一种光纤光栅制备方法、监测装置及监测方法与流程

本发明涉及光纤光栅制作技术领域，尤其涉及一种光纤光栅制备方法、监测装置及监测方法。

背景技术：

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是由石英棒或石英毛细管排列而成，光子晶体光纤的横截面具有周期性微孔结构的特点，因此光子晶体光纤又被称为多孔光纤或微结构光纤。与常规光纤相比，PCF具有无截止单模、高非线性、大模场面积、可控色散性等优点，因此，PCF不仅可作为比常规光纤更优质的光传输介质，还可以用来制作各种新型的光子器件；长周期光纤光栅(LPFG)具有对外界环境敏感的特点，可在通信、传感、激光器以及生物医学等领域广泛应用。因此在光子晶体光纤中制备长周期光纤光栅，可将光子晶体光纤的特性与长周期光纤光栅的特性相结合，从而大大提升PCF的性能，同时解决了原始的LPFG所存在的参数串扰、截止单模等问题，能有效提高光栅的写制质量。

目前，在PCF上制备LPFG的方法有多种，市场上主要采用成本低廉的CO2激光照射法。利用CO2激光照射法在PCF中形成LPFG的机制原理是利用残余应力释放及物理形变，基于残余应力释放的方式是将CO2激光作为热激元，使PCF包层空气孔受热塌陷，破坏其周期结构而得到LPFG。但是，由于空气孔的坍塌会导致入射光的插入损耗增加，且若通过CO2热源周期的拉锥或塌陷产生物理变形制备，虽然能产生较大的折射率调制，但是气孔塌陷或拉锥熔融变形后的光纤机械强度变弱，很容易断，因此，采用CO2激光照射法制备的光纤光栅机械强度很低。

技术实现要素：

本发明提供了一种光纤光栅制备方法、监测装置及监测方法，旨在解决现有技术制作的光纤光栅机械强度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤光栅制备方法，所述方法包括以下步骤：

将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；

对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。

进一步地，所述对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热的步骤包括：

在所述已填入所述液体的带孔光纤的轴向方向上，按照预设光栅栅距划分为N个子带孔光纤，其中N为正整数；

依次对每个所述子带孔光纤的预设区域进行加热。

进一步地，所述依次对每个所述子带孔光纤的预设区域进行加热包括：依次对所述子带孔光纤的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数。

进一步地，所述对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热的过程中，基于对所述光纤光栅制备过程进行监测得到的光谱信号对加热温度进行调节。

进一步地，所述预选空气孔为所述带孔光纤的任意一个或多个空气孔。

本发明还提供了一种光纤光栅监测装置，所述装置包括：第一单模光纤、第二单模光纤、光源以及光谱仪；

所述第一单模光纤的一端与待监测的带孔光纤的一端熔接，所述第一单模光纤的另一端与所述光源连接；

所述第二单模光纤的一端与所述待监测的带孔光纤的另一端熔接，所述第二单模光纤的另一端与所述光谱仪连接；

其中，所述待监测的带孔光纤的预选空气孔中已填入具有高热膨胀系数的液体。

进一步地，所述监测装置还包括加热装置：所述加热装置，用于对所述待监测的带孔光纤进行加热，以使所述待监测的带孔光纤的已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。

进一步地，所述对所述待监测的带孔光纤进行加热的过程中，所述加热装置对所述待监测的带孔光纤的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数；

及，基于对所述光纤光栅制备过程进行监测得到的光谱信号对加热温度进行调节。

本发明还提供了一种光纤光栅监测方法，所述方法应用于上述的光纤光栅监测装置，所述监测方法包括：

在对所述待监测的带孔光纤加热的过程中，光源发出光线经第一单模光纤传输至已加热的所述待监测的带孔光纤，以使所述待监测的带孔光纤产生光谱信号，并将所述光谱信号经过第二单模光纤传输至光谱仪；

所述光谱仪在所述待监测的带孔光纤被加热的过程中实时监测所述光谱信号，及根据所述光谱信号判断所述待监测的带孔光纤是否达到预设光纤光栅标准；

其中，待监测的带孔光纤为预选空气孔中已填入具有高热膨胀系数的液体的带孔光纤。

进一步地，所述在对所述待监测的带孔光纤加热的过程中，加热装置对所述待监测的带孔光纤的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数；

及，基于所述光谱信号对加热温度进行调节。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。采用该方法或装置制作光纤光栅，方法简单，且制作的光纤光栅机械强度高，膨胀位置可控，适用性强，不易损坏。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的光纤光栅制备方法流程图；

