本發明涉及光纖傳感系統中光纖光柵的制備，具體涉及自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置與方法以及多波長全同光纖光柵串。

背景技術：

光纖光柵是一種使光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調制而形成的無源光器件。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優點，并且其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環境的變化比較敏感，因此在光纖傳感領域得到了廣泛的應用。

光纖光柵的制作方法主要有內部寫入法、側面全息曝光法、相位掩膜法及逐點寫入法，其中相位掩膜法是目前來說使用最廣泛的一種方法。相位掩膜具有壓制零級，增強一級衍射的功能。紫外光經過掩膜相位調制后衍射到光纖上形成干涉條紋，刻入光纖形成光柵。這種方法不依賴于入射光波長，只與相位光柵的周期有關。因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統。

目前對光纖光柵串的制備多采用手動的方法，存在生產效率低、加工過程繁瑣、質量穩定性差等缺點,很難滿足工業大規模生產的要求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置與方法，能夠克服上述光纖光柵制備裝置的問題，針對多種光纖，使用相位掩膜法制備出多波長全同光纖光柵串，光柵的間距和中心波長可根據需要靈活設置；在制備的過程中實現了在線監測，其生產效率高，得到的成品光纖光柵串品質一致性好。

為了解決上述技術問題，本發明提供的一種自動多波長全同光纖光柵的制備裝置，其特征在于，延光纖運動方向依次包括：

放纖模塊：用于固定光纖并將光纖輸送至下一個模塊進行處理；

熱剝除模塊：用于光纖涂覆層的剝除；

刻寫模塊：用于相位掩膜板的變換和光纖光柵的刻寫；

涂覆模塊：用于將涂覆層材料均勻涂在光纖表面。

固化模塊：用于涂覆層涂料的固化，使光纖表面形成涂覆層；

噴涂模塊：用于在每個光纖光柵的位置標記上相應的顏色，不同顏色對應不同中心波長的光纖光柵。

收纖模塊：用于收集處理后的光纖光柵；

以及：

收緊模塊：設置在刻寫模塊下方，用于調整該工位上光纖的張緊力；

在線監測模塊：用于實時監測光纖光柵的加工質量；

計算機控制模塊：分別與放纖模塊、熱剝除模塊、刻寫模塊、收緊模塊、涂覆模塊、固化模塊、噴涂模塊、收纖模塊和在線監測模塊相連，用于對整套制備裝置的控制。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，所述放纖模塊包括放纖繞盤、設置在放纖繞盤中間軸的第一光纖滑環、設置在放纖繞盤下方的第一導向輪；所述收纖模塊包括第二導向輪和第三導向輪、設置在第二導向輪和第三導向輪上方的輔助輪盤、設置在輔助輪盤上的旋轉編碼器、設置在第三導向輪旁的收纖繞盤、以及設置在收纖繞盤中間軸的第二光纖滑環。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，所述刻寫模塊包括相位掩膜板變換器及刻制光柵光路系統，所述刻制光柵光路系統設置在相位掩膜板變換器的下方，緊靠光纖；相位掩膜板變換器設置在第一滑輪和第二滑輪之間且位于第一滑輪和第二滑輪上方。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，所述收緊模塊Ⅳ包括壓緊推桿、以及推動壓緊推桿的推桿電機，壓緊推桿一端與一個U形固定架固定，U形固定架的兩端設有滾輪，能夠在壓緊推桿的作用下垂直往復運動，所述第一滑輪和第二滑輪設置在兩個滾輪之間。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，所述噴涂模塊包括彩色自動噴涂機，所述熱剝除模塊包括速熱型電加熱器、小型吸塵器、氣密倉、剝離器；設置在氣密倉中的速熱型電加熱器上的發熱體，可以在短時內將距發熱體上方3cm的空間溫度升到200～300℃，并且溫度可設置；電加熱器上的發熱體有15～20cm長以及2～3cm寬。氣密倉的頂部兩側安裝有小型吸層器，吸層器的效率在15％以上。設置在氣密倉中的剝離器位于發熱體正上方的1～2cm范圍以內，它具有耐受350℃以上高溫的能力；剝離器內的一端具有兩個動力小牽引輪，他們夾持住光纖并且將其往收纖盤的方向拉動，動力牽引輪拉動光纖的速度與光纖收纖盤的速度保持一致；剝離器內的另一端具有兩個隨動小牽引輪；在動力牽引輪與隨動牽引輪之間有兩個擦拭片，擦拭片耐350℃以上的高溫，兩個擦拭片相互咬合，形成一個直徑128μm的圓孔，適應裸光纖的通過，同時擦干凈融化的涂覆層；兩個擦拭片的咬合力調整適當，既可以除去熔融的涂覆層材料，又不至于卡斷光纖；兩塊擦拭片可以定期擦洗或者更換。氣密倉由外接氮氣加壓鎖緊，僅有進纖和出纖處與外界空氣有些許接觸，保證了外部的污染顆粒不會影響內部的涂覆層剝離。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，所述在線監測模塊包括與第二光纖滑環連接的光譜分析儀、寬帶光源、與寬帶光源連接的光隔離器、光時域反射儀、輸入同時與光隔離器和光時域反射儀連接的光分路器；所述光分路器輸出與第一光纖滑環連接，其中，光譜分析儀用于監測入射光譜形狀、中心波長、帶寬、反射率等；寬帶光源用于提供具有一定帶寬的輸入光；光隔離器用于隔離反射光，以免損壞寬帶光源；光分路器用于將寬帶光源和光時域反射儀的光合為一路輸入；光時域反射儀通過檢測光纖背向散射光來監測各個光纖光柵之間的距離。

