带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法，包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个相间隔的FBG光栅，其中第一FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中。本发明结构紧凑、体积小，集成度高，生产组装方便，制作成本低，适合于批量生产；整个光纤及连接器为无源产品，光电隔离，避免电磁干扰，长期使用性能稳定可靠。
【专利说明】带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法，属于高度集 成的大芯径能量光纤跳线【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 作为激光器配套产品中用于传导激光能量的核心部件，大芯径能量光纤及其连接 器的应用随着激光器的发展得到广泛普及，涵盖了医学、工业、国防、科研、商业、信息各大 领域，尤其是在前四种领域中对大芯径能量光纤的应用需求非常明显。在大体积金属切割、 焊接及深加工、激光手术等特种应用中，要求大芯径光纤能够长时间稳定传导平均功率为 几百到几千瓦的激光能量，尽量减少能量损耗，从而保证最终输出激光能量密度稳定在较 商水平。
[0003] 现有的大芯径能量光纤及其连接器产品，主要是通过有胶或无胶工艺在大芯径裸 光纤两端固定上金属连接器，连接器的作用是连接并固定激光器和大芯径光纤，使输出光 斑与光纤端面达到高效耦合。随着激光器能量增大对耦合效率要求极高，连接器的加工精 度和耐受温度要求也越来越高，在实际产品应用中，受限于端面反射、加工精度低和装配工 艺复杂等原因，激光能量耦合效率仅能达到809Γ90%，剩余能量会以热能的形式传导到大芯 径光纤连接器上，所以在超高能量输出的激光器上应用的大芯径光纤及其连接器需要配备 水冷系统及温度探头，当连接器温度超过设定范围时将启动报警系统并断开激光器，以防 止连接器过热变形后破坏耦合光路，从而导致大能量反射光将激光器烧坏，甚至引起人员 伤亡等重大事件。
[0004] 一般大芯径能量光纤在与超高功率激光器连接应用中必须在连接头处安装传感 探头，因为技术难度大、精加工成本高，目前只有少数产品配备温度探头。为了减小体积、保 证工作寿命及精度，同时避免引入额外热源，所提供的大芯径能量光纤连接器大多使用接 触式热电偶温度传感器，由于受体积和安装方式限制，该传感器被镶嵌在金属连接器中，探 测的是由端面反射及光纤热传导到连接器处的温度变化，无法直接检测大芯径能量光纤的 温度变化。该类带温度监控的光纤连接器产品整体结构复杂、体积难以减小，加工难度大， 同时传感器灵敏度低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，这些综合因 素导致了大芯径能量光纤及其连接器产品的制造成本提高，也极大的限制了其在超高功率 激光器行业的推广应用。
[0005] 中国专利CN202676426U描述了一种带监视点的玻璃大芯径光纤，采用氢氟酸在 光纤侧面腐蚀一个缺口，用来安装采集信号的光纤或光探测器，再通过屏蔽盒将器件前端 及大芯径光纤缺口封装起来，其效果是监测点与待测大芯径光纤在同一光纤上，提高光纤 信息检测的准确性，且其结构紧凑。但采用化学方法腐蚀大芯径光纤侧表面的工艺操作难 度大，腐蚀面积和深度难以控制，不同监测点的缺口大小不同易造成监测数据基准不一、测 量差异较大。
[0006] 光纤布拉格光栅（简称FBG)传感器的工作原理是温度/应变变化导致光纤光栅 布拉格中心波长的变化，通过测量波长变化得出待测的温度/应力量。光纤光栅的Bragg波长为 應J= 2"# A :中为《#賢芯_賓效祈_寧：Λ为樣ft周期·SRl过幾光账效fi罘影喃4.關 应受姻通过弹光效Sft光響周期A来-f，|Si 与传统传感器相比，因光纤光栅传感器是基于光纤来制作，其具有很多特点，比如灵敏 度高、体积小、重量轻、安全防爆、抗电磁干扰能力强、抗电磁干扰可应用于恶劣环境（没有 加入电磁过程），信号传输距离远(光纤中光衰减慢)，使用寿命长等等优点。同时光纤光栅 其本身的特点使得每个探点仅利用相当少的光源分量，绝大部分光都透过并继续传播，为 组网带来巨大便利。波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。总的来说光纤 光栅FBG传感器非常适合做大范围多节点的分布式测量，在系统监测中具有集成度与组网 的优势。因此，光纤光栅FBG传感器越来越广泛地受到各行各业的青睐，开始在市政交通、 水利水电、隧道、桥梁、或石油石化等监控领域得到应用。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种结构紧 凑、集成度高、制作成本低的带温度和应变监测的大芯径能量光纤及其制作方法。
[0008] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为： 包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤和 包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光 纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个相间隔的FBG光栅(光纤布拉格光栅)，其中第一 FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一FBG光栅和第二FBG光栅紧贴在大芯径能量 光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径能量光纤的耐高温涂层中。
