在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术设计了一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法及装置，当光纤从拉丝塔上石墨炉中拉制出后冷却，位于拉丝塔主动牵引轮后的光电编码器随着主动牵引轮转动开始每隔单位距离发射脉冲。位于激光器处的脉冲计数器接收脉冲并开始计数。当计数值达到设定值时，触发激光器发射激光脉冲。激光脉冲通过相位/振幅掩模板，在光纤纤芯上局部区域的折射率形成周期性变化结构。同时位于涂覆装置上脉冲计数器根据脉冲计数设定值启动涂覆装置。涂覆装置通过启动时间长短来调节涂覆涂层的长短及厚度，涂层材料可以为各种功能材料。

On-line Fabrication of Long Period Fiber Bragg Grating with Fixed-point Coating

The invention designs a method and device for on-line fabrication of long-period fiber grating with fixed-point coating. When the fiber is drawn from graphite furnace on the drawing tower and cooled, the photoelectric encoder located behind the active pulley of the drawing tower starts to emit pulses per unit distance with the rotation of the active pulley. The pulse counter located at the laser receives the pulse and starts counting. When the counting value reaches the set value, the trigger laser emits laser pulses. The refractive index of the local region on the core of the fiber changes periodically through the phase/amplitude mask. At the same time, the pulse counter located on the coating device starts the coating device according to the setting value of the pulse count. The coating device adjusts the length and thickness of the coating by starting time. The coating material can be used as various functional materials.

【技术实现步骤摘要】
在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法及装置
本专利技术属于光纤光栅制备
，尤其涉及一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法及装置。
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。长周期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，在光传感及光通信领域的应用也愈加广泛。通过对光纤纵轴上进行周期性折射率调制，将基模耦合到包层模中，其在光谱上表现出特定波长的损耗。通过在长周期光栅表面涂覆不同的材料，长周期光栅能够测量温度、湿度、折射率、应变、氢气等各种参量。传统制备长周期光栅传感器的方法通常是基于离线制备的。光纤在制备完成后，去掉涂覆层，然后利用激光器刻写，最后再涂覆各种敏感涂层材料。这种方法制备的长周期光栅传感器能够应用在温度、湿度、折射率等传感领域。但是这种方法制备效率低，当需要大量使用长周期光栅传感器时，需要长时间制备。并且，在去掉光纤涂覆层的过程中，极易使光纤表面受到机械损伤。这使得传感器强度大为降低。中国专利CN107632336A专利技术了一种长周期光栅及其制作方法。利用高数值孔径光纤，在去掉光纤涂覆层后，用二氧化碳激光器发射激光对光纤进行加热。通过让高数值孔径的纤芯中掺杂元素扩散，模场变大。这种重复性的结构便构成了长周期光栅。这种方法需要剥离涂覆层，不仅制备效率低并且容易损伤传感器，降低传感器强度。中国专利CN106018350A专利技术了一种长周期光纤光栅的SPR重金属离子传感头及其制作方法。该专利技术在长周期光纤光栅表面镀上一层金属膜，然后在金属膜表面制备另一层改性壳聚糖薄膜。通过长周期光栅将光耦合到表面激发SPR信号，传感器能够检测重金属离子。但是这种方法制备在需要大量使用时，制备耗时长，难以快速大规模制备。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法及装置，实现快速大规模制备。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术首先提供一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的装置，包括：光纤预制棒及进料装置，石墨炉，涂覆装置，固化炉，主动牵引轮，相位掩模板；光纤预制棒及进料装置用于按照预设速度将预制棒送入石墨炉中，石墨炉内温度梯度及温度大小可控，融化预制棒尖端，主动牵引轮根据设定速度带动光纤转动，安装在主动牵引轮后的光电编码器根据转动弧长大小发送脉冲；根据脉冲计数器指令，激光器发射激光脉冲，激光脉冲通过相位掩模板形成干涉条纹，在光纤上形成周期性的条纹，刻写一个长周期光纤光栅；涂覆装置接收指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，进入固化炉中；涂覆装置根据指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，然后进入固化装置中。本专利技术还提供一种利用上述装置的在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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，形成长周期光栅；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；步骤五，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；步骤六，多个涂覆装置串联，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。按上述技术方案，当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在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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，形成长周期光栅；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。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；步骤五，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；步骤六，多个涂覆装置串联，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，延时程序的延时时长为(L0±k)/v，其中L0为激光器脉冲在光纤上的位置与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。本专利技术产生的有益效果是：在线制备长周期光纤光栅，能够大规模、低成本、高效率、一致性好的制备长周期光纤光栅；通过在线刻写长周期光纤光栅时，在长周期光纤光栅表面涂覆不同涂层材料，使得长周期光纤光栅传感器能够同时测量多个参量。在线刻写具有定点涂层的长周期光纤光栅，可以大规模、高效、低成本的制备具有多参量同时测量能力的长周期光纤光栅传感器。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在线大规模刻写具有定点涂层的长周期光栅的装置结构示意图；图2是本专利技术实施例一的方法流程图；图3是本专利技术实施例二的方法流程图；图4为本专利技术实施例中制备的具有定点涂层的长周期光纤传感器结构示意图；图5为本专利技术实施例制备的长周期光纤传感器的透射谱；图1中：101-光纤预制棒及进料装置，102-石墨炉，103-涂覆装置，104-固化装置，105-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-激光器。图4中：401-光纤外涂，402-光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的装置，其特征在于，包括：光纤预制棒及进料装置，石墨炉，涂覆装置，固化炉，主动牵引轮，相位掩模板；光纤预制棒及进料装置用于按照预设速度将预制棒送入石墨炉中，石墨炉内温度梯度及温度大小可控，融化预制棒尖端，主动牵引轮根据设定速度带动光纤转动，安装在主动牵引轮后的光电编码器根据转动弧长大小发送脉冲；根据脉冲计数器指令，激光器发射激光脉冲，激光脉冲通过相位掩模板形成干涉条纹，在光纤上形成周期性的条纹，刻写一个长周期光纤光栅；涂覆装置接收指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，进入固化炉中；涂覆装置根据指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，然后进入固化装置中。

【技术特征摘要】
1.一种在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的装置，其特征在于，包括：光纤预制棒及进料装置，石墨炉，涂覆装置，固化炉，主动牵引轮，相位掩模板；光纤预制棒及进料装置用于按照预设速度将预制棒送入石墨炉中，石墨炉内温度梯度及温度大小可控，融化预制棒尖端，主动牵引轮根据设定速度带动光纤转动，安装在主动牵引轮后的光电编码器根据转动弧长大小发送脉冲；根据脉冲计数器指令，激光器发射激光脉冲，激光脉冲通过相位掩模板形成干涉条纹，在光纤上形成周期性的条纹，刻写一个长周期光纤光栅；涂覆装置接收指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，进入固化炉中；涂覆装置根据指令，在光栅表面部分区域涂覆设定厚度、长度、材料的特种涂层，然后进入固化装置中。2.利用权利要求1所述装置的在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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，形成长周期光栅；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；步骤五，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；步骤六，多个涂覆装置串联，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。3.根据权利要求2所述的在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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。4.根据权利要求2或3所述的在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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。5.根据权利要求2或3所述的在线制备具有定点涂层的长周期光纤光栅的方法，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海湖，徐驰，郭会勇，徐一旻，李小甫，李阳杰，姜德生，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42