一种新型的毛细管光纤光栅及其制备方法
阅读说明：本技术 一种新型的毛细管光纤光栅及其制备方法 (Novel capillary fiber grating and preparation method thereof ) 是由 田凤军 刘光宇 姚晨宇 卢艺鹏 韩忠瑞 李立 张建中 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种新型毛细管光纤光栅及其制备方法,该包括光纤环形包层、光敏树脂包层、光纤纤芯,光纤纤芯位于光纤环形包层中,或悬挂于环形包层内壁上；光敏树脂包层填充于光纤中央空气孔处,折射率沿光纤长度方向呈周期性分布,且与光纤纤芯距离小于3微米或直接接触以形成弱耦合。将光敏树脂材料注入至毛细管光纤中央空气孔处形成光敏树脂包层,采用紫外激光束正向入射穿过掩模板,通过衍射形成干涉图形,并转移至光敏树脂包层中,该光敏树脂包层受到紫外曝光后折射率沿光纤长度方向呈现周期性分布,形成毛细管光纤光栅。本发明中毛细管光纤光栅对光纤纤芯无物理损伤,具有低插入损耗、免封装、高稳定性等优点,促进了光纤光栅技术进一步发展。(The invention provides a novel capillary fiber grating and a preparation method thereof, wherein the novel capillary fiber grating comprises a fiber annular cladding, a photosensitive resin cladding and a fiber core, wherein the fiber core is positioned in the fiber annular cladding or is suspended on the inner wall of the annular cladding; the photosensitive resin cladding is filled in the central air hole of the optical fiber, the refractive index is periodically distributed along the length direction of the optical fiber, and the distance between the photosensitive resin cladding and the fiber core of the optical fiber is less than 3 microns or the photosensitive resin cladding is in direct contact with the fiber core of the optical fiber to form weak coupling. Injecting a photosensitive resin material into the central air hole of the capillary fiber to form a photosensitive resin cladding, adopting ultraviolet laser beams to enter in the positive direction to penetrate through the mask plate, forming an interference pattern through diffraction, and transferring the interference pattern into the photosensitive resin cladding, wherein the refractive index of the photosensitive resin cladding is periodically distributed along the length direction of the fiber after the photosensitive resin cladding is subjected