CN105259735A - 弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置及方法，该装置包括一维平移台和相位掩模板阵列，一维平移台上设置有用于固定和调节相位掩模板阵列的可移动夹具；相位掩模板阵列的入射面上固定设置有带有多个狭缝的FP掩模板，固定的激光束辐射在狭缝后，在相位掩模干涉区上形成光斑区，并透过相位掩模干涉区辐射在光纤上；夹具沿一维平移台移动，并带动相位掩模板阵列和FP掩模板移动，使激光束辐射到不同的狭缝和相位掩模干涉区上。本发明能够实现不同光栅长度、不同腔长的光栅的制备，且装置结构简单，控制实施容易，FP掩模板切换速度快，提高了工作效率。

Description

弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置及方法。

背景技术

随着光纤光栅传感应用规模不断扩展、传感需求多样化，光纤光栅传感技术正朝着高性能、集约化和网络化的方向持续发展；随着物联网技术的推广和深入发展，寻求新一代大容量、长距离光纤光栅传感器网络已成为信息获取技术的重大课题。

常规光栅传感***多采用波分复用方式，由于光源带宽限制，该方法复用的光栅数量有限，远远不能满足大容量要求。武汉理工大学光纤传感技术中心申请了基于时分复用能力强的弱反射率光栅构建大容量传感***的发明专利(超大容量时分波分光纤光栅传感***及其查询方法[发明专利].中国,专利号:ZL.201210390000.8.和一种超弱光纤光栅传感***及其查询方法[发明专利].中国,专利号:ZL.201210391578.5.)。由于时分复用方法基于不同位置光栅的反射光到达探测器的时间不同进行信号解调，所以同一波长上能复用多个光栅；随着光栅反射率的降低，同一波长上光栅复用数量会成倍增加，从而实现光栅传感***的大复用量。

以上发明专利借助两个SOA的高速开关及光放大特性，通过控制两个SOA的开关时延锁定光栅阵列中的某光栅对其反射信号进行采集，并通过扫描各光栅的时延实现光栅阵列的信号解调。该方法结构简单，实施成本低；同时因能避免大量非光栅处冗余数据的采集及处理，从而提高***的解调速度。然而，由于大容量检测基于超弱反射率光纤光栅，为了实现光开关SOA足够的功率增益以达到对光栅超弱反射信号的检测，光源带宽需要限制在较窄范围(4nm左右)内，有限的波长带宽较难满足大多数实际工程的结构应力监测。

如何解决该检测方法的窄光源带宽与工程检测所要求的宽工作带宽之间的矛盾，以完善超大容量时分波分光纤光栅传感***及其查询方法[发明专利].中国,专利号:ZL.201210390000.8.和一种超弱光纤光栅传感***及其查询方法[发明专利].中国,专利号:ZL.201210391578.5.在实际工程应用中应力检测的可行性，实现更加实用可行的超大容量、长距离光纤光栅传感网络成为本发明申请提出的关键所在。

光纤光栅法布里-珀罗腔(FP)阵列，用光栅FP替代超弱光纤光栅作为传感基元。由于其干涉腔内介质是光纤，光在腔内来回反射的损耗非常小，因此，光纤光栅FP腔传感阵列具有光纤光栅阵列低***损耗的特点，可以实施大容量、长距离传感。用两光栅间的FP腔作为传感部件，通过检测光栅FP腔干涉谱的变化实现传感被测量的检测。相对于以光纤光栅作为传感单元的传感***，光纤光栅FP传感器具有以下优点：

1、由于光纤光栅FP腔的传感部分为两光栅间的光纤，光栅本身并不参与应力传感，因此并不存在光纤光栅本身作为传感单元因应力作用使其Bragg波长飘出光源带宽的情况，光纤光栅FP腔具有更宽的动态响应范围。

2、光纤光栅在不均匀应力作用下会出现啁啾现象，导致Bragg波长解调不准，而光纤光栅FP以腔中光纤作为传感部件，其干涉谱变化仅与腔长变化有关，因此并不会出现光栅啁啾现象导致检测难度增加。