图2是本发明第二实施例提供的光纤光栅制备方法流程图；

图3是本发明实施例提供的光纤光栅制备过程中的光纤截面示意图；

图4是本发明实施例提供的长周期光纤光栅制备过程示意图；

图5是本发明实施例提供的光纤光栅监测装置示意图；

图6是本发明第三实施例提供的光纤光栅监测装置示意图；

图7是本发明第四实施例提供的光纤光栅监测装置示意图；

图8是本发明第五实施例提供的光纤光栅监测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明的第一实施例，如图1所示，本发明提供了一种光纤光栅制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S101：将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；

步骤S102：对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。

综上所述，本发明第一实施例所提供的方法将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。采用该方法或装置制作光纤光栅，高膨胀系数液体填充在光纤内部，因此该结构具有很好的一体化特征，膨胀由内自然受热膨胀，无需借助其余辅助装置，因此方法简单；且制作的光纤光栅机械强度高，膨胀位置可控，适用性强，不易损坏；且该光纤光栅制备方法，填充的具有高热膨胀系数的液体、预选空气孔、加热温度、加热次数、加热方法、加热装置、加热位置均可调节，可灵活改变光纤内部空气孔的膨胀大小、形状和分布，因此，灵活性更高；且该方法制备光纤光栅成本低廉、可重复性好、大大提高了光纤光栅的制备效率。

作为本发明的第二实施例，如图1和图2所示，本发明提供了一种光纤光栅制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S101：将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；其中，当将具有高热膨胀系数的液体均匀填满带孔光纤的预选空气孔中时，可达到该光纤光栅制备的最优效果。

步骤S102：对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。其中，被加热的预设区域的带孔光纤的包层首先会因为受热而软化。

步骤S102中，所述对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热的步骤包括：

步骤S102-1：在所述已填入所述液体的带孔光纤的轴向方向上，按照预设光栅栅距划分为N个子带孔光纤，其中N为正整数；

步骤S102-2：依次对每个所述子带孔光纤的预设区域进行加热。

其中，步骤S102-1和S102-2的目的是为了得到具有自膨胀结构的长周期光纤光栅。对一定长度的带孔光纤预先设定一个预设光栅栅距，每次加热时，只对一个预设光栅栅距长度的子带孔光纤进行加热，依次对每个所述子带孔光纤的预设区域进行加热，最终得到具有自膨胀结构的长周期光纤光栅。

需要说明的是，对所述待监测的带孔光纤进行加热时，所述被加热的预设区域应小于预设光栅栅距。

进一步地，所述依次对每个所述子带孔光纤的预设区域进行加热包括：依次对所述子带孔光纤的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数。

进一步地，所述对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热的过程中，基于对所述光纤光栅制备过程进行监测得到的光谱信号对加热温度进行调节。

上述加热过程中，通过实时调节加热温度以及加热次数等参数来改变带孔光纤的膨胀程度。由于膨胀程度不同，该带孔光纤内部的结构就不同，从而使得该带孔光纤内部的折射率不同，进一步使得该带孔光纤的光谱信号就不同，因此，通过监测该带孔光纤的光谱信号，来调节加热温度以及加热次数等参数，最终直至得到满意的光纤光栅。

需要说明的是，在上述光纤光栅的制备方法中，可以采用CO2激光作为加热装置对带孔光纤进行加热，也可以采用电弧放电、或氢氧焰等加热装置或加热方法对带孔光纤进行加热。且，加热时的预设区域可以是该带孔光纤的单侧局部加热，即单侧加热，也可以是对称加热、或旋转加热等。总之，不同的加热装置或不同的加热方式可制备具有不同自膨胀结构的光纤光栅。

进一步地，所述预选空气孔为所述带孔光纤任意一个或多个空气孔。预选空气孔可以为带孔光纤的全部空气孔、或为带孔光纤纤芯周围的内圈空气孔等。在本发明实施例中，建议对内圈空气孔进行填充，因为对内圈空气孔进行填充而制备的光纤光栅效果最优。如图3所示，本实施例的预选空气孔为光子晶体光纤的内圈空气孔。由于光子晶体光纤的包层由纤芯向外是由多圈对称的六边形空气孔组成，且越靠近纤芯的空气孔，其引起的折射率调制越强，较少的光栅点既可以引起较大的折射率调制，所以最靠近纤芯的内圈空气孔引起的折射率调制效果一般为最优的。因此，选择内圈空气孔作为制备光纤光栅的预选空气孔，可以进一步提升光纤光栅的写制效率。由上述可知，当对其他类型的带孔光纤的空气孔进行选择时，可以任意选择比较靠近纤芯的空气孔，从而使制备的光纤光栅效果更好。当对带孔光纤的任意一个或多个空气孔进行填充时，也在本发明的保护范围内。

