一种多芯光纤光栅阵列刻写系统和方法

(一)本发明涉及光纤光栅阵列制作，具体涉及一种多芯光纤光栅阵列刻写系统和方法。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、近年来在多芯光纤受到日益关注的大背景下，人们逐渐将光纤光栅运用到多芯光纤中制成各种不同类型的多芯光纤光栅。由于结合了多芯光纤与光纤光栅的优点，多芯光纤光栅型器件在光纤通信、光纤传感领域中都具有重要的应用价值和广泛的应用前景。在空分复用光纤通信系统中，多芯光纤光栅能够用于信道的色散补偿和滤波；在光纤传感领域，多芯光纤光栅可用于设计多维多参量的新型传感器，已有将其用于微型机器人和微创外科手术的相关报道。除此之外，多芯光纤光栅还被应用于高功率激光器、天文观测、工程监测等技术领域。而光栅阵列传感技术作为新一代的光纤传感技术，解决了传统单纯以光纤或者单个光栅作为传感单元的技术局限性。

2、目前多芯光纤光栅的刻写方法主要包括：紫外曝光法、飞秒激光刻写法、二氧化碳激光刻写法、电弧放电法等。紫外准分子激光器已成为刻写光纤布拉格光栅(fbg)的最常用工具，但其具有局限性，fbg的性能高度依赖于光纤纤芯材料的光敏性，需要对光纤进行载氢处理，增加了fbg的制作成本和复杂性；其次在高温工作环境下fbg很容易被擦除，但利用高功率的红外飞秒激光脉冲刻写fbg不存在上述局限性，同时具有高折射率调制、低偏振相关性、光谱质量好等优点，同时在制备过程中无需剥除涂覆层，提高了机械强度。

3、利用飞秒激光刻写光纤光栅的技术方案主要有两种：一是逐点刻写法，该方法需要高精度的定位系统，在刻写过程中对系统的稳定性要求极高；二是相位掩膜版法，应用该方法写入的光栅周期仅取决于相位掩膜版周期，对激光光源的相干性要求大大降低，是目前最成熟的fbg写入方法，该方法降低了写入装置的复杂程度，对周围环境的要求大大降低，使得大规模批量生产fbg成为可能。

4、目前在光纤中加工光栅阵列仍是一个难题，由于光纤本身存在柱面效应，仅通过图像观察到的纤芯位置与纤芯实际所在位置存在偏移，在纤芯中加工时聚焦位置难以确定，在多芯光纤中，纤芯排布更密集、复杂，使得通过观察图像寻找加工位置变得更加困难，在专利(一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法.cn111190250 a)中提出了一种基于图像识别技术自动找芯的方法，该方法不适用于在多芯光纤中加工；在专利(一种多芯光纤串联并联集成微结构阵列的飞秒激光制备方法.cn202310094451)中提出了一种在多芯光纤中选芯刻写的方法，但该方法仍需通过手动操作控制光斑聚焦位置，操作复杂，难以保证刻写质量，在多芯光纤中利用飞秒激光加工微结构依然为难以解决的问题之一，相关研究也较少。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种多芯光纤光栅阵列刻写系统和方法。该技术可以在无需对光纤载氢，无需剥除涂覆层的情况下，实现在多芯光纤的不同纤芯刻写fbg，利用计算机自动控制聚焦位置的移动，无需频繁的人工干预，有效降低了聚焦光斑对准目标纤芯的难度，提高刻写效率，缩短了刻写周期，提高了光栅刻写成功率，能够通过光时域反射仪(otdr)对已刻写光栅质量进行在线监测，避免不必要的经济损失。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、发明一种多芯光纤光栅阵列刻写系统和方法，系统包括：飞秒激光光路、成像装置、光纤夹持平台、加工平台、监测模块、复绕装置。其中，飞秒激光光路包括飞秒激光器、衰减器、扩束器、光阑、反射镜组；成像装置包括ccd相机、l型滑轨、微型步进电机；光纤夹持平台包括限位v槽导轮、气吸v槽平台、光纤载板支架；加工平台包括加工物镜、光纤载板，高精度电动位移台；监测模块包括光时域反射仪、光纤活动连接器；复绕装置包括光纤收放盘固定架、舞蹈轮、传送轮组、标色装置、光电门、光纤清洁装置、张力监测轮组。

