阅读说明：本技术 一种单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅制备方法 (Preparation method of long-period fiber grating of single-mode multimode fiber cascade structure ) 是由 滕传新 朱永洁 苑立波 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种单模多模光纤级联的长周期光纤光栅的制备方法。包括：将单模光纤和多模光纤熔接在一起,然后将其水平放置在带有高精度切割刀和位移控制的移动平台上,通过使用显微镜,使光纤在计算机上呈现出清晰的图像。然后利用移动精度为1μm的千分尺找到单模和多模光纤的熔接点,并保证熔接点与切割刀的位置刚好重合,记录此时千分尺的读数,旋转千分尺使熔接点的位置向单模光纤方向移动,并移至所需的多模光纤长度位置处,然后使用切割刀对光纤进行切割,之后将该段多模光纤与另一根单模光纤进行熔接,重复上述步骤,就可以制备得到单模多模光纤级联的长周期光纤光栅。该长周期光纤光栅具有结构和制备工艺简单、成本低廉,并且对温度、应变、弯曲等物理量的变化具有较高的灵敏度。(The invention provides a preparation method of a long-period fiber grating cascaded by single-mode multimode fibers. The method comprises the following steps: the single mode fiber and the multimode fiber are welded together and then horizontally placed on a moving platform with a high precision cutter and displacement control, and the fiber is made to present a clear image on a computer by using a microscope. Then finding the welding point of the single mode fiber and the multimode fiber by using a micrometer with the moving precision of 1 micrometer, ensuring that the welding point is exactly superposed with the position of the cutting knife, recording the reading of the micrometer at the moment, rotating the micrometer to enable the position of the welding point to move towards the direction of the single mode fiber, moving the welding point to the position of the required length of the multimode fiber, cutting the fiber by using the cutting knife, then welding the section of multimode fiber with another single mode fiber, and repeating the steps to prepare the single mode and multimode fiber cascaded long period fiber grating. The long-period fiber grating has the advantages of simple structure and preparation process, low cost and high sensitivity to the change of physical quantities such as temperature, strain, bending and the like.)

一种单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅制备方法。

背景技术

长周期光纤光栅(LPFG)是周期大小在几十微米至几百微米量级的光栅，其模式耦合是同向传播的纤芯基模和包层模之间的耦合，在特定波长范围能形成谐振峰，是一种透射式全光纤带阻滤波器。LPFG的谐振波长和幅值会随着外界环境的温度、应变、折射率等参量的变化而变化，具有比光纤布拉格栅对外界物理量的变化更敏感。因此，LPFG引起了人们的广泛关注。

目前，有多种制作LPFG的方法，最常用的是以下几种：紫外曝光法、CO₂激光辐射法、熔融拉锥法等。紫外曝光法这种方法稳定性好，但是受外界温度影响，当温度高于500℃时光栅可能会被擦除，成本高，制作周期长等缺点。由CO₂辐射逐点写入法制备出来的长周期光纤光栅稳定性更好，灵活性高，制作过程方便快捷，省去了繁琐的准备过程，但是这种方法需要很高的成本。熔融拉锥法用计算机控制加热子移动速度、距离、夹持装置拉伸长度等参数来制作性能不同的长周期光纤光栅，并且将融锥形光栅与其它结构串联来进行多参数测量。但这种方法制出的长周期光纤光栅，工艺复杂，并且成本也很高。此外，还有一些LPFG制备方法的报道，如专利申请号：201510267320.8的中国发明专利“长周期光纤光栅及制备方法”提供了一种将光纤进行扩孔处理的方法来制备LPFG。但这种制作方法的工艺比较复杂，难于控制。因此，开发一种结构和制备工艺简单，且成本低廉的LPFG显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的单模多模光纤级联结构的LPFG制备方法。

为解决上述问题，作为本发明的第一方面，提供了一种单模多模光纤级联结构的LPFG的制备方法，包括：将单模光纤和多模光纤的端面切割好，并通过光纤熔接机熔接在一起，然后将其水平放置在带有高精度切割刀的装置上，用夹具分别固定单模光纤端和多模光纤端，之后通过使用显微镜，使光纤在计算机上呈现出清晰的图像。上述的切割刀与两光纤夹具均置于位移台上，并可以使其上的光纤处于水平状态。然后利用移动精度为1μm的千分尺找到单模和多模光纤的熔接点，并保证熔接点与切割刀的位置刚好重合，记录此时千分尺的读数，旋转千分尺使熔接点的位置向单模光纤方向移动，通过读取千分尺的读数，来获得所需的多模光纤长度，当千分尺到达所要截取多模光纤的读数时，使用高精度的切割刀进行切割，然后将该段多模光纤与另一根单模光纤进行熔接，重复上述步骤，就可以制备得到单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅。

本发明还可以包括：

1、LPFG结构中单模光纤和多模光纤长度的截取是通过精度为1μm的千分尺进行控制的；所述的长周期光纤光栅的制备过程是在显微镜系统下进行的；

2、所述的LPFG中单模光纤长度为200～400μm，多模光纤长度为100～300μm，所述的LPFG一共3～6个周期，周期长度为300～1000μm，栅区长度为1～10mm。