需要说明的是，具有高热膨胀系数的液体可以有多种选择，例如水、或酒精等。由于每种具有高热膨胀系数的液体的受热膨胀程度不同，带孔光纤的空气孔也因为其所填入的液体的不同，而造成受热膨胀的程度也不相同。

在本实施例中，该方法主要是基于光子晶体光纤进行光纤光栅的制备，但是，该制备方法可以应用于各种类型的带孔光纤，例如：实芯光子晶体光纤(PCF)、空芯光子晶体光纤(PBF)、空芯光纤(HOF)、悬芯光纤(SCF)等等。

在步骤S101中，将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中时，可以采用多种方式对带孔光纤的空气孔进行选择性填充。在本实施例中提供了以下三种填充方法：

(1)全填充法：直接将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的全部空气孔中。主要可通过虹吸现象或采用液体高压泵入等方式进行填充。

(2)内圈孔填充法：采用一定内径的玻璃管，该选用的玻璃管内径大小大于光子晶体光纤的内圈空气孔内径，并小于光子晶体光纤的次内圈空气孔内径，将玻璃管与光子晶体光纤熔接，使得内圈空气孔与外界呈联通状态，而其它空气孔由于玻璃管壁堵住而无法与外界联通，再通过液体虹吸现象或采用液体高压泵入等方式将液体填入光子晶体光纤的内圈空气中，使光子晶体光纤的内圈空气孔填入具有高热膨胀系数的液体。如图3所示，由于光子晶体光纤的包层由纤芯向外是由多圈对称的六边形空气孔组成，且越靠近纤芯的空气孔，其引起的折射率调制越强，较少的光栅点既可以引起较大的折射率调制，所以最靠近纤芯的内圈空气孔引起的折射率调制效果一般为最优的。因此，选择内圈空气孔作为制备光纤光栅的预选空气孔，可以进一步提升光纤光栅的写制效率。

(3)空气孔选择性填充法：将单模光纤与待填充的光子晶体光纤熔接，并在距离熔接点10-20μm处用切割刀将单模光纤切断，利用飞秒激光对切面进行选择性开孔，使得开孔位置与外界联通，其余位置与外界闭合，再通过液体虹吸现象或采用液体高压泵入等方式将液体填入光子晶体光纤内圈中，使光子晶体光纤的已选空气孔填入具有高热膨胀系数的液体。

在本实施例中，如图4(a)所示，带孔光纤选择的是光子晶体光纤，预选空气孔为光子晶体光纤的内圈孔，所选具有高热膨胀系数的液体为水；如图4(b)所示，将水填入光子晶体光纤的内圈孔，采用了CO2激光作为加热装置对带孔光纤进行加热，其中，CO2激光加热装置的功率最大为10w，功率稳定性为2％左右，激光聚焦光斑为30-50μm，每个光栅栅距被设定为500μm，将光子晶体光纤按照每500μm为单位划分为M个子光子晶体光纤，然后采用CO2激光加热装置依次对每个子光子晶体光纤加热N次；如图4(c)所示，为加热后得到具有自膨胀结构的长周期光纤光栅。经仿真实验得出，光栅栅距一般被设定在300-700μm，光纤光栅的制备效果最优。采用本发明实施例所提供的方法制备的具有自膨胀结构的光纤光栅，该种光纤光栅应用范围广泛，例如：(1)基于该自膨胀结构的光纤光栅制作的滤波器、增益平坦器。其中，通过灵活调节光纤光栅制备过程中的预选空气孔、填充液体、加热次数、加热温度、加热装置等参数，能够获得较低插入损耗，较高消光比的滤波器。(2)基于该自膨胀结构的光纤光栅制作的温度、应变、压力传感器等。(3)基于该自膨胀结构的光纤光栅制作的起偏器、偏振干涉仪等。其中，采用单侧制备方式制备的光纤光栅，有非常大的偏振相关损耗，可作为起偏器，两个具有自膨胀结构的光纤光栅级联可形成偏振干涉仪。

综上所述，本发明第二实施例所提供的方法将具有高热膨胀系数的液体填入带孔光纤的预选空气孔中；对已填入所述液体的带孔光纤的预设区域进行加热，以使已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。采用该方法或装置制作光纤光栅，高膨胀系数液体填充在光纤内部，因此该结构具有很好的一体化特征，膨胀由内自然受热膨胀，无需借助其余辅助装置，因此方法简单；且制作的光纤光栅机械强度高，膨胀位置可控，适用性强，不易损坏；且该光纤光栅制备方法，填充的具有高热膨胀系数的液体、预选空气孔、加热温度、加热次数、加热方法、加热装置、加热位置均可调节，可灵活改变光纤内部空气孔的膨胀大小、形状和分布，因此，灵活性更高；且该方法制备光纤光栅成本低廉、可重复性好、大大提高了光纤光栅的制备效率。