[0009] 按上述方案，所述的传感光纤在第二FBG光栅后间隔设置第三FBG光栅，所述的第 三FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤的耐高温涂层的外周面上。
[0010] 按上述方案，所述的大芯径能量光纤的耐高温涂层外包覆有紧套外护层，紧套外 护层的前端延伸至第二FBG光栅和第三FBG光栅之间，并包覆第三FBG光栅。
[0011] 按上述方案，所述的传感光纤沿与大芯径能量光纤轴线的大致平行方向相配置， 传感光纤的尾纤穿出大芯径能量光纤的紧套外护层。
[0012] 按上述方案，所述的传感光纤为单模光纤，各个FBG光栅的波长各不相同，工作窗 口为 1310nm波段（1260nnTl360nm)和 / 或 1550nm波段（1525nnTl565nm)。
[0013] 按上述方案，所述的大芯径能量光纤包括芯层和包层，所述的芯层为纯硅玻璃层 或者掺氟玻璃层，芯层的直径Dl为400μπΓ620μm，芯层的相对折射率差Λ1为-0. 29ΓΟ%， 所述的包层分为内包层和外包层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包 层的直径D2为440μπΓ700μm，内包层的相对折射率差Λ2为-1. 99Γ-0. 9%，外包层为纯 硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层的直径D3为500μπΓ760μm，外包层的相对折射率Λ3 为-0· 5%?0%。
[0014] 按上述方案，所述的大芯径能量光纤的前端安设有连接器，用以与激光器相连。
[0015] 按上述方案，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接 的光纤插芯和限位卡环，所述的光纤固定尾柄为轴套状，中部通孔与大芯径能量光纤的紧 套外护层段相配接，中部通孔的一侧沿轴向开设有容纤槽，光纤固定尾柄的前端设有端头， 端头的前端面上设置有定位键，端头中设置孔腔与光纤插芯的后端相套接，所述的光纤插 芯为套状，前后依次设置3个同轴心的通孔，后端通孔与大芯径能量光纤的耐高温涂层段 相配置，中间通孔中一侧开设有纤槽，用于安设传感光纤的第一FBG光栅段，前端通孔中安 设有限位卡环，限位卡环中间穿引大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前 端定位。
[0016] 按上述方案，所述的光纤固定尾柄由金属制成，在光纤固定尾柄上设置冷却水循 环部件。
[0017] 本发明带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法技术方案为： 包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特征在于大芯径能量光纤前端的耐高温涂层和紧 套外护层被剥离形成裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有3个轴向相间隔的FBG光栅(光 纤布拉格光栅)，第一、第二、第三FBG光栅前后依次排序，所述裸光纤长度比第一FBG光栅 和第二FBG光栅总长度长5~10mm;在裸光纤后面的连接部分剥离紧套外护层，保留带耐高 温涂层；将第一FBG光栅、第二FBG光栅紧贴在裸光纤外周面，利用涂覆机将第二光纤FBG 光栅与其所贴局部裸光纤一同涂上新的耐高温涂层，新旧耐高温涂层间无间隙；将第三 FBG光栅紧贴在带有耐高温涂层的光纤外周面，利用涂覆机将第三FBG光栅与其所贴局部 带涂层光纤一同涂上紧套外护层材料，或者直接使用热缩套管将第三FBG光栅和带涂层光 纤一同封装，或者使用耐高温胶水将第三FBG光栅和带涂层光纤粘结在一起，传感光纤的 尾纤穿引出大芯径能量光纤的外护层松弛放置。
[0018] 按上述方案，在大芯径能量光纤的前端安设有连接器，所述的连接器包括光纤固 定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环；所述的大芯径能量光纤 前端端面利用激光切割抛光处理，依次将光纤固定尾柄和光纤插芯套在被处理的大芯径能 量光纤前端，光纤固定尾柄和光纤插芯的中部通孔的一侧沿轴向分别开设有容纤槽和纤 槽，容纤槽和纤槽周向处于同一方位，传感光纤的第一FBG光栅段安设在光纤插芯的纤槽 中，传感光纤的尾纤通过光纤固定尾柄的容纤槽引出；限位卡环安设在光纤插芯的前端通 孔中，限位卡环中间穿引出大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位， 保证同心度，防止前端裸光纤使用过程中晃动偏移中心点；光纤固定尾柄通过粘结或者机 械夹持将大芯径能量光纤固定。
[0019] 本发明基于以下的机理： 光栅处在自由状态，即不受应变作用时，温度与波长改变量的关系为
【权利要求】
1. 一种带温度和应变监测的大芯径能量光纤，包括大芯径能量光纤和传感光纤，其特 征在于所述的大芯径能量光纤的包括裸光纤和包覆裸光纤外周面的耐高温涂层，且大芯径 能量光纤的前端留有一段无耐高温涂层的裸光纤，所述的传感光纤的前端设置有至少2个 相间隔的FBG光栅，其中第一 FBG光栅在前，第二FBG光栅在后，所述的第一 FBG光栅和第 二FBG光栅紧贴在大芯径能量光纤前端裸光纤的外周面上，且第二FBG光栅包覆在大芯径 能量光纤的耐高温涂层中。