4、红外飞秒激光器发出激光，通过衰减器控制输出光功率，经过反射镜改变传播方向，通过扩束镜扩大光斑面积，由可调光阑选择光斑质量较好的区域作为刻写光束；激光经过加工物镜后形成聚焦光斑。为减小环境扰动对待刻光纤造成抖动影响，采用u型光纤夹持平台，设计有带v型槽的精密导轮和气吸v型槽平台用于固定光纤；光纤无需剥除涂覆层，通过标色装置对加工区域两端进行标记；通过光电门检测标记点个数计算制备光栅数量，再传送至加工位置；通过相机801和相机802对光纤分层扫描成像，得到光纤纤芯排布位置；光纤经过光纤载板后表面上的v型槽，令相机806清楚的聚焦到光纤载板上的聚焦参考标记点；根据扫描还原得到的纤芯排布位置，自动计算加工平台所需的移动距离，将聚焦光斑移动到目标纤芯处；加工完成后经过光纤清洁装置擦掉光纤上残留匹配液；张力控制轮组保证加工时光纤上张力恒定，最后通过复绕装置完成光栅收集；通过otdr实时监测写栅质量。

5、所述刻有v型槽的光纤载板有三个作用，其一是用来固定光纤在正确的加工位置；其二在光纤与v槽间隙内填充匹配液可以消除光纤柱面效应对聚焦的影响；其三作为找芯时调整聚焦光斑移动距离的参考基准。

6、当激光从侧面入射时，由于光纤本身存在的柱面效应，聚焦后的飞秒激光在进入光纤后会发生偏折，因此计算得到的聚焦焦点在光纤内的位置与实际聚焦位置并不相同，实际聚焦点的坐标与物镜的初始位置、物镜数值孔径角θ、物镜的平移量(δx,δy)、多芯光纤半径r以及多芯光纤的包层折射率n相关。当物镜的初始位置为恰好将光束聚焦到光纤中心点o，那么当物镜发生平移(δx,δy)时，实际上焦点(δx',δy')在多芯光纤内相对原点o的平移量可总结为解析的函数：

7、

8、f1和f2为加工平台位移量和飞秒激光聚焦焦点位置的变化量之间的映射变换关系。若在v型槽与光纤间的缝隙内填充满折射率与光纤涂覆层相似的匹配液，便可以消除光纤柱面效应对光束产生的影响，光斑聚焦位置可由计算值给出。

9、光纤载板的位置确定后，计算机控制加工平台移动，令光纤载板前表面的聚焦标记点位于相机806的视野中心，使聚焦标记在相机中能清楚成像，此时光斑经过与相机等焦距的加工物镜后，也聚焦在光纤载板前表面，与聚焦标记点等高，位于v型槽上下沿的中心处。

10、由于在加工前待加工光纤种类已知，则各纤芯间距已知，同时光纤载板厚度已知，由此可通过计算确定出光斑距离各个纤芯的相对距离，使光斑聚焦到目标纤芯处。

11、所述在线监测模块基于otdr，能够对每次刻写完成的光栅的中心波长进行监测，避免全部加工结束后不达标fbg过多而影响使用，造成浪费。

12、与现有技术相比，本发明的优点在于：

13、(1)本发明提出了一种多芯光纤光栅阵列刻写系统和方法，利用光纤载板作为刻写光斑位置移动参考基准，同时也降低了光纤柱面效应对刻写效果带来的负面影响，计算机对ccd相机成像进行分析后得到移动距离参数，通过算法自动控制加工平台移动，调整聚焦光斑位置至目标纤芯完成制备，可实现在多种类多芯光纤的不同纤芯上自动化连续刻写光栅阵列。

14、(2)本发明使用的激光器为飞秒激光器，利用飞秒激光的非线性效应，无需对光纤载氢，制备过程中无需剥除光纤涂覆层，被刻写光纤具有更高的机械抗性，简化了制备流程，有效降低了生产成本。

15、(3)本发明中的复绕装置具有高度自动化的特点，无需人工干涉，可完成包括：收放光纤、光栅标色、计米计数、光纤固定、光纤清洁、张力控制等一系列制备流程，适用于大批量光纤光栅阵列的刻写，可实现任意长度的光纤光栅阵列刻写。