一種自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，其特征在于：當使用的是普通通信光纖，包括以下步驟：

步驟1、將普通通信光纖安裝到裝置上，僅啟用放纖模塊、熱剝除模塊和收纖模塊，光纖經熱剝除模塊上的加熱裝置，在高溫的作用下除去其表面的涂覆層；

步驟2、將除去涂覆層的普通通信光纖裸纖進行載氫處理；

步驟3、將經載氫的普通通信光纖安裝到裝置上，啟用除熱剝除模塊之外的所有模塊；

步驟4、光纖通過刻寫模塊，刻寫模塊上的相位掩膜板變換器選擇合適的掩膜板；收纖模塊和放纖模塊停止運行；收緊模塊使光纖微微張緊，刻寫模塊完成光纖光柵的刻寫；

步驟5、在線監測模塊對光纖光柵的入射光譜形狀、中心波長、帶寬、反射率、光柵的噴涂標記進行實時監測，并根據需要調整計算機控制模塊的參數；

步驟6、光纖通過涂覆模塊，在光纖表面均勻涂上涂覆層材料；

步驟7、光纖通過固化模塊，在紫外光或者熱的作用下，涂覆材料發生固化，光纖表面形成涂覆層；

步驟8、光纖通過噴涂模塊，標記出每個光纖光柵的位置并通過不同顏色來區分其對應的中心波長；

步驟9、重復步驟4至8，在光纖上刻制出多個光纖光柵，最終制備出光纖光柵串；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，當使用的是光敏光纖，在光纖的收纖放纖過程中：

步驟2.1、將光敏光纖安裝到裝置上，啟用所有模塊；

步驟2.2、光纖經熱剝除模塊上的加熱裝置，在高溫的作用下除去其表面的涂覆層；

步驟2.3、完成步驟4至9。

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟1中,旋轉編碼器與輔助輪盤同軸同轉速，旋轉編碼器每轉動一周，光纖則運動輔助輪盤周長的距離；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟1中，旋轉編碼器輸出旋轉角度信息，也即是光纖移動距離信息，據此可根據加工需要，通過計算機控制模塊Ⅹ來調整光纖光柵間的距離以及光柵的噴涂精度等；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟4中，刻寫模塊工作時，收纖模塊和放纖模塊停止運行，相位掩膜板變換器上預先安裝有多塊不同的相位掩膜板，刻制光束通過光路系統照射到的掩模板上，掩模板背后形成的光條紋，照射光纖一定時間，即可刻制出所需中心波長的光纖光柵；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟4中，收緊模塊的工作原理是：推桿電機帶動壓緊推桿并與第一滑輪、第二滑輪共同作用，使得光纖在保持水平不變的情況下微微收緊，調整刻制光柵的中心波長；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟5中，在線監測模塊的工作原理是：寬帶光源發出具有一定帶寬的光，經過光隔離器、光分路器，通過第一光纖滑環輸入到旋轉運動的光纖中；光再從光纖的另一端經第二光纖滑環進入光譜分析儀，通過光譜分析儀可以實時監測入射光譜形狀、中心波長、帶寬、反射率等；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟5中，光時域反射儀經由光分路器，通過第一光纖滑環輸入到旋轉運動的光纖中，通過檢測光纖背向散射光來監測各個光纖光柵之間的距離；

在上述的自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，所述步驟5中，根據在線監測模塊的實時反饋，通過收緊模塊對光纖的張緊力進行實時微調，使得光纖光柵的中心波長保持一致。