3、对于长距离光纤光栅或光纤光栅FP传感阵列，光纤传输损耗对远端传感单元信号检测影响显著；通过合理分配远、近端光栅反射率确保所有反射回来的信号强度相当。对于光栅传感器而言，制备中较易实施的方法是通过逐渐调节光栅长度的方法实现光栅反射率强弱调节；但是随着光栅长度简短，光栅反射谱强度减弱，同时伴随谱形展宽，Bragg波长准确解调困难程度增加。而光纤光栅FP随着光栅长度减小，干涉谱强度减弱，但其主包络区展宽，干涉条纹数量增多，一定程度上更加有利于后端信号解调。因此，光纤光栅FP传感器通过调节光栅长度实现传感阵列信号强度逐渐变化并不会给后端信号解调带来困难。

4、光纤FP干涉腔内介质是光纤，光在腔内来回反射的损耗非常小，因此其腔长可以设计很长，这样通过空间频分复用方法可以增加传感器的复用数量。以FP腔中间光纤作为传感单元，根据被测应力大小，合理选择FP腔的传感光纤长度，可起到优化传感器检测灵敏度或应力空间精度的作用。

5、由于光纤光栅FP干涉谱是在光栅反射谱所包络的区间内形成干涉条纹。以干涉条纹极值为参考计算被测变化量，相对于光栅精度更高。

因此，在大容量、长距离光纤传感***应用中，光纤光栅FP传感器相对于光纤光栅而言，具有诸多优点，如何制备便成了亟待解决的一个难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法精确控制光纤光栅FP阵列的制备的缺陷，提供一种能够精确控制制备光纤光栅的长度和腔长的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，包括一维平移台和相位掩模板阵列，所述一维平移台上设置有用于固定和调节所述相位掩模板阵列的可移动夹具；

所述相位掩模板阵列包括基片和所述基片上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区，所述相位掩模干涉区密集等间距的排列在所述基片中；

所述相位掩模板阵列的入射面上固定设置有带有多个狭缝的FP掩模板，固定的激光束辐射在所述狭缝后，在所述相位掩模干涉区上形成光斑区，并透过所述相位掩模干涉区辐射在光纤上；

所述夹具沿所述一维平移台移动，并带动所述相位掩模板阵列和所述FP掩模板移动，使激光束辐射到不同的所述狭缝和所述相位掩模干涉区上。

进一步地，本发明的所述FP掩模板上设置有多对形状大小均相同的所述狭缝，每对所述狭缝沿水平轴线对称，且间距依次增大。

进一步地，本发明的所述狭缝有3对，其大小均为2.5mm*1mm，3对所述狭缝的间距依次为1mm、2mm和3mm。

进一步地，本发明的所述FP掩模板上设置有多个在水平方向上共轴的所述狭缝，所述狭缝的宽度依次增大且等间距布置。

进一步地，本发明的所述狭缝有3个，其长度均为1mm，宽度依次为0.5mm、1mm和1.5mm。

进一步地，本发明的所述一维移动台上还设置有伺服控制机构、双燕尾槽轨道以及丝杆；

所述丝杆一端与所述伺服控制机构连接，所述夹具底部通过丝杆螺母与所述丝杆连接，所述伺服控制机构带动所述丝杆转动，使所述夹具沿所述双燕尾槽轨道移动。

进一步地，本发明的所述FP掩模板为不锈钢材质。

进一步地，本发明的所述FP掩模板的厚度为0.05-0.15mm。

本发明提供一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多对形状大小均相同的狭缝，每对狭缝沿水平轴线对称，且间距依次增大；

激光束辐射到其中一对狭缝上，在相位掩模干涉区内形成两个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列分别辐射在两根光纤上，从而在两根光纤上同时写入两个光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，使激光束辐射到不同的狭缝对上，从而实现不同腔长的光栅的制备。

