飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法技术

技术编号:20913359 阅读:43 留言:0更新日期:2019-04-20 09:05
本发明专利技术设计了一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法,基于相位掩模法,通过飞秒激光在线刻写光栅阵列。光栅刻写后通过特种涂覆设备,在线封装成准分布式多参量测量的传感器阵列。光栅表面部分区域可以涂覆金属涂层或者其他耐高温涂层、功能涂层,能够应用在高温等特殊环境中。当外界温度、应变等环境参量变化时,具有不同涂层的光栅阵列反射峰分裂成多个具有不同灵敏度的峰。通过这些反射峰波长对外界环境变化的漂移值,结合灵敏度矩阵方程,解调得到外界环境改变量。通过本发明专利技术能够制备具有应用在高温等特殊环境下的准分布式多参量光栅传感器阵列,具有传感器强度高、制备成本低、能多参量同时测量的优点。

Femtosecond Laser on-line Writing of Grating Array and Quasi-Distributed Multi-parameter Measurement Method

The invention designs a femtosecond laser on-line writing grating array and a quasi-distributed multi-parameter measurement method. Based on the phase mask method, the grating array is on-line written by femtosecond laser. After grating is engraved, a quasi-distributed multi-parameter sensor array is encapsulated online by special coating equipment. Some areas of the grating surface can be coated with metal coatings or other high temperature resistant coatings and functional coatings, which can be used in high temperature and other special environments. When the environmental parameters such as temperature and strain change, the reflective peaks of grating arrays with different coatings split into several peaks with different sensitivity. Through the drift values of these reflecting peaks to the changes of the external environment, combined with the sensitivity matrix equation, the change of the external environment can be demodulated. The invention can prepare a quasi-distributed multi-parameter grating sensor array which can be applied in high temperature and other special environments, and has the advantages of high sensor strength, low preparation cost and simultaneous measurement of multi-parameters.

【技术实现步骤摘要】
飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法
本专利技术属于光纤光栅传感
,尤其涉及一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法。
技术介绍
随着时代的发展,对光纤传感器的要求不断提高。目前光纤传感器正朝着高性能、大容量、多参量和阵列化的方向发展。发展新一代光纤传感器网络已成为新一轮信息化浪潮的重大课题。飞秒激光刻写的光纤光栅是新一代光无源器件,具有稳定性好、体积小、使用灵活、易于与光纤集成等优点,并且光纤纤芯不需要掺杂,能够应用于高温等特殊环境,为光纤传感领域开辟了一个新的方向。目前光纤传感器已经广泛应用于电力、交通、安防等领域。随着时代的发展,光纤传感器需要具有多点同时多参量测量,能够进行准分布式或者分布式多参量测量。传统的飞秒激光刻写的光纤光栅都是基于离线制备的。光纤在制备完成后,去掉涂覆层,然后利用飞秒激光器刻写,最后再涂覆涂层。这种方法制备的方法虽然具有能够应用在高温等特殊环境,但是由于对光纤表面具有较大的机械损伤,使传感器强度较低。并且多个传感器串联形成阵列时,具有较大损耗,难以大容量复用。而已有的光纤多参量传感器结构复杂、强度较弱、难以形成多参量传感网络。中国专利CN101539403A专利技术了一种利用金属管封装裸光栅的光纤光栅应变、温度同时测量传感器。该传感器利用金属管封装光纤光栅,其中一个光栅两端受力,另一个光栅一端受力。通过一端受力光栅测量温度,补偿两端受力光栅,形成温度、应变双参量测量。这种传感器结构复杂、不易大规模制备,同时难以形成传感器阵列。专利CN108051377A专利技术了一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的方法和装置。该装置利用飞秒激光通过移动光纤的速度在美国康宁SMF28单模光纤上刻写不同周期和长度的光纤光栅。该专利技术能够在测量折射率上具有良好的应用。但是这种方法需要剥离涂覆层,对光纤具有机械损伤。并且难以制备大容量光纤传感器。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,提供一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法,激光在线刻写光栅多参量传感器阵列,能够形成具有准分布式多参量测量的光纤传感器阵列,具有高强度、大容量、低损耗。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:本专利技术提供一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,该方法包括以下步骤,步骤一,预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后,被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射;步骤二,飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域,形成光栅;步骤三,根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号,位于飞秒激光器中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值发射激光脉冲;步骤四,位于特种涂覆装置上的计数器接收脉冲信号并在计数达到设定值时启动,涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅表面部分区域的涂层材料的长度及厚度,随后进入固化炉中固化;步骤五,多个特种涂覆装置串联,在光纤光栅表面形成多个具有不同涂层区域的光栅传感器。按上述技术方案,主动牵引轮夹住光纤,根据外弧边单位转动距离发送脉冲信号,由以下公式计算:r=2×π*R/N,式中,r为光电编码器发送信号的弧长间隔,即外弧边单位转动距离;R为主动牵引轮的半径;N为主动牵引轮转动一圈光电编码器发送的脉冲信号个数。按上述技术方案,激光器中脉冲计数器的设定值为L/r,L为根据实际需要所刻写光栅的间隔,当计数值达到后清零。按上述技术方案,当系统启动时,激光器发射第一个激光脉冲,随后各脉冲计数器全部清零,并以此为开始计数点;所刻写的光栅以刻写位置对称分布;当特种涂覆装置中的脉冲计数器第一次计数时,其设定值为(L0±k)/r,其中L0为激光器脉冲在光纤上的位置与特种涂覆装置在光纤上涂覆位置的间隔,k为偏离光栅中心的长度。随后脉冲计数器计数清零,并且后续设定值为L/r。本专利技术还提供一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,该方法包括以下步骤,步骤一,预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后,被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射;步骤二,飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域,形成光栅;步骤三,根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号,位于主动牵引轮中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值发射脉冲信号;步骤四,激光器接收脉冲信号并发射激光脉冲,特种涂覆装置接收脉冲信号,经过延时程序后,启动特种涂覆转置,涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅表面部分区域的涂层材料的长度及厚度,随后进入固化炉中固化;步骤五,多个特种涂覆装置串联,能够在光纤光栅表面形成多个具有不同涂层区域的光栅传感器。按上述技术方案,主动牵引轮夹住光纤,根据外弧边单位转动距离发送脉冲信号,由一下公式计算:r=2×π*R/N,式中,r为光电编码器发送信号的弧长间隔,即外弧边单位转动距离;R为主动牵引轮的半径;N为主动牵引轮转动一圈光电编码器发送的脉冲信号个数。按上述技术方案,脉冲计数器的设定值为L/r,L为根据实际需要所刻写光栅的间隔,当计数值达到后清零。按上述技术方案,延时程序为(L0±k)/v,其中L0为激光器脉冲在光纤上的位置与特种涂覆装置在光纤上涂覆位置的间隔,k为偏离光栅中心的长度,v为光纤拉丝速度,随后当光栅间隔L小于L0时,延时程序的延时时长为(LL±k)/v,其中LL=L0modL,即LL为LO除以L的余数;当光栅间隔L大于或者等于L时,延时程序的时长为(L0±k)/v,mod为取余算符。本专利技术还提供一种利用以上的飞秒激光在线刻写的光栅多参量传感器阵列准分布式多参量测量的方法,该方法包括以下步骤,步骤一,基于飞秒激光在线刻写的光纤光栅表面涂覆多个不同涂层,这些涂层包括金属涂层、吸水涂层或者气体敏感涂层;步骤二,环境参量变化时,不同涂层的膨胀程度、折射率变化,光纤光栅具有不同的长度或者折射率变化;步骤三,利用光纤光栅阵列解调仪,得到光栅在不同位置处的反射谱,反射峰根据不同涂层的个数形成相应的反射峰数目;步骤四,根据反射峰波长在环境参量变化下的漂移量,结合灵敏度矩阵方程,解调得到环境参量改变量。光纤光栅表面的涂层可以为金属涂层、吸水涂层或者各种功能涂层。按上述技术方案,通过灵敏度矩阵,可以得到当第1、2、…、s个参量改变时,光栅多个反射峰波长的变化为:式中Δλ1、Δλ2、…、Δλn分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量,k11、k12、…、k1s分别为光栅第一个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度,kn1、kn2、…、kns分别为光栅第n个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度,ΔT、Δε、…、Δ%RH分别为第1、2、…、s个参量的变化量。本专利技术产生的有益效果是:激光在线刻写光栅多参量传感器阵列,能够形成具有准分布式多参量测量的光纤传感器阵列,具有高强度、大容量、低损耗。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明,附图中:图1是本专利技术实施例中飞秒激光在线刻写光栅阵列的装置结构示意图。图1中:101-光纤预制棒及进料装置,102-石墨炉,103-特种涂覆装置,104-固化装置,105-特种涂覆装置,106-固化装置,107-主动牵引轮及收线装置,108-相位掩模板,109-飞秒激光器。图2是本专利技术一实施例的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤,步骤一,预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后,被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射;步骤二,飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域,形成光栅;步骤三,根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号,位于飞秒激光器中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值发射激光脉冲;步骤四,位于特种涂覆装置上的计数器接收脉冲信号并在计数达到设定值时启动,涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅表面部分区域的涂层材料的长度及厚度,随后进入固化炉中固化;步骤五,多个特种涂覆装置串联,在光纤光栅表面形成多个具有不同涂层区域的光栅传感器。