一種根據自動多波長全同光纖光柵串的制備方法制備的多波長全同光纖光柵串，該光纖光柵串能夠整串供傳感系統使用，也能夠裁剪成不同的光柵供傳感器使用。

與現有技術相比，本發明裝置與方法的有益效果是：1、優化整合了光纖光柵的制備流程與工藝，實現了針對多種光纖的光纖光柵串自動化生產，提高了加工效率；2、設計并使用了一種相位掩膜板變換器，能夠根據需要在線實時變換相位掩膜板，使得制備過程更加靈活方便；3、在光柵的刻制過程中，使用在線監測模塊對光纖光柵的中心波長、帶寬、反射率等進行實時監測，根據反饋得到的數據調整計算機模塊的參數，提高了光纖光柵串的品質一致性。4、旋轉編碼器的使用使得制備的光纖光柵間距以及光柵的噴涂精度等更高。5、設計并使用了一種彩色自動噴涂機，標記出每個光纖光柵的位置并通過不同顏色來區分其對應的中心波長。6、制備了一種多波長全同光纖光柵串，該光纖光柵串可以整串供傳感系統使用，也可以裁剪成不同的光柵供傳感器使用。

附圖說明

圖1為自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置的工作原理圖。

圖2為本發明中熱剝除模塊的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖與實施例對本發明的自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置作進一步的說明，圖中：Ⅰ-放纖模塊，Ⅱ-熱剝除模塊，Ⅲ-刻寫模塊，Ⅳ-收緊模塊，Ⅴ-涂覆模塊，Ⅵ-固化模塊，Ⅶ-噴涂模塊，Ⅷ-收纖模塊，Ⅸ-在線監測模塊，Ⅹ-計算機控制模塊；1-放纖繞盤，2-第一光纖滑環，3-第一導向輪，4-加熱裝置，5-第一滑輪，6-相位掩膜板變換器，7-第二滑輪，8-壓緊推桿，9-推桿電機，10自動涂覆裝置，11-紫外或熱固化器，12-彩色自動噴涂機，13-第二導向輪，14-輔助輪盤，15-旋轉編碼器，16-第三導向輪，17-收纖繞盤，18-第二光纖滑環，19-光譜分析儀，20-寬帶光源，21-光隔離器，22-光分路器，23-光時域反射儀。

如圖1所示，本發明的一種自動多波長全同光纖光柵串的制備裝置，延光纖運動方向依次包括：放纖模塊Ⅰ、熱剝除模塊Ⅱ、刻寫模塊Ⅲ、收緊模塊Ⅳ、涂覆模塊Ⅴ、固化模塊Ⅵ、噴涂模塊Ⅶ、收纖模塊Ⅷ；此外，還包括在線監測模塊Ⅸ和計算機控制模塊Ⅹ。

放纖模塊Ⅰ包括放纖繞盤1、第一光纖滑環2、第一導向輪3；收纖模塊Ⅷ包括第二導向輪13、輔助輪盤14、旋轉編碼器15、第三導向輪16、收纖繞盤17、第二光纖滑環18；放纖模塊Ⅰ和收纖模塊Ⅷ共同構成了本發明裝置的收、放纖系統。

熱剝除模塊Ⅱ包括加熱裝置4，用于光纖涂覆層的剝除。

刻寫模塊Ⅲ包括相位掩膜板變換器6及刻制光柵光路系統，用于相位掩膜板的變換和光纖光柵的刻寫。

收緊模塊Ⅳ包括壓緊推桿8、推桿電機9，用于調整該工位上光纖的張緊力。

涂覆模塊Ⅴ包括自動涂覆裝置10，用于將涂覆層材料均勻涂在光纖表面。

固化模塊Ⅵ包括紫外或者熱固化器11，完成涂覆層涂料的固化，使光纖表面形成涂覆層。

噴涂模塊Ⅶ包括彩色自動噴涂機12，在每個光纖光柵的位置標記上相應的顏色，不同顏色對應不同中心波長的光纖光柵。

放纖模塊Ⅰ包括放纖繞盤1、設置在放纖繞盤1中間軸的第一光纖滑環2、設置在放纖軸1下方的第一導向輪3；所述收纖模塊Ⅷ包括第二導向輪13和第三導向輪16、設置在第二導向輪13和第三導向輪16上方的輔助輪盤14、設置在輔助輪盤14上的旋轉編碼器15、設置在第三導向輪16旁的收纖繞盤17、以及設置在收纖繞盤17中間軸的第二光纖滑環18。