本发明提供一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多个在水平方向上共轴的狭缝，狭缝的宽度依次增大且等间距布置；

激光束辐射到其中一个狭缝上，在相位掩模干涉区内形成一个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列辐射在光纤上，从而在光纤上同时写入光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，控制激光束辐射到不同的狭缝上，并调节激光束的脉冲频率，控制激光束辐射的时间，从而实现不同光栅长度、不同腔长的光栅的制备。

本发明产生的有益效果是：本发明的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，通过相位掩模板阵列和FP掩模板固定在一维平移台上，并使用伺服控制机构带动夹具移动，使相位掩模板的干涉区能够稳定的实现波长一致良好的光栅在线制备；通过FP掩模板上设置的狭缝的不同排列方式间的切换，实现了不同光栅长度、不同腔长的光栅的制备；装置结构简单，控制实施容易，FP掩模板切换速度快，提高了工作效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置的相位掩模板阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置的一种FP掩模板的结构示意图；

图4是本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置的另一种FP掩模板的结构示意图；

图中1-一维平移台，101-伺服控制机构，102-双燕尾槽轨道，103-丝杆，2-夹具，3-相位掩模板阵列，301-基片，302-相位掩模干涉区，4-激光束，5-FP掩模板，501-狭缝，6-光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，包括一维平移台1和相位掩模板阵列3，一维平移台1上设置有用于固定和调节相位掩模板阵列3的可移动夹具2；

如图2所示，相位掩模板阵列3包括基片301和基片301上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区302，相位掩模干涉区302密集等间距的排列在所述基片301中。

本发明的一个实施例中，相位掩模干涉区302的条纹的周期λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，…,λ_n-3,λ_n-2,λ_n-1,λ_n依次等间距增加或减少。

本发明的另一个实施例中，相位掩模干涉区302的条纹的周期还可有另一种排列方式，正向间隔的相位掩模干涉区302的条纹的周期依次为λ₁，λ₂，…，λ_n/2-1，λ_n/2，，反向间隔的相位掩模干涉区302的周期依次为λ_n/2+1，λ_n/2+2，…，λ_n-1，λ_n，满足λ₁，λ₂，λ₃，…，λ_n/2-1，λ_n/2，λ_n/2+1，λ_n/2+2，…，λ_n-1，λ_n依次等间距增加或减少，n为偶数。

如图3所示，相位掩模板阵列3的入射面上固定设置有带有多个狭缝501的FP掩模板5，固定的激光束4辐射在狭缝501后，在相位掩模干涉区302上形成光斑区，并透过相位掩模干涉区302辐射在光纤6上；FP掩模板5为不锈钢材质。

FP掩模板5的设置方式有两种：FP掩模板5上设置有多对形状大小均相同的狭缝501，每对狭缝501沿水平轴线对称，且间距依次增大；另一种是，FP掩模板5上设置有多个在水平方向上共轴的狭缝501，狭缝501的宽度依次增大且等间距布置。

夹具2沿一维平移台1移动，并带动相位掩模板阵列3和FP掩模板5移动，使激光束4辐射到不同的狭缝501和相位掩模干涉区302上。

一维移动台1上还设置有伺服控制机构101、双燕尾槽轨道102以及丝杆103；丝杆103一端与伺服控制机构101连接，夹具2底部通过丝杆螺母与丝杆103连接，伺服控制机构101带动丝杆103转动，使夹具2沿双燕尾槽轨道102移动。

