一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法，该装置主要包括光纤拉丝塔系统和在线刻写光栅系统。通过将相位掩模板安装在一个平台上，实现刻写光栅中心波长的准确、快速调控，旋转平台由中央控制系统控制，根据刻写光栅中心波长的变化实时改变相位掩模板的旋转角度。在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，基于相位掩模法在线刻写光栅，通过旋转相位掩模板的角度和对应的激光器脉冲能量的增强补偿，实现具有相同或可控反射率且中心波长可连续变化的光栅阵列的制备。本发明专利技术方案能够制备出具有连续波长变化的弱光栅阵列，可以有效消除全同光栅之间的阴影效应和串扰影响，进一步满足大容量密集光纤传感网络的使用要求。

A device and method for on-line fabrication of weak grating array with continuous wavelength variation

【技术实现步骤摘要】
一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法
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连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法。
技术介绍
随着物联网的不断发展，对以光纤传感器为主的传感网络提出了更高的要求。目前光纤传感网络正朝着精度化、密集化和规模化的方向持续发展，进一步发展新型的大容量密集光纤传感网络已经成为了新一轮信息化浪潮的重大课题。对新一代光纤传感网络的性能要求主要有以下两个方面：一是传感的容量要大，包括测量的点数多和测量的范围广，如大型的石油管道火警需要数个公里长度和上万个传感点同时测量以第一时间对火源的产生进行预警；二是传感的精度要高，可以对局部小范围的物理量变化进行精确测量，如对桥梁、隧道等大型工程中裂纹或缺陷处应力的检测就需要传感网络具有足够高的精度。目前有光纤传感网络可以实现在较长范围内数千个传感点的测量，但无法对局部较小区域进行区分和精度测量；同样有的光纤传感网络可以具有非常高的分辨能力和测量精度，但其传感范围和测量点数十分有限。因此，研究开发一种同时满足大容量且高精度的密集光纤传感网络具有十分重要的应用价值。光纤光栅(FiberBraggGrating，FBG)阵列是目前十分热门的一种光纤传感网络。通过在一根光纤上连续不断的写入一系列光栅，将每一个光栅作为一个光纤传感单元，再利用波分复用解调(WDM)技术和时分复用解调(TDM)技术对每一个光栅反射回来的信号进行区分识别，并通过对光栅中心波长的准确测量实现对整个光纤光栅传感网络的实时监测。基于WDM/TDM技术的光纤光栅传感网络可以实现大范围测量同时对相邻的FBG进行有效区分以实现高精度的测量要求。这种技术需要系统可以精确采集到每一个光栅的反射信号，要求光纤光栅阵列具有较低的传输损耗和信号串扰。专利CN104635295专利技术了一种在线光纤光栅制备系统，实现在线连续制备具有较好一致性的光栅阵列。该专利技术提出的光栅阵列具有较低传输损耗，可以实现较大容量的光纤传感网络的检测要求。但该型光栅阵列为全同型光栅，随着光栅数量和排列密度的进一步提高，难以解决全同光栅之间相互的信号串扰，限制了其容量和精度的进一步提高。专利CN105259610A专利技术了一种光纤光栅阵列在线制备多波长有序切换装置及方法。该装置可以在刻写光栅过程中切换不同周期的相位掩模板，在一根光纤上刻写出具有不同波长类型的光纤光栅。该专利技术有效降低了全同光栅阵列中存在的光栅信号串扰影响，提高了光纤传感网络的容量。但该方法需要不断的切换相位掩模板，其刻写光栅的波长种类和相邻光栅的间隔受到了一定的限制，难以进一步满足大容量密集光纤传感网络的使用要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术中制备多波长光栅阵列存在的波长种类少、难以完全消除光栅串扰的缺陷，提出一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置及方法，实现光栅阵列在大容量密集光纤传感网络中的应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，包括中央控制系统、预制棒送料装置、高温加热炉、光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台、双重涂覆固化装置和光纤牵引成盘装置；光纤直径检测装置上方依次设置预制棒送料装置、高温加热炉，制备的光纤经过光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台，到达光纤牵引成盘装置。该光栅平台依次包括激光器刻写装置、扩束柱面透镜、整形柱面透镜、聚焦柱面透镜和相位掩模板，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板后的裸纤上，进行光栅的刻写。按上述技术方案，所述的相位掩模板安装在可旋转的基座上，包括固定装置、转轴、可控伸缩滑杆和水平底座，固定装置将相位掩模板固定在中心区域，经由转轴、可控伸缩滑杆与水平底座相连，且可以由可控伸缩滑杆伸缩实现以转轴为中心转动，改变相位掩模板的倾斜角度。按上述技术方案，所述中央控制系统的送料控制信号输出端连接预制棒送料装置的控制信号输入端，中央控制系统的温度控制信号输出端连接高温加热炉的控制信号输入端，光纤直径检测装置的信号输出端连接中央控制系统的光纤直径检测结果输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅波长控制信号的输出端连接可控伸缩滑杆的信号输入端，中心控制系统的光纤光栅牵引成盘控制信号的输出端连接光纤牵引成盘装置的输入端。按上述技术方案，所述可控伸缩滑杆由电信号控制，其在通电工作时，其伸缩长度由上一次的输入的电信号进行控制，其自身作为固定装置和水平底座的连结部件，除长度变化外不发生其它方向的移动和变化。转轴作为固定装置和水平底座的连结部件，可以使固定装置以自身为中心发生一定程度的旋转，其相对于水平底座不会发生任何方向的移动。本专利技术还提供一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，中央控制系统控制预制棒送料装置和高温加热炉将原料预制棒拉制成裸纤，经由光纤直径检测装置的实时反馈控制裸纤直径，此时裸纤的拉丝速度也处于一个相对稳定的数值。步骤二，中央控制系统对激光器刻写装置的激光脉冲周期和强度进行预设，使在线刻写光栅平台刻写光栅；同时中央控制系统控制可控伸缩滑杆进行伸缩，其初始长度为最短状态并且恰好使相位掩模板的中垂线完全平行与裸纤方向，此即为倾斜角度为0°时的状态，中央控制系统根据预设的程序，同时调节激光器刻写装置和可控伸缩滑杆的参数，完成具有连续波长变化的光栅阵列的刻写。步骤三，所述双重涂覆固化装置对步骤二刻写后的裸纤进行涂覆、固化处理形成光栅光纤，经由光纤牵引成盘装置完成装盘收纳。按上述技术方案，所述可控伸缩滑杆的长度调节范围在5cm—6cm范围内，其长度调节精度为0.1mm，其对应的相位掩模板可以旋转的角度范围为0°—7°，对应刻写光栅的倾斜角度在0°—7°范围内变化，能使光栅的反射谱中心波长有6nm的连续变化且可控。按上述技术方案，进行中心波长连续变化的弱布拉格光栅刻写操作时，中央控制系统通过对激光器刻写装置的控制，通过控制激光器的脉冲强度，调整光栅反射率，以补偿相位掩模版的倾斜角度对刻写光栅强度的影响，使刻写的弱布拉格光栅阵列的反射光功率和谱形质量均达到光纤光栅刻写目标的要求。本专利技术的原理为：在光纤光栅制作过程中，通过对相位掩模板旋转一定的角度，可以使刻写的光栅相对于光纤轴向方向有一定的倾斜角度，形成小角度的倾斜光栅。这种小角度的倾斜光栅的中心波长和反射强度均与倾斜角度有对应关系，通过控制倾斜角度的大小和激光器脉冲强度等关键参数，可以实现在线制备具有连续波长变化的光栅阵列，其光栅中心波长变化的均匀性和强度的一致性均可以满足制备要求。该专利技术可以有效消除阴影效应和串扰影响，提高传感系统的复用容量。本专利技术产生的有益效果是：其一，本专利技术基于反射型弱布拉格光纤光栅，可以实现长距离的准分布式传感要求，通过波长的连续变化，可进一步提高使用的传感距离和复用容量；其二，本专利技术通过改变相位掩模板的旋转角度实现刻写光栅中心波长的改变，其相对于切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，包括中央控制系统、预制棒送料装置、高温加热炉、光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台、双重涂覆固化装置和光纤牵引成盘装置；该光栅平台依次包括激光器刻写装置、扩束柱面透镜、整形柱面透镜、聚焦柱面透镜和相位掩模板，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板后的裸纤上，进行光栅的刻写。/n