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤,步骤一,预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后,被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射;步骤二,飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域,形成光栅;步骤三,根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号,位于飞秒激光器中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值发射激光脉冲;步骤四,位于特种涂覆装置上的计数器接收脉冲信号并在计数达到设定值时启动,涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅表面部分区域的涂层材料的长度及厚度,随后进入固化炉中固化;步骤五,多个特种涂覆装置串联,在光纤光栅表面形成多个具有不同涂层区域的光栅传感器。2.根据权利要求1所述的飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,主动牵引轮夹住光纤,根据外弧边单位转动距离发送脉冲信号,由以下公式计算:r=2×π*R/N,式中,r为光电编码器发送信号的弧长间隔,即外弧边单位转动距离;R为主动牵引轮的半径;N为主动牵引轮转动一圈光电编码器发送的脉冲信号个数。3.根据权利要求2所述的飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,激光器中脉冲计数器的设定值为L/r,L为根据实际需要所刻写光栅的间隔,当计数值达到后清零。4.根据权利要求3所述的飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,当系统启动时,激光器发射第一个激光脉冲,随后各脉冲计数器全部清零,并以此为开始计数点;所刻写的光栅以刻写位置对称分布;当特种涂覆装置中的脉冲计数器第一次计数时,其设定值为(L0±k)/r,其中L0为激光器脉冲在光纤上的位置与特种涂覆装置在光纤上涂覆位置的间隔,k为偏离光栅中心的长度。随后脉冲计数器计数清零,并且后续设定值为L/r。5.一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤,步骤一,预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后,被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射;步骤二,飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域,形成光栅;步骤三,根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号,位于主动牵引轮中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值发射脉冲信号;步骤四,激光器接收脉冲信号并发射激光脉冲,特种涂覆装置接收脉冲信号,经过延时程序后,启动特种涂覆转置,涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员:李政颖郑洲桂鑫余海湖
申请(专利权)人:武汉理工大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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