to ultraviolet exposure to form the capillary fiber grating. The capillary fiber grating has no physical damage to the fiber core, has the advantages of low insertion loss, no packaging, high stability and the like, and promotes the further development of the fiber grating technology.)
技术领域
本发明属于光纤光栅技术领域，特别涉及一种新型毛细管光纤光栅及其紫外曝光制备方 法。
背景技术
光纤光栅是由暴露于紫外线(UV)激光束引起的光纤芯折射率的周期性变化而形成的。光 纤光栅具有体积小、熔接损耗小、耐腐蚀、不受光强波动的影响，可以实现多点分布式测量 和光集成等优良特性，且其谐振波长对温度、应力、湿度等外界环境变量比较敏感，因此在 光纤传感和光通信领域有较大应用前景。
目前，制作光纤光栅的方法包括横向侧面干涉曝光制作方法、相位掩模法、点-点写入法。 第一种紫外激光干涉条纹图下的横向侧面干涉曝光制作方法，是由两束相干紫外光束间呈一 定夹角入射到掺杂光敏剂锗的光纤上，让光纤在干涉场中紫外曝光，光纤纤芯受到紫外光干 涉条纹照射后，折射率呈周期性变化，从而形成光栅。其中，紫外光源是可调谐泵浦染料激 光器，工作波长范围为486-500nm。这种横向侧面干涉曝光制作方法制作的光纤光栅周期由 入射波波长和两束相干紫外光束的夹角共同决定。这种方法对光源相干性以及环境的稳定性 要求较高。
相位掩模法的实质是将相位掩模板靠近光纤，利用紫外光通过相位掩模板产生的干涉条 纹，使光纤的折射率发生周期性变化，从而形成光纤光栅。这种相位掩模法的优点是光纤光 栅的周期由相位掩模板的周期和入射光束的方向决定，而与写入光的波长无关，该方法简化 了光纤光栅的制作过程，重复性较好，便于大批量生产。
点-点写入法是利用点光源沿光纤轴向照射在光纤上，让光纤等间距的曝光，使光纤芯折 射率形成周期性分布而制成光纤光栅，逐点写入法的优点是对光源的相干性没有要求，灵活 性高，周期易于控制。
随着光纤光栅制备技术的逐渐成熟，越来越多的研究者投入到对光纤光栅的研究中。如 专利号为CN103412360A的“高频二氧化碳激光辅助湿腐蚀法制作非对称波状长周期光纤光 栅”，其特征是在光纤外表面制备光栅，利用高频二氧化碳激光逐点烧蚀光纤涂覆层，然后再 进行化学腐蚀使光纤表面沿轴向形成非对称波状结构，最后清洗光纤表面完成。
但是，上述光纤光栅制备方法破坏了光纤包层外表面，会大大损害光纤的强度，导致光 纤使用寿命。并且存在逐点打孔操作困难，机械强度降低，封装困难，抗干扰能力差的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种新型毛细管光纤光栅，该种光纤光栅处于密闭空间，具有 结构稳定、光纤内纤芯无物理损伤、低插入损耗、免封装、抗干扰能力强等优点。本发明通 过如下技术方案实现：包括光纤环形包层、光敏树脂包层、光纤纤芯。光敏树脂包层位于中 央空气孔处，光栅刻写于光敏树脂包层上，折射率沿光纤长度方向呈周期性分布，且与光纤 纤芯距离小于3微米或直接接触以形成弱耦合。
本发明还可以包括：
所述的毛细管光纤中，纤芯位于环形包层中或悬挂于环形包层内壁上。
所述的毛细管光纤空气孔可以为单孔、双孔或多孔。
所述的光栅刻写于光敏树脂包层上。
所述的毛细管光纤的光敏树脂包层可以为其他光敏材料。
所述的毛细管光纤纤芯折射率大于环形包层折射率和光敏树脂包层折射率。
本发明的目的还在于提供制造出具有光纤内纤芯无物理损伤、低插入损耗、免封装、抗 干扰能力强等优点的一种毛细管光纤光栅的制备方法。
步骤一：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。使用精密电位 移平台将充入光敏树脂材料的毛细管对准毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使光敏树 脂材料充满毛细管光纤中央空气孔形成光敏树脂包层；
