一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置及方法

本申请涉及光纤光栅，尤其涉及一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置及方法。

背景技术：

1、随着光纤通信和光纤传感技术的快速发展，对光学器件的需求与日俱增。在众多的光学器件中，光纤光栅是一种新型的无源器件，吸引了光纤传感领域研究人员的关注。光纤布拉格光栅(fbg)是通过激光破坏光纤原有的结构，在纤芯处产生均匀或非均匀周期的折射率调制，其中fbg的纤芯模是沿着光纤纤芯传输的光，只对轴向应变和温度敏感，而包层模纤芯模是反射到包层中，与包层模式进行后向耦合的光，对外界环境(折射率、沉积层厚度等)和光纤截面的物理变化(例如弯曲引起的剪切应变)很敏感，据此特性，高质量的纤芯模与包层模同时增强型的fbg有望在多参数传感器(如温湿度传感器)中有较好的应用前景和社会效益，光纤温湿度传感器凭借小巧轻便、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好的优点在医疗、环境、生物和物理等诸多领域有重要意义。

2、现有技术可以通过纤芯折射率调制区域激发包层模，但无法实现对包层模共振范围进行灵活调控，也无法增加纤芯模，尤其在波长解调中使用特定波长的激光光源容易受限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置及方法，以解决现有技术无法同时增强布拉格光栅的纤芯模与包层模的技术问题。

2、本发明提供一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，所述装置包括：飞秒激光组件，用于发出激光，刻写光纤光栅器件；三维位移平台，用于放置光纤，以及调整光纤加工的位置；程序控制机，与激光发射组件和三维位移平台相连，用于根据预先设计的折线刻写程序，控制激光发射组件的出光、遮光、功率大小，以及三维移动平台的移动路径，使得所刻写的折线夹角θ满足以下函数：其中为光纤纤芯的有效折射率，λ为光纤光栅的周期，λtfbg为非垂直光纤轴向的折射率调制区域形成的倾斜光纤光栅的布拉格波长，λb为垂直光纤轴向的折射率调制区域形成的光纤光栅的布拉格波长，为倾斜光纤光栅的第i阶包层模的谐振波长，为光纤第i阶包层模有效折射率。

3、进一步的，所述光纤为单模光纤。

4、进一步的，所述装置还包括：显微成像系统，与程序控制机相连，用于观测光纤的实时位置及光纤光栅的加工形貌；位移平台控制器，与程序控制机、三维位移平台相连，程序控制机通过位移平台控制器控制三维位移平台；光谱分析仪，与光纤的输出端相连，用于采集光纤光栅光谱信息；宽带光源，与光纤的输入端相连，用于提供输入光纤光栅的光信号。

5、进一步的，所述飞秒激光组件包括：飞秒激光器，用于发射激光；电动快门，与程序控制机相连，用于实现激光的通断；能量衰减器，与程序控制机相连，包括可电控旋转的半波片和偏振镜，用于调节激光功率大小；反射镜，用于反射光路；油镜，用于聚焦激光光斑。

6、进一步的，飞秒激光器发射波长为800nm，重复频率为1khz，脉宽为100fs的飞秒激光脉冲。

7、进一步的，所述三维位移平台上设置有光纤夹具，用于固定光纤。

8、本发明还提供一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备方法，所述方法包括：步骤1：将光纤放置于三维位移平台上，调整光纤的加工位置；步骤2：开启飞秒激光组件，以刻写光纤光栅器件；步骤3：程序控制机根据预先设计的折线刻写程序，控制激光发射组件的出光、遮光、功率大小，以及三维移动平台的移动路径，使得所刻写的折线夹角θ满足以下函数：其中为光纤纤芯的有效折射率，λ为光纤光栅的周期，λtfbg为非垂直光纤轴向的折射率调制区域形成的倾斜光纤光栅的布拉格波长，λb为垂直光纤轴向的折射率调制区域形成的光纤光栅的布拉格波长，为倾斜光纤光栅的第i阶包层模的谐振波长。

9、进一步的，所述方法还包括：步骤4：用宽带光源给光纤光栅输入光信号；步骤5：光谱分析仪采集光纤光栅光谱信号，对光纤光栅的光谱进行实时的记录和监测，显微成像系统实时获取光纤的位置及光纤光栅的加工形貌。

10、进一步的，所述步骤1具体为：将光纤放置于三维位移平台上，并用设置于三维位移平台上的光纤夹具固定，调整光纤的加工位置。

11、进一步的，所述步骤2具体为：步骤21：开启飞秒激光器，发射激光；步骤22：电动快门根据程序控制机的折线刻写程序，实现激光的通断；步骤23：能量衰减器根据程序控制机的折线刻写程序，调整激光功率大小；步骤24：用反射镜将调整好的激光反射至油镜；步骤25：油镜聚焦激光光斑至光纤，以刻写光纤光栅。

12、本发明提供一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置及方法，该技术方案能够通过飞秒激光，按照预先设计好的折线图案刻写光纤。其中垂直于纤芯轴向的调制区域用于激发强纤芯模，非垂直纤芯轴向的调制区域用于激发强包层模，通过调节折线型调制区域的角度实现光纤光栅包层模的激射范围，实现了不同包层模激射范围的调控，解决了现有技术无法实现纤芯模和包层模同时增强的技术问题。

技术特征：

1.一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述装置还包括：

4.根据权利要求1所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述飞秒激光组件包括：

5.根据权利要求4所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述飞秒激光器发射波长为800nm，重复频率为1khz，脉宽为100fs的飞秒激光脉冲。

6.根据权利要求1所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置，其特征在于，所述三维位移平台上设置有光纤夹具，用于固定光纤。

7.一种采用权利要求1-6所述纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置的方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.根据权利要求7所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将光纤放置于三维位移平台上，并用设置于三维位移平台上的光纤夹具固定，调整光纤的加工位置。

10.根据权利要求7所述一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

技术总结
本发明提供一种纤芯与包层模同时增强型光纤光栅制备装置及方法，所述装置包括：飞秒激光组件，用于发出激光，刻写光纤光栅器件；三维位移平台，用于放置光纤，以及调整光纤加工的位置；程序控制机，与激光发射组件和三维位移平台相连，用于根据预先设计的折线刻写程序，控制激光发射组件的出光、遮光、功率大小，以及三维移动平台的移动路径。本发明提供的技术方案通过飞秒激光刻写光纤，获得折线型调制区域，从而形成纤芯模和包层模同时增强的光纤光栅。

技术研发人员：郭奎奎,刘晔,王宏建
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17