【技术特征摘要】
1.一种在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，包括中央控制系统、预制棒送料装置、高温加热炉、光纤直径检测装置、在线刻写光栅平台、双重涂覆固化装置和光纤牵引成盘装置；该光栅平台依次包括激光器刻写装置、扩束柱面透镜、整形柱面透镜、聚焦柱面透镜和相位掩模板，激光器光束经透镜组扩束、整形后聚焦在位于相位掩模板后的裸纤上，进行光栅的刻写。


2.根据权利要求1所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，所述的相位掩模板安装在可旋转的基座上，包括固定装置、转轴、可控伸缩滑杆和水平底座，固定装置将相位掩模板固定在中心区域，经由转轴、可控伸缩滑杆与水平底座相连，且可以由可控伸缩滑杆伸缩实现以转轴为中心转动，改变相位掩模板的倾斜角度。


3.根据权利要求1或2所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，所述中央控制系统的送料控制信号输出端连接预制棒送料装置的控制信号输入端，中央控制系统的温度控制信号输出端连接高温加热炉的控制信号输入端，光纤直径检测装置的信号输出端连接中央控制系统的光纤直径检测结果输入端，中心控制系统的光纤光栅刻写控制信号输出端连接激光器刻写装置的控制信号输入端，中心控制系统的光纤光栅波长控制信号的输出端连接可控伸缩滑杆的信号输入端，中心控制系统的光纤光栅牵引成盘控制信号的输出端连接光纤牵引成盘装置的输入端。


4.根据权利要求2所述的在线制备具有连续波长变化的弱光栅阵列装置，其特征在于，所述可控伸缩滑杆由电信号控制，其在通电工作时，其伸缩长度由上一次的输入的电信号进行控...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海湖，高文静，郑羽，郭会勇，李政颖，江山，郑洲，王月明，
申请(专利权)人：武汉理工大学，武汉烽理光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42