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一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法及装置
申请号	CN202311859963.2	申请日	2023-12-31	公开(公告)号	CN117800587A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	长飞(武汉)光系统股份有限公司;			发明人	余志伟; 李立彤; 赵佳宁; 邓旭; 杭常东; 刘可欣; 方勇; 洪登;
摘要	本发明公开了一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法及装置。所述方法包括以下步骤：S1、利用飞秒脉冲激光器对光纤预制棒芯棒进行在线调制，使光纤预制棒芯棒的折射率形成周期性损耗分布；S2、对所述调制后的预制棒芯棒进行在线拉丝以形成损耗调制型传感光纤阵列，并基于时域反射在线检测所述损耗调制型传感光纤阵列的损耗点位置和损耗值，负反馈调节拉丝参数；S3、对所述损耗调制型传感光纤阵列进行涂覆层的涂覆，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列。本发明采用预制棒刻写代替裸光纤刻写，避免由于裸光纤抖动引起的激光刻写加工精度降低，在线检测损耗调制结果，动态调整拉丝参数，从而提高损耗调制型传感光纤阵列的加工精度和良品率。
权利要求	1.一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、利用飞秒脉冲激光器对光纤预制棒芯棒进行在线调制，使光纤预制棒芯棒的折射率形成周期性损耗分布； S2、对所述调制后的预制棒芯棒进行在线拉丝以形成损耗调制型传感光纤阵列，并基于时域反射在线检测所述损耗调制型传感光纤阵列的损耗点位置和损耗值，负反馈调节拉丝参数；所述拉丝参数包括拉丝速度、拉丝温度、和/或拉丝张力； S3、对所述损耗调制型传感光纤阵列进行涂覆层的涂覆，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列。 2.如权利要求1所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，步骤S2、在线拉丝形成的光纤端通过光纤滑环接入实时光时域反射仪进行在线检测。 3.如权利要求1所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，所述损耗调制型传感光纤阵列中的单个损耗的反射率为‑50dB～‑20dB。 4.如权利要求1所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，步骤S2拉丝温度在1730℃以上且2000℃以下，拉丝速度在80～120m/min之间，拉丝张力在20g～60g之间。 5.如权利要求4所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高光纤预制棒拉丝速度；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低光纤预制棒拉丝速度。 6.如权利要求4所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则降低拉丝温度；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则提高拉丝温度。 7.如权利要求4所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高拉丝张力；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低拉丝张力。 8.如权利要求1所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其特征在于，步骤S1将飞秒脉冲激光采用掩膜板进行相位调制后照射在预制棒芯棒上；所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，长度为12～20mm；所述光纤预制棒直径小于等于22mm。 9.一种损耗调制型传感光纤阵列的制备装置，其特征在于，包括刻写系统，拉丝塔、收线系统、以及光时域反射仪；所述刻写系统包括飞秒脉冲激光器、掩膜板以及步进电机平台；所述步进平台调整光纤预制棒空间位置，所述飞秒脉冲激光器发出的脉冲激光经掩膜板调制后照射在光纤预制棒上；光纤预制棒经拉丝塔加工为光纤进入收线系统，其光纤端通过光纤滑环接入所述光时域反射仪。 10.如权利要求9所述的损耗调制型传感光纤阵列的制备装置，其特征在于，所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，长度为12～20mm；所述步进电机平台具有多维调整机构，用于调整光纤预制棒的空间位置和姿态，使其与掩膜板水平，并且飞秒激光的光斑聚焦到光纤预制棒的芯棒上。