如图3所示，在本发明的另一个实施例中，相位掩模板阵列3的激光入射面设置一片外形尺寸相同的不锈钢FP掩模板5，厚度0.05-0.15mm，不锈钢FP掩模板5紧贴相位掩模板阵列3。在与相位掩模板阵列3干涉区(10mm×10mm)相对应的不锈钢FP掩模板5面域内，加工出三个狭缝对501，其中所有狭缝具有相同尺寸(2.5mm×1mm)，三个狭缝对501的两狭缝之间的间距分别为1mm，2mm，3mm，用来分别形成光栅长度1mm、腔长分别为1mm，2mm，3mm的光栅FP腔。激光束光斑尺寸8mm×1.5mm，其中8mm方向与光纤方向一致。当激光束辐照在其中一对狭缝501上时，受不锈钢FP掩模板5遮挡作用，在相位掩模板阵列3的干涉区内形成二个1mm×1.5mm的光斑区，两光斑透过相位掩模板阵列3辐照在光纤上，从而在光纤上写入两个1mm长的光栅。若光斑辐照在两狭缝间隔1mm的狭缝501对上，则两光栅间隔1mm，从而形成一个光栅长度1mm、腔长1mm的光纤光栅FP腔。通过平移台实现相位掩模板阵列3和不锈钢FP掩模板5的水平移动，从而可实现三种光栅长度1mm，腔长分别为1mm，2mm，3mm的光纤光栅FP腔阵列的在线制备。由于一次激光脉冲同时制备两个光栅，能良好保证两个光栅反射谱形、反射率大小等方面的相同性。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，若需制备长腔的FP腔，显然采用一次激光脉冲同时实施两个光栅存在困难，这是由于激光光斑和相位掩模板阵列3的干涉区的尺寸有限，不能同时覆盖图3中的狭缝501对。考虑到拉丝中光纤是移动的，通过光纤拉丝速度控制两次激光脉冲照射不锈钢掩模板5上的狭缝501，以形成图3装置所不能形成的腔长较长的光栅FP腔，即通过设定两次激光脉冲的时间间隔大小获得不同腔长的光纤光栅FP腔。由于不锈钢FP掩模板5上的三个狭缝宽度不同，分别为0.5mm，1mm及1.5mm，水平移动相位掩模板阵列3及FP掩模板5，可以实施光栅长度分别为0.5mm，1mm以及1.5mm的FP腔制备，同时通过调节两次激光脉冲的时间间隔可以获得不同腔长的光纤光栅FP腔。如拉丝速度15米/分钟，两激光脉冲的频率为10Hz，则两次激光脉冲间期光纤移动了25mm，则三个狭缝501分别对应制备的光栅FP腔腔长为24.5mm，24mm以及23.5mm。显然，图3装置不能实施以上腔长的光纤光栅FP腔的在线制备。然而，由于FP腔的两个光栅由两个不同的激光脉冲刻写，激光脉冲能量本身的波动以及拉丝过程中光纤应力的变化，有可能导致两个光栅的反射谱不同(如反射率大小和Bragg中心波长不同)，一定程度上影响光纤光栅FP腔的性能。

本装置通过改变FP掩模板5上狭缝501宽度大小和狭缝501间间距大小可实现不同光栅长度以及不同腔长的光纤光栅FP腔传感器阵列在线制备。对应于相位掩模板阵列3的干涉区的FP掩模板5面域内，加工不同尺寸规格的两个狭缝501(狭缝对)，单激光脉冲可同时照射狭缝对，实现光纤光栅FP腔的制备，可有效保证两光栅的反射率及Bragg中心波长的相同性。对于腔长较长的FP腔，水平方向上制备三个不同尺寸和位置的狭缝501，通过水平位移相位掩模板阵列3和FP掩模板5，可以实施不同光栅长度、不同腔长的光纤光栅FP腔在线制备。

单激光脉冲可同时照射狭缝501对，实现光纤光栅FP腔的制备，可有效保证两光栅的反射率及Bragg中心波长的相同性。该相位掩模板可为制备常规Bragg光栅的相位掩模板，结合FP掩模板，可制由Bragg光纤光栅构成的FP腔传感阵列。并且，该相位掩模板可为制备啁啾光栅的相位掩模板，结合FP掩模板，可制由啁啾光栅构成的FP腔传感阵列。

本发明实施例提供一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，用于实现本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多对形状大小均相同的狭缝，每对狭缝沿水平轴线对称，且间距依次增大；

