料层12制备覆盖在所述光纤11沿轴向分布的法位光栅调制区上。

所述电磁感应材料层12可以采用铁、镍、钴等金属或者含有该类金属的氧化物或合金，如：氧化铁、硅钢、不锈钢、铁钴合金、镍钴合金等，这类金属、金属氧化物和合金既具有良好的导电能力，同时也具有良好的导磁能力，另外，稀土或者含有稀土的氧化物或合金也可以用于制作所述电磁感应材料层12。

实施例四

如图8和9所示，一种电控光纤光栅系统，包括实施例三所述的光纤光栅元件1和磁场发生装置2，所述磁场发生装置2用于产生与所述电磁感应材料层12相作用的交变磁场，使所述电磁感应材料层12发热进而对所述光纤11的法位光栅调制区进行加热，以改变所述法位光栅调制区的折射率，形成光纤光栅。

该电控光纤光栅系统还包括输入接头和输出接头，所述输入接头设于所述光纤光栅元件1的一端，所述输出接头设于所述光纤光栅元件1的另一端，或者，所述输入接头和输出接头设于所述光纤光栅元件1的同一端。

所述磁场发生装置2包括磁场发射器21和电源控制模块22，所述电源控制模块22与所述磁场发射器21电性连接，以向所述磁场发射器21输出交变电流，进而使所述磁场发射器21产生所述交变磁场。

本实施例中，所述磁场发射器21包括一电磁线圈，沿轴向环绕在所述光纤光栅元件1外。

所述输入接头用于连接光源发生装置3，以供所述光源发生装置3向所述光纤光栅元件1内耦合进检测光束；所述输出接头用于连接光谱检测装置4，以供所述光谱检测装置4接收从所述光纤光栅元件1内透射或反射出来的光束，得到所述光纤光栅的实时写制光谱。

当所述输入接头和输出接头设于所述光纤光栅元件1的同一端时，该电控光纤光栅系统还包括耦合装置5，所述输入接头和输出接头通过所述耦合装置5连接于所述光纤光栅元件1的同一端，所述耦合装置5可将入射的检测光束耦合至所述光纤光栅元件1内，将反射回来的光束耦合至所述光谱检测装置4内。

实施例五

如8和9图所示，一种电控光纤光栅的制备系统，不限于应用在实施例一所述的制备方法中，包括实施例四所述的电控光纤光栅系统，以及

光源发生装置3，用于向所述光纤光栅元件1内耦合进检测光束；

光谱检测装置4，用于接收从所述光纤光栅元件1内透射或反射出来的光束，得到所述光纤光栅的实时写制光谱。

所述光源发生装置3连接于所述电控光纤光栅系统的输入接头，所述光谱检测装置4连接于所述电控光纤光栅系统的输出接头。

在一具体实现方式中，如图8所述，所述光源发生装置3连接于所述光纤光栅元件1的一端，所述光谱检测装置4连接于所述光纤光栅元件1的另一端，所述检测光束在所述光纤光栅元件1内的传输过程中，经过所述法位光栅调制区时，部分检测光束会透过所述光纤光栅继续向前传输，所述光谱检测装置4通过接收透射出来的光束，得到透射光谱作为所述光纤光栅的实时写制光谱。

在另一具体实现方式中，如图9所示，所述光源发生装置3和光谱检测装置4连接于所述光纤光栅元件1的同一端，所述检测光束在所述光纤光栅元件1内的传输过程中，经过所述法位光栅调制区时，部分检测光束会被所述光纤光栅反射原路返回，所述光谱检测装置4通过接收反射回来的光束，得到反射光谱作为所述光纤光栅的实时写制光谱。

此时优选地，所述光源发生装置3和光谱检测装置4通过一耦合装置5连接于所述光纤光栅元件1的同一端，所述耦合装置5可将入射的检测光束耦合至所述光纤光栅元件1内，将反射回来的光束耦合至所述光谱检测装置4内。

在调制所述光线光栅的实时写制光谱时，技术人员可根据所述光谱检测装置4得到的实时写制光谱，手动控制所述磁场发生装置2中的电源控制模块22，以控制所述电源控制模块22输出的交变电流，进而控制所述磁场发射器21产生的交变磁场，最终将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱。

当然，该制备系统还可包括一处理控制主机（图中未示出），所述处理控制主机通讯连接于所述光谱检测装置4和磁场发生装置2之间，用于根据所述光谱检测装置4得到的实时写制光谱自动对所述磁场发生装置2的电源控制模块22进行控制，以自动将所述光纤光栅的实时写制光谱调制为所需写制光谱。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。