2. 按权利要求1所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的传感 光纤在第二FBG光栅后间隔设置第三FBG光栅，所述的第三FBG光栅紧贴在大芯径能量光 纤的耐高温涂层的外周面上。
3. 按权利要求2所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的大芯 径能量光纤的耐高温涂层外包覆有紧套外护层，紧套外护层的前端延伸至第二FBG光栅和 第三FBG光栅之间，并包覆第三FBG光栅。
4. 按权利要求3所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的传感 光纤沿与大芯径能量光纤轴线的大致平行方向相配置，传感光纤的尾纤穿出大芯径能量光 纤的紧套外护层。
5. 按权利要求2或3所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述 的传感光纤为单模光纤，各个FBG光栅的波长各不相同，工作窗口为13IOnm波段和/或 1550nm 波段。
6. 按权利要求2或3所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的 大芯径能量光纤包括芯层和包层，所述的芯层为纯娃玻璃层或者掺氟玻璃层，芯层的直径 Dl为400 μ πΓ620 μ m，芯层的相对折射率差Λ 1为-0. 29Π )%，所述的包层分为内包层和外包 层，紧密环绕芯层的为内包层，内包层为掺氟玻璃层，内包层的直径D2为440 μ πΓ700 μ m， 内包层的相对折射率差Λ 2为-1. 99Γ-0. 9%，外包层为纯硅玻璃层或者掺氟玻璃层，外包层 的直径D3为500 μ πΓ760 μ m，外包层的相对折射率Λ 3为-0. 5°/Γ〇%。
7. 按权利要求4所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的大芯 径能量光纤的前端安设有连接器，用以与激光器相连。
8. 按权利要求7所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的连接 器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环，所述的光 纤固定尾柄为轴套状，中部通孔与大芯径能量光纤的紧套外护层段相配接，中部通孔的一 侧沿轴向开设有容纤槽，光纤固定尾柄的前端设有端头，端头的前端面上设置有定位键，端 头中设置孔腔与光纤插芯的后端相套接，所述的光纤插芯为套状，前后依次设置3个同轴 心的通孔，后端通孔与大芯径能量光纤的耐高温涂层段相配置，中间通孔中一侧开设有纤 槽，用于安设传感光纤的第一 FBG光栅段，前端通孔中安设有限位卡环，限位卡环中间穿引 大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位。
9. 按权利要求1或2所述的带温度和应变监测的大芯径能量光纤，其特征在于所述的 光纤固定尾柄由金属、陶瓷、玻璃或耐高温塑料制成，在光纤固定尾柄上设置冷却水循环部 件。
10. -种带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法，包括大芯径能量光纤和传 感光纤，其特征在于大芯径能量光纤前端的耐高温涂层和紧套外护层被剥离形成裸光纤， 所述的传感光纤的前端设置有3个轴向相间隔的FBG光栅，第一、第二、第三FBG光栅前后 依次排序，所述裸光纤长度比第一 FBG光栅和第二FBG光栅总长度长5~10mm ;在裸光纤后 面的连接部分剥离紧套外护层，保留带耐高温涂层；将第一 FBG光栅、第二FBG光栅紧贴在 裸光纤外周面，利用涂覆机将第二光纤FBG光栅与其所贴局部裸光纤一同涂上新的耐高温 涂层，新旧耐高温涂层间无间隙；将第三FBG光栅紧贴在带有耐高温涂层的光纤外周面，利 用涂覆机将第三FBG光栅与其所贴局部带涂层光纤一同涂上紧套外护层材料，或者直接使 用热缩套管将第三FBG光栅和带涂层光纤一同封装，或者使用耐高温胶水将第三FBG光栅 和带涂层光纤粘结在一起，传感光纤的尾纤穿引出大芯径能量光纤的外护层松弛放置。
11.按权利要求10带温度和应变监测的大芯径能量光纤的制作方法，其特征在于在 大芯径能量光纤的前端安设有连接器，所述的连接器包括光纤固定尾柄、与光纤固定尾柄 前端孔腔相套接的光纤插芯和限位卡环；所述的大芯径能量光纤前端端面利用激光切割抛 光处理，依次将光纤固定尾柄和光纤插芯套在被处理的大芯径能量光纤前端，光纤固定尾 柄和光纤插芯的中部通孔的一侧沿轴向分别开设有容纤槽和纤槽，容纤槽和纤槽周向处于 同一方位，传感光纤的第一 FBG光栅段安设在光纤插芯的纤槽中，传感光纤的尾纤通过光 纤固定尾柄的容纤槽引出；限位卡环安设在光纤插芯的前端通孔中，限位卡环中间穿引出 大芯径能量光纤前端的裸光纤，并将大芯径能量光纤前端定位，保证同心度，防止前端裸光 纤使用过程中晃动偏移中心点；光纤固定尾柄通过粘结或者机械夹持将大芯径能量光纤固 定。
【文档编号】G01D21/02GK104316992SQ201410614616
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】吕大娟, 杨晨, 张雅婷, 曹蓓蓓, 韦会峰, 汪洪海 申请人:长飞光纤光缆股份有限公司