作为本发明的第三实施例，如图5和图6所示，本发明还提供了一种光纤光栅监测装置，所述装置包括：第一单模光纤22、第二单模光纤44、光源11以及光谱仪55；

第一单模光纤22的一端与待监测的带孔光纤33的一端熔接，第一单模光纤22的另一端与光源11连接；

第二单模光纤44的一端与待监测的带孔光纤33的另一端熔接，第二单模光纤44的另一端与光谱仪55连接；

其中，待监测的带孔光纤33的预选空气孔中已填入具有高热膨胀系数的液体。

综上所述，本发明第二实施例所提供的监测装置结构简单，可随时监测光纤光栅的变化，从而根据该变化调节光纤光栅的制备过程，以使用户可以得到满意的光纤光栅。

作为本发明的第四实施例，如图5和图7所示，本发明还提供了一种光纤光栅监测装置，所述装置包括：第一单模光纤22、第二单模光纤44、光源11以及光谱仪55；

第一单模光纤22的一端与待监测的带孔光纤33的一端熔接，第一单模光纤22的另一端与光源11连接；

第二单模光纤44的一端与待监测的带孔光纤33的另一端熔接，第二单模光纤44的另一端与光谱仪55连接；

其中，待监测的带孔光纤33的预选空气孔中已填入具有高热膨胀系数的液体。

进一步地，监测装置还包括加热装置66：该加热装置66用于对待监测的带孔光纤33进行加热，以使待监测的带孔光纤33的已填入所述液体的空气孔因所述液体受热膨胀而膨胀，以对未填充所述液体的空气孔产生挤压，得到具有自膨胀结构的光纤光栅。

其中，第一单模光纤22，用于将光源11发出的光线传输至待监测的带孔光纤33；光源11，用于发出光线经第一单模光纤22传输至已加热的待监测的带孔光纤33，以使待监测的带孔光纤33产生光谱信号；第二单模光纤44，于将光谱信号传输至光谱仪55；光谱仪55，用于在待监测的带孔光纤33被加热的过程中实时监测光谱信号，及根据光谱信号判断待监测的带孔光纤33是否达到预设光纤光栅标准。

进一步地，所述对待监测的带孔光纤33进行加热的过程中，加热装置66对待监测的带孔光纤33的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数；

及，基于对所述光纤光栅制备过程进行监测得到的光谱信号对加热温度进行调节。

需要说明的是，本发明实施例所提供的监测装置，在实际应用中，可以作为上述光纤光栅的制备装置，即，在上述光纤光栅的制备过程中，边制备，边监测，最终制备出符合用户要求的光纤光栅。

需要说明的是，一般在光纤光栅的制备过程中，制备装置与监测装置可被看作同一个装置，即边制备的过程当中，边监测该光纤光栅是否达到了所需的光纤光栅标准，从而判断该光纤光栅是否制备成功。

综上所述，本发明第四实施例所提供的监测装置结构简单，可随时监测光纤光栅的变化，从而根据该变化调节光纤光栅的制备过程，以使用户可以得到满意的光纤光栅。

作为本发明的第五实施例，如图8所示，本发明还提供了一种光纤光栅监测方法，所述监测方法包括：

步骤S201：在对所述待监测的带孔光纤加热的过程中，光源发出光线经第一单模光纤传输至已加热的所述待监测的带孔光纤，以使所述待监测的带孔光纤产生光谱信号，并将所述光谱信号经过第二单模光纤传输至光谱仪；

步骤S202：所述光谱仪在所述待监测的带孔光纤被加热的过程中实时监测所述光谱信号，及根据所述光谱信号判断所述待监测的带孔光纤是否达到预设光纤光栅标准；

其中，待监测的带孔光纤为预选空气孔中已填入具有高热膨胀系数的液体的带孔光纤。

进一步地，所述在对所述待监测的带孔光纤加热的过程中，加热装置对所述待监测的带孔光纤的预设区域重复加热M次，其中，M为正整数；

及，基于所述光谱信号对加热温度进行调节。

上述加热过程中，通过实时调节加热温度以及加热次数等参数来改变带孔光纤的膨胀程度。由于膨胀程度不同，该带孔光纤内部的结构就不同，从而使得该带孔光纤内部的折射率不同，进一步使得该带孔光纤的光谱信号就不同，因此，通过监测该带孔光纤的光谱信号，来调节加热温度以及加热次数等参数，最终直至得到满意的光纤光栅。

综上所述，本发明第五实施例所提供的监测方法，该方法可随时监测光纤光栅的变化，从而根据该变化调节光纤光栅的制备过程，以使用户可以得到满意的光纤光栅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。