说明书全文	一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法及装置技术领域 [0001] 本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法及装置。背景技术 [0002] 损耗调制型传感光纤阵列是一种折射率发生轴向周期性损耗调制而形成的周期性损耗分布的传感光纤，其具有质量轻、体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、可实现分布式、多参量、长距离测量等优良特性，可广泛应用于石油石化、航空航天、煤炭开采、核电测温等领域。 [0003] 传统的传感光纤无周期性损耗调制，无法精确测量，且灵敏度较低。现有技术中，常规损耗调制型传感光纤通过准分子激光器制作而成，单纤传感数量少、一致性差、光纤抗拉强度低，且无法形成大规模、分布式多参量测量。对于目前已有的损耗调制型传感光纤阵列，要么利用准分子激光器调制光纤制造而成，其制造工艺复杂、速度慢且不稳定，一致性较差，无法在特殊环境中使用，如超高温；要么利用飞秒激光器调制光纤制造而成，其制造技术难度高、成本大，且制造速度慢。 [0004] 目前损耗调制型传感器的制作方法类同弱光栅阵列。例如中国专利文献CN115236797A、CN111208602A等方案，都是在光纤拉丝工艺，裸光纤拉制成型后，利用紫外激光连续刻写弱光栅形成光栅阵列。这种方法避免了二次光纤涂敷，制作的弱光栅阵列具有良好的物理强度。然而这一类方法需要在裸光纤拉制环节，利用激光器对光纤纤芯进行刻写，其激光对准精度要求在10纳米左右，而光纤拉制过程中，生产线速度达到1000m/min甚至更高，裸光纤不可避免的处于抖动状态，对精密加工的激光写栅技术十分不利，导致刻写精度降低甚至成品率低下。发明内容 [0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法及装置，其目的在于光纤拉丝工艺之前，在光纤预制棒上采用飞秒激光进行损耗调制刻写，代替现有的在拉丝工艺之后的裸光纤上进行损耗调制刻写技术，刻写时光纤预制棒几乎不抖动，具有良好的刻写精度，从根本上避免了刻写时聚焦发生抖动导致的精度降低或刻写失败，由此解决现有的损耗调制型传感光纤阵列由于裸光纤拉丝抖动导致的加工精度降低、成品率低下的技术问题。 [0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，包括以下步骤： [0007] S1、利用飞秒脉冲激光器对光纤预制棒芯棒进行在线调制，使光纤预制棒芯棒的折射率形成周期性损耗分布； [0008] S2、对所述调制后的预制棒芯棒进行在线拉丝以形成损耗调制型传感光纤阵列，并基于时域反射在线检测所述损耗调制型传感光纤阵列的损耗点位置和损耗值，负反馈调节拉丝参数；所述拉丝参数包括拉丝速度、拉丝温度、和/或拉丝张力； [0009] S3、对所述损耗调制型传感光纤阵列进行涂覆层的涂覆，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列。 [0010] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其步骤S2、在线拉丝形成的光纤端通过光纤滑环接入实时光时域反射仪进行在线检测。 [0011] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其所述损耗调制型传感光纤阵列中的单个损耗的反射率为‑50dB～‑20dB。 [0012] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其步骤S2拉丝温度在1730℃以上且2000℃以下，拉丝速度在80～120m/min之间，拉丝张力在20g～60g之间。 [0013] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高光纤预制棒拉丝速度；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低光纤预制棒拉丝速度。 [0014] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则降低拉丝温度；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则提高拉丝温度。 [0015] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高拉丝张力；当步骤S2检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低拉丝张力。 [0016] 优选地，所述损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，其步骤S1将飞秒脉冲激光采用掩膜板进行相位调制后照射在预制棒芯棒上；所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，长度为12～20mm；所述光纤预制棒直径小于等于22mm。 [0017] 按照本发明的另一个方面，提供了一种损耗调制型传感光纤阵列的制备装置，包括刻写系统，拉丝塔、收线系统、以及光时域反射仪； [0018] 所述刻写系统包括飞秒脉冲激光器、掩膜板以及步进电机平台；所述步进平台调整光纤预制棒空间位置，所述飞秒脉冲激光器发出的脉冲激光经掩膜板调制后照射在光纤预制棒上； [0019] 光纤预制棒经拉丝塔加工为光纤进入收线系统，其光纤端通过光纤滑环接入所述光时域反射仪。 [0020] 优选地，所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，长度为12～20mm。 [0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果： [0022] 本发明提供的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，采用预制棒刻写代替裸光纤刻写，避免由于裸光纤抖动引起的激光刻写加工精度降低，基于时域反射在线检测损耗调制结果，动态调整拉丝速度、拉丝温度以及拉丝张力，从而提高损耗调制型传感光纤阵列的加工精度和良品率。 [0023] 本发明提供的损耗调制型传感光纤阵列的制备装置，将光纤端通过光纤滑环接入光时域反射仪，实现损耗点位置及损耗值的实时在线检测。附图说明 [0024] 图1是本发明损耗调制型传感光纤阵列的制备装置刻写系统结构示意图； [0025] 图2是本发明损耗调制型传感光纤阵列的制备装置结构示意图。 [0026] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为步进电机平台，2为多维调整机构，3为掩膜板，4为飞秒激光，5为柱透镜，6为飞秒激光器，7为进棒系统，8为熔融的光纤预制棒，9为拉丝炉，10为退火管，11为冷却管，12为牵引轮，13为涂覆模具，14为固化炉，15为收线系统，16为光纤滑环，17为光时域反射仪。具体实施方式 [0027] 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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0028] 光纤拉制过程中，相对于裸光纤而言，光纤预制棒几乎不抖动，并且光纤预制棒具有较大尺寸而可调整的直径，采用激光刻写技术再进行光纤拉丝，加工精度和成品率相对于在线裸光纤刻写具有明显优势。 [0029] 然而这种加工工艺却存在明显的困难，在光纤预制棒上刻写后再进行拉丝，光纤玻璃部分会熔融软化，并非所有的激光刻写技术能应用于该工艺，具体而言，通常光纤刻写技术采用的紫外刻写技术，其原理为纤芯中锗元素与氢分子在紫外光照条件下发生化学反应，而当熔融拉丝后，紫外刻写的痕迹被擦除，无法在光纤预制棒上进行激光刻写后拉制成损耗调制型传感光纤阵列。为了刻写痕迹擦除的问题，首先选择飞秒脉冲激光进行光纤预制棒调制。飞秒脉冲激光刻写的原理是瞬间的高能使得芯棒部分熔融重结晶，发生折射率变化。而在拉丝工艺，这种折射率改变也会因为熔融而一定程度上甚至完全被擦除。因此需要精确调控拉丝工艺的各项参数，包括拉丝温度、拉丝速度和拉丝张力。 [0030] 为了精确调控拉丝工艺的各项参数，本发明以最终的调制效果为标准，进行在线工艺控制。 [0031] 本发明提供的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，包括以下步骤： [0032] S1、利用飞秒脉冲激光器对光纤预制棒芯棒进行在线调制，使光纤预制棒芯棒的折射率形成周期性损耗分布；具体而言： [0033] 将飞秒脉冲激光采用掩膜板进行相位调制后照射在预制棒芯棒上；所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，以使芯棒纤芯都能均匀刻写上周期性损耗分布，长度为12～20mm，使损耗点的带宽等参数在合适范围之内。 [0034] 所述光纤预制棒一般采用直径小于等于22mm的细棒，否则难以进行飞秒激光刻蚀加工。 [0035] S2、对所述调制后的预制棒芯棒进行在线拉丝以形成损耗调制型传感光纤阵列，并基于时域反射在线检测所述损耗调制型传感光纤阵列的损耗点位置和损耗值； [0036] 时域反射在线检测，可以直接检测光纤的调制结果，根据调制结果结合负反馈基质能精准的调控光纤拉丝参数而避免步骤S1中飞秒激光调制的刻写效果被擦除。尤其是时域反射在线检测，可以精确检测每个损耗点的位置和损耗值，从而判断在线拉丝参数的变化趋势，进行拉丝参数的精确控制。 [0037] 需要注意的是，时域反射在线检测，需要将光纤端接入实时光时域反射仪，光纤端固定在拉丝塔首先装置的收丝筒上，而在拉丝塔的光纤收线装置的收丝筒一直处于旋转状态，光纤尾纤与监测设备连接会存在扭转缠绕，因此尾纤与损耗在线监测仪通过光纤滑环连接，然后通过在线监测仪实时检测每个损耗点的位置和损耗值。 [0038] 优选方案，拉丝温度在1730℃以上且2000℃以下，拉丝速度在80～120m/min之间，拉丝张力在20g～60g。拉丝参数控制在此范围之内，保证损耗调制深度，不在光纤拉丝过程中擦除。实验显示，飞秒激光加工的光纤预制棒拉丝过程中，影响传感光纤阵列调制深度的因素除了拉丝温度还有拉丝张力，然而拉丝温度对拉丝工艺多个参数产生系统性影响，包括进棒、冷却、涂覆工艺，而拉丝张力调整的代价较小，故首先调整拉丝速度，然后调整拉丝温度，根据光纤阵列的规格要求，从动调整拉丝张力。 [0039] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高光纤预制棒拉丝速度；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低光纤预制棒拉丝速度。 [0040] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则降低拉丝温度；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则提高拉丝温度。 [0041] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高拉丝张力；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低拉丝张力。 [0042] 预设损耗下限一般设置为预设损耗点反射率‑5dB，预设的损耗上限一般设置为预设损耗点反射率+5dB。 [0043] S3、对所述损耗调制型传感光纤阵列进行涂覆层的涂覆，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列。所述损耗调制型传感光纤阵列中的单个损耗的反射率为‑50dB～‑20dB。 [0044] 为了实现本发明提供的损耗调制型传感光纤阵列的制备方法，本发明同时提供了损耗调制型传感光纤阵列的制备装置，如图2所示，包括刻写系统，拉丝塔、收线系统、以及光时域反射仪； [0045] 所述刻写系统，如图1所以，包括飞秒脉冲激光器、掩膜板以及步进电机平台；所述步进平台调整光纤预制棒空间位置，所述飞秒脉冲激光器发出的脉冲激光经掩膜板调制后照射在光纤预制棒上，优选方案，所述步进电机平台具有多维调整机构，用于调整光纤预制棒的空间位置和姿态，使其与掩膜板水平，并且飞秒激光的光斑聚焦到光纤预制棒的芯棒上；所述掩膜板的高度不小于预制棒芯棒的直径，长度为12～20mm。所述飞秒脉冲激光器与所述掩膜板之间设有用于压缩光斑的柱透镜。 [0046] 所述拉丝塔，在生产线方向依次包括拉丝炉、退火管、冷却管、涂覆模模、以及紫外固化炉，预制棒在拉丝炉内熔融并拉丝成型，经过退火管改善内部应力，在冷却管中冷却定型，进入涂覆模具涂覆涂料，在固化炉中使涂层固化，进入收线系统； [0047] 所述收线系统包括收丝筒、以及光纤滑环；光纤预制棒经拉丝塔加工为光纤进入收线系统，其光纤端通过光纤滑环接入所述光时域反射仪。 [0048] 以下为实施例： [0049] 本实施例提供的损耗调制型传感光纤阵列的制备，如图1所示，在多维步进微电机平台1上，使用飞秒激光器6、相位掩膜板3、光学透镜5等光路4系统组成的损耗调制平台对预制棒芯棒进行在线调制以形成损耗调制型芯棒。 [0050] 如图2所示，经步骤S1调制完成后，通过进棒系统7将光纤预制棒8一端夹持，垂直放置。光纤预制棒8芯棒下端置于拉丝炉9中加热到1730℃以上，使端部软化变形，在拉丝过程中，光纤预制棒8芯棒连续缓慢地下降到拉丝炉中的加热区。通过控制拉丝速度拉制成损耗调制型传感光纤，随后在退火管10内高温中进行退火，以消除内应力，再行进入冷却管11中进行冷却到50℃以下。最后，通过牵引轮12进入涂覆模具中。 [0051] 对所述损耗调制型传感光纤阵列在涂覆模具13经过至少两次涂覆，然后在固化炉14中进行固化，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列，并通过收线系统15绕到收丝筒上，光纤端通过光纤滑环16接入光时域反射仪17。 [0052] 在线监测仪的反馈信号传递到拉丝塔的工控机，根据损耗的大小，工控机通过控制预制棒进棒及牵引、加热炉的温度控制和牵引张力控制系统来调整拉丝速度、拉丝温度和拉丝张力，已达到实时调节传感光纤阵列损耗一致性的目的。首先调整拉丝速度，然后调整拉丝温度，根据光纤阵列的规格要求，从动调整拉丝张力。 [0053] 在线拉丝时，按照如下方法控制拉丝参数： [0054] 拉丝温度在1730℃以上且2000℃以下，拉丝速度在80～120m/min之间，拉丝张力在20g～60g。 [0055] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高光纤预制棒拉丝速度；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低光纤预制棒拉丝速度。 [0056] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则降低拉丝温度；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则提高拉丝温度。 [0057] 当检测到预制棒端的损耗点的反射率低于预设的损耗下限，则提高拉丝张力；当检测到预制棒端的损耗点的反射率高于预设的损耗上限，则降低拉丝张力。 [0058] 预设损耗下限一般设置为预设损耗点反射率‑5dB，预设的损耗上限一般设置为预设损耗点反射率+5dB。 [0059] 拉丝成形后，对损耗调制型传感光纤阵列进行涂覆层的涂覆，得到相应涂层涂覆的损耗调制型传感光纤阵列。所述损耗调制型传感光纤阵列中的单个损耗的反射率为‑50dB～‑20dB。 [0060] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。