激光束辐射到其中一对狭缝上，在相位掩模干涉区内形成两个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列分别辐射在两根光纤上，从而在两根光纤上同时写入两个光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，使激光束辐射到不同的狭缝对上，从而实现不同腔长的光栅的制备。

本发明实施例提供一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，用于实现本发明实施例的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多个在水平方向上共轴的狭缝，狭缝的宽度依次增大且等间距布置；

激光束辐射到其中一个狭缝上，在相位掩模干涉区内形成一个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列辐射在光纤上，从而在光纤上同时写入光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，控制激光束辐射到不同的狭缝上，并调节激光束的脉冲频率，控制激光束辐射的时间，从而实现不同光栅长度、不同腔长的光栅的制备。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，包括一维平移台(1)和相位掩模板阵列(3)，所述一维平移台(1)上设置有用于固定和调节所述相位掩模板阵列(3)的可移动夹具(2)；

所述相位掩模板阵列(3)包括基片(301)和所述基片(301)上设置的多个形状、大小均相同的相位掩模干涉区(302)，所述相位掩模干涉区(302)密集等间距的排列在所述基片(301)中；

所述相位掩模板阵列(3)的入射面上固定设置有带有多个狭缝(501)的FP掩模板(5)，固定的激光束(4)辐射在所述狭缝(501)后，在所述相位掩模干涉区(302)上形成光斑区，并透过所述相位掩模干涉区(302)辐射在光纤(6)上；

所述夹具(2)沿所述一维平移台(1)移动，并带动所述相位掩模板阵列(3)和所述FP掩模板(5)移动，使激光束(4)辐射到不同的所述狭缝(501)和所述相位掩模干涉区(302)上。

2.根据权利要求1所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述FP掩模板(5)上设置有多对形状大小均相同的所述狭缝(501)，每对所述狭缝(501)沿水平轴线对称，且间距依次增大。

3.根据权利要求2所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述狭缝(501)有3对，其大小均为2.5mm*1mm，3对所述狭缝(501)的间距依次为1mm、2mm和3mm。

4.根据权利要求1所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述FP掩模板(5)上设置有多个在水平方向上共轴的所述狭缝(501)，所述狭缝(501)的宽度依次增大且等间距布置。

5.根据权利要求4所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述狭缝(501)有3个，其长度均为1mm，宽度依次为0.5mm、1mm和1.5mm。

6.根据权利要求1所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述一维移动台(1)上还设置有伺服控制机构(101)、双燕尾槽轨道(102)以及丝杆(103)；

所述丝杆(103)一端与所述伺服控制机构(101)连接，所述夹具(2)底部通过丝杆螺母与所述丝杆(103)连接，所述伺服控制机构(101)带动所述丝杆(103)转动，使所述夹具(2)沿所述双燕尾槽轨道(102)移动。

7.根据权利要求1所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述FP掩模板(5)为不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备装置，其特征在于，所述FP掩模板(5)的厚度为0.05-0.15mm。

9.一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，其特征在于，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多对形状大小均相同的狭缝，每对狭缝沿水平轴线对称，且间距依次增大；

激光束辐射到其中一对狭缝上，在相位掩模干涉区内形成两个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列分别辐射在两根光纤上，从而在两根光纤上同时写入两个光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，使激光束辐射到不同的狭缝对上，从而实现不同腔长的光栅的制备。

10.一种弱光纤光栅法布里-珀罗腔传感阵列在线制备方法，其特征在于，具体步骤为：

加工FP掩膜板，在上面设置多个在水平方向上共轴的狭缝，狭缝的宽度依次增大且等间距布置；

激光束辐射到其中一个狭缝上，在相位掩模干涉区内形成一个光斑区，光斑透过相位掩模板阵列辐射在光纤上，从而在光纤上同时写入光栅；

完成该腔长的光栅制备后，移动FP掩模板，控制激光束辐射到不同的狭缝上，并调节激光束的脉冲频率，控制激光束辐射的时间，从而实现不同光栅长度、不同腔长的光栅的制备。