3、所述的长周期光纤光栅中单模和多模光纤的外径为125μm，单模纤芯直径范围为8～9μm，多模纤芯直径范围为50～65μm。

本发明提供了一种LPFG的制备方法，具有结构简单，制备工艺简单，成本低廉，且光纤光栅的长度和周期均可控等优点。

本发明的工作原理为：光源发出的光首先进入到单模光纤当中传输，当其传输到第一个单模—多模交界面时，单模光纤纤芯中传输的基模会入射到多模光纤中会转变成高阶模；而当光继续在多模光纤中传输经过多模—单模交界面时，由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不匹配，一部分光会回到单模光纤的纤芯内转变成其纤芯中的基模，而另一部分光能进入单模光纤的包层中变成易被涂覆层损耗的包层模。由于这种LPFG中单模光纤的长度很短，包层模传输到下一个多模光纤时未被完全损耗，一部分能量又重新耦合回纤芯并与纤芯中的基模发生干涉作用。所以当单模—多模光纤呈周期性结构排列时，基模能量被周期性地耦合成高阶模而后又耦合回纤芯，从而形成光纤光栅。当特定波长的光波满足相位匹配条件时，纤芯基模与特定包层模的干涉作用最强，从而在输出光谱上会出现一个损耗峰。当LPFG周围环境折射率、温度、应变发生变化时，会改变特定波长光的相位匹配条件，从而会导致损耗峰发生偏移。所以，可以根据监测损耗峰的位置偏移来检测被测物质的变化。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的LPFG的制作不需要昂贵的光栅写入设备，制作工艺简单，成本低廉。

2、本发明的LPFG的制备方法灵活，可以通过控制所熔接单模或者多模光纤的长度来调节光栅周期的大小。

3、本发明的LPFG对温度、应变、弯曲等物理量具有较高的灵敏度，在传感领域具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明的单模多模光纤级联结构的LPFG示意图；

图2是本发明的单模多模光纤切割装置的示意图；

图3是本发明的长周期光纤光栅的透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明。

参见图1，本发明的单模多模光纤级联的长周期光纤光栅的结构示意图。其工作原理是光纤中的光能传输到第一个单模—多模交界面时，单模光纤1纤芯中的基模入射到多模光纤2内变成了高阶模。当多模光纤中的光能经过多模—单模交界面时，由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不匹配，一部分光能回到单模光纤的纤芯内变成纤芯中的基模，另一部分光能进入单模光纤的包层中变成易被涂覆层损耗的包层模。由于长周期光纤光栅单模光纤的长度很短，包层模传输到下一个多模光纤时未被完全损耗，一部分能量又重新耦合回纤芯并与纤芯中的基模发生干涉作用。当单模—多模光纤结构周期性排列的时，基模能量被周期性地耦合成高阶模又耦合回纤芯从而形成光纤光栅。当特定的波长的光波满足相位匹配条件时，纤芯基模与特定包层模的干涉作用最强，从而在输出光谱上会出现一个损耗峰。

参见图2，本发明制备单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅的装置示意图，其由显微系统3、高精度切割刀4、两个夹具5、移动平台6和千分尺7组成。具体的制备方法为：在进行切割前，首先需要进行校准，该过程需要通过计算机观察调整显微镜3，当光纤切割刀4的位置能在显示屏出现一条明亮光线，即完成校准。之后再进行光纤的熔接与切割操作，具体为：将单模光纤和多模光纤的端面切割好，并通过光纤熔接机熔接在一起，然后将其水平放置在带有高精度切割刀的装置上，用夹具5分别固定单模光纤端和多模光纤端，之后通过使用显微镜3，使光纤在计算机上呈现出清晰的图像。上述的切割刀与两光纤夹具均置于位移台上6，并可以使其上的光纤处于水平状态。然后利用移动精度为1μm的千分尺7找到单模和多模光纤的熔接点，并保证熔接点与切割刀的位置刚好重合，记录此时千分尺的读数。旋转千分尺使熔接点的位置向单模光纤方向移动，通过读取千分尺的读数，来获得所需的多模光纤长度，当千分尺到达所要截取多模光纤的读数时，使用高精度的切割刀进行切割，然后将该段多模光纤与另一根单模光纤进行熔接，重复上述步骤，就可以制备得到单模多模光纤级联结构的长周期光纤光栅。

参见图3，本发明的长周期光纤光栅的透射谱图。长周期光纤光栅的相位匹配条件为：

n_co-n_cl＝λ/Λ

其中，n_co、n_cl分别为光纤纤芯和包层的有效折射率，Λ是光栅周期，λ为特征峰的波长。当特定的波长的光波满足相位匹配条件时，纤芯基模与特定包层模的干涉作用最强，其输出光谱上就会出现一个特征峰。当环境变化引起光纤包层的有效折射率或者光栅周期发生变化时，特征峰的位置就会发生变化，因此通过监测特征峰的位置变化，可以进行相关参量的传感。从图3可以看到，所制备的单模多模级联结构的LPFG在1563nm左右出现了一个明显的特征峰，其占空比为-35dB，可以满足传感方面的应用。