步骤二：将毛细管光纤的两端分别用切割机切割平整，并固定在载玻片上，一端作为输 入通过光纤耦合器与放大自辐射光源相连，另一端作为输出与光谱仪相连；将上述毛细管光 纤两端分别固定在电动位移台上；
步骤三：采用紫外激光束正向入射穿过掩模板，通过衍射形成干涉条纹，并转移至光敏 树脂包层中；光敏树脂包层受到曝光后折射率沿光纤长度方向呈现周期性分布；
步骤四：保持紫外曝光一段时间后，形成毛细管光纤光敏树脂包层的光栅阵列。刻写过 程中实时观测光谱仪，直至观察到光谱仪出现所需的反射率以及反射峰时，停止刻写，完成 光栅制备。
上述方案中，所述的毛细管光纤光栅周期是相位掩模板周期的一半，可为长周期光栅或 短周期布拉格光栅。
上述方案中，所述的相位掩模板与毛细管光纤的刻写区域相距50μm～100μm。
上述方案中，所述的光纤光栅采用紫外曝光-相位掩模法在毛细管光纤的光敏树脂包层中 刻写光栅。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有光纤光栅技术通常将光栅阵列刻写在光纤纤芯中，对光纤纤芯有物理损伤、插入损 耗较大，且制作方法较为繁琐，不易封装。本发明所设计的毛细管光纤光栅，提供了制备光 纤光栅的一种新途径，用紫外曝光法将光栅刻写在毛细管光纤的内置光敏树脂包层中，并密 封于毛细管光纤的中央空气孔处。紫外曝光法适用于工业环境的激光光源，制作工艺较为成 熟，光谱特性比较稳定。并且该刻写方式对光纤纤芯无物理损伤，刻写完成后光纤密闭于包 层中，具有低插入损耗、免封装、高稳定性等优点，促进了光纤光栅技术向工业化大规模制 作的发展。
附图说明
图1为本发明用紫外曝光方法制备的毛细管光纤光栅的制备装置示意图。
图2(a)为本发明用紫外曝光方法制备的毛细管光纤光栅的横截面示意图。
图2(b)为本发明用紫外曝光方法制备的双孔毛细管光纤光栅的横截面示意图。
图2(c)为本发明用紫外曝光方法制备的单孔悬挂芯毛细管光纤光栅的横截面示意图。
图3为光栅周期500nm、反射波长1550nm的单芯毛细管光纤光栅仿真反射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明通过用紫外曝光方法将光栅刻写在毛细管光纤光敏树脂包层中，光栅刻写于毛细 管光纤的内置光敏树脂包层中，纤芯与光栅互偶作用，从而实现光栅对光路的调制。包层光 栅的形成是将空气孔中注入光敏树脂材料，将相位掩模板放置于与毛细管光纤的刻写区域相 距50μm～100μm处，掩模条纹方向与光栅轴向垂直，紫外激光束正向入射穿过掩模板，通过 衍射形成干涉图形，并转移至光敏树脂包层中，光敏树脂材料受到曝光后折射率呈现周期性 分布，沿光纤轴向在包层内形成光栅，光栅周期由相位掩模板控制。本发明的提出具有制备 方法简单、光纤纤芯无物理损伤、低插入损耗、免封装等优点，从而提高了对纤芯中光路的 调制效果，可用于光纤传感、通信等多个领域。
毛细管光纤空气孔数量可以为单孔、双孔或多孔。
干涉中可以通过调节相位掩模板的周期改变光栅周期，通过选择合适的曝光时间改变光 栅的刻蚀深度，最终实现用紫外曝光方法将光栅刻写在毛细管光纤光敏树脂包层中。
实施例1：
如图1所示，为用紫外曝光方法制备的毛细管光纤光栅的制备过程，包括四层结构：光 纤环形包层、光敏树脂包层、内壁光栅、光纤纤芯。光敏树脂包层位于中央空气孔处，光纤 纤芯位于环形包层中，光栅刻写于光敏树脂包层上。用紫外曝光方法制备毛细管光纤光栅包 括以下步骤：
步骤1.1：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。使用精密电位 移平台将充入光敏树脂材料的毛细管对准毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使光敏树 脂材料充满图2(a)毛细管光纤中央空气孔中形成光敏树脂包层；
步骤1.2：将毛细管光纤的两端分别用切割机切割平整，并固定在载玻片上，一端作为输 入通过光纤耦合器与放大自辐射光源相连，另一端作为输出与光谱仪相连；将上述毛细管光 纤两端分别固定在电动位移台上；
步骤1.3：将光栅掩模板放置于距光纤50μm～100μm处，掩模条纹方向与光栅轴向垂直。 采用紫外激光束正向入射穿过掩模板，通过衍射形成干涉图形，并转移至光敏树脂包层中；
步骤1.4：光敏树脂包层受到曝光后折射率呈现周期性分布，沿光纤轴向在包层内形成周 期与相位掩模板周期有关的光栅；
步骤1.5：保持紫外曝光一段时间后，形成毛细管光纤光敏树脂包层的光栅阵列。刻写过 程中实时观测光谱仪，直至观察到光谱仪出现所需的反射率以及反射峰时，停止刻写，完成 光栅制备。光栅周期由相位掩模板周期决定。
上述方案可以扩展到多个空气孔的毛细管光纤光栅的制备。
实施例2：
实验装置如图1和图2(b)所示，用紫外曝光方法制备的双孔毛细管光纤光栅的方案， 纤芯位于中央处，两个空气孔置于纤芯两侧并对称分布，每个空气孔负责一个光栅阵列。具 体制备方法如下：
步骤2.1：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。使用精密电位 移平台将充入光敏树脂材料的毛细管对准毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使光敏树 脂材料充满图2(b)毛细管光纤中央空气孔中形成光敏树脂包层；
步骤2.2：将双孔毛细管光纤的两端分别用切割机切割平整，并固定在载玻片上，一端作 为输入通过光纤耦合器与放大自辐射光源相连，另一端作为输出与光谱仪相连；将上述毛细 管光纤两端分别固定在电动位移台上；
步骤2.3：将光栅掩模板放置于距光纤50μm～100μm处，掩模条纹方向与光栅轴向垂直。 采用紫外激光束正向入射穿过掩模板，通过衍射形成干涉图形，并转移至双孔毛细管光纤的 两个光敏树脂包层中；
步骤2.4：光敏树脂包层受到曝光后折射率呈现周期性分布，沿光纤轴向在两个光敏树脂 包层内分别形成一个周期与相位掩模板周期有关的光栅；
步骤2.5：保持紫外曝光一段时间后，实现毛细管光纤光敏树脂包层的双周期光栅阵列。 刻写过程中实时观测光谱仪，直至观察到光谱仪出现所需的反射率以及反射峰时，停止刻写， 完成光栅制备。
实施例3：
如图2(c)所示，为在悬挂芯毛细管光纤内用紫外曝光方法制备的毛细管光纤光栅的示 意图，其中纤芯位于光纤包层中，光栅位于光敏树脂包层，被光敏树脂材料束缚，空气孔位 于中央处。制备方法包括以下步骤：
步骤3.1：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。使用精密电位 移平台将充入光敏树脂材料的毛细管对准毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使光敏树 脂材料充满图2(c)毛细管光纤中央空气孔中形成光敏树脂包层；
步骤3.2：将悬挂芯毛细管光纤的两端分别用切割机切割平整，并固定在载玻片上，一端 作为输入通过光纤耦合器与放大自辐射光源相连，另一端作为输出与光谱仪相连；将上述毛 细管光纤两端分别固定在电动位移台上；
步骤3.3：将光栅掩模板放置于距光纤50μm～100μm处，掩模条纹方向与光栅轴向垂直。 采用紫外激光束正向入射穿过掩模板，通过衍射形成干涉图形，并转移至光敏树脂包层中；
步骤3.4：光敏树脂包层受到曝光后折射率呈现周期性分布，沿光纤轴向在包层内形成周 期与相位掩模板周期有关的光栅；
步骤3.5：保持紫外曝光一段时间后，进行固化，实现悬挂芯毛细管光纤光敏树脂包层的 光栅阵列。刻写过程中实时观测光谱仪，直至观察到光谱仪出现所需的反射率以及反射峰时， 停止刻写，完成光栅制备。
本发明公开了一种新型毛细管光纤光栅及其制备方法，属于光纤光栅技术领域。该毛细 管光纤光栅包括光纤环形包层、光敏树脂包层、光纤纤芯。光纤纤芯位于光纤环形包层中， 或悬挂于环形包层内壁上；光敏树脂包层填充于光纤中央空气孔处，折射率沿光纤长度方向 呈周期性分布，且与光纤纤芯距离小于3微米或直接接触以形成弱耦合。该光纤光栅制备方 法：将光敏树脂材料注入至毛细管光纤中央空气孔处形成光敏树脂包层，采用紫外激光束正 向入射穿过掩模板，通过衍射形成干涉图形，并转移至光敏树脂包层中，该光敏树脂包层受 到紫外曝光后折射率沿光纤长度方向呈现周期性分布，即形成毛细管光纤光栅。本发明中所 设计的毛细管光纤光栅，用紫外曝光方法将光栅刻写在光敏树脂包层中，并密封于毛细管光 纤的中央空气孔处，对光纤纤芯无物理损伤，具有低插入损耗、免封装、高稳定性等优点， 促进了光纤光栅技术进一步发展。