熱剝除模塊Ⅱ包括速熱型電加熱器、小型吸塵器、氣密倉、剝離器；設置在氣密倉中的速熱型電加熱器上的發熱體，可以在短時內將距發熱體上方3cm的空間溫度升到200～300℃，并且溫度可設置；電加熱器上的發熱體有15～20cm長以及2～3cm寬。氣密倉的頂部兩側安裝有小型吸層器，吸層器的效率在15％以上。設置在氣密倉中的剝離器位于發熱體正上方的1～2cm范圍以內，它具有耐受350℃以上高溫的能力；剝離器內的一端具有兩個動力小牽引輪，他們夾持住光纖并且將其往收纖盤的方向拉動，動力牽引輪拉動光纖的速度與光纖收纖盤的速度保持一致；剝離器內的另一端具有兩個隨動小牽引輪；在動力牽引輪與隨動牽引輪之間有兩個擦拭片，擦拭片耐350℃以上的高溫，兩個擦拭片相互咬合，形成一個直徑128μm的圓孔，適應裸光纖的通過，同時擦干凈融化的涂覆層；兩個擦拭片的咬合力調整適當，既可以除去熔融的涂覆層材料，又不至于卡斷光纖；兩塊擦拭片可以定期擦洗或者更換。

氣密倉由外接氮氣加壓鎖緊，僅有進纖和出纖處與外界空氣有些許接觸，保證了外部的污染顆粒不會影響內部的涂覆層剝離。

刻寫模塊Ⅲ包括相位掩膜板變換器6及刻制光柵光路系統，所述刻制光柵光路系統設置在相位掩膜板變換器6的下方，緊靠光纖；相位掩膜板變換器6設置在第一滑輪5和第二滑輪7之間且位于第一滑輪5和第二滑輪7上方。

收緊模塊Ⅳ包括壓緊推桿8、以及推動壓緊推桿8的推桿電機9，壓緊推桿8一端與一個U形固定架固定，U形固定架的兩端設有滾輪，能夠在壓緊推桿8的作用下垂直往復運動，所述第一滑輪5和第二滑輪7設置在兩個滾輪之間。

在線監測模塊Ⅸ包括光譜分析儀19、寬帶光源20、光隔離器21、光分路器22、光時域反射儀OTDR23；其中光譜分析儀19用于監測入射光譜形狀并得到光纖光柵的中心波長、帶寬、反射率等；寬帶光源20用于提供具有一定帶寬的輸入光；光隔離器21用于隔離反射光，以免損壞寬帶光源20；光分路器22用于將寬帶光源20和光時域反射儀OTDR23的光合為一路輸入；光時域反射儀OTDR23通過檢測光纖背向散射光來監測各個光纖光柵之間的距離。

計算機控制模塊Ⅹ與其他所有模塊相連，用于控制并協調各個模塊的運行。

針對普通通信光纖，本發明的自動多波長全同光纖光柵串的制備具體操作如下：

1.1將軸裝光纖安裝在放纖繞盤1上，光纖的一端依次繞過第一導向輪3、第一滑輪5、第二滑輪7、第二導向輪13、輔助輪盤14、第三導向輪16，最后固定在收纖繞盤17；

1.2僅啟用放纖模塊Ⅰ、熱剝除模塊Ⅱ和收纖模塊Ⅷ，光纖在工位上連續運動，經過熱剝除模塊Ⅱ上的加熱裝置4除去其表面的涂覆層；

1.3隨著裝置的持續運行，完成整個光纖的涂覆層剝除工序；

1.4將除去涂覆層的普通通信光纖裸纖進行載氫處理；

1.5將經載氫處理的軸裝普通通信光纖裸纖安裝在放纖繞盤1上，其一端通過光纖滑環2與光分路器22相連，其另一端依次繞過第一導向輪3、第一滑輪5、第二滑輪7、第二導向輪13、輔助輪盤14、第三導向輪16，固定在收纖繞盤17上并通過第二光纖滑環18與光譜分析儀19相連；

1.6啟動除熱剝除模塊Ⅱ外的所有模塊，光纖首先經過刻寫模塊Ⅲ和收緊模塊Ⅳ，放纖Ⅰ和收纖模塊Ⅷ停止運行；推桿電機9帶動壓緊推桿8并與第一滑輪5、第二滑輪7共同作用，使得光纖在保持水平的情況下微微收緊；相位掩膜板變換器6變換到特定的相位掩膜板；刻制光束通過光路系統，照射到掩模板上；掩模板背后形成的光條紋，照射光纖一定時間，即可刻制出所需中心波長的光纖光柵；

1.7與此同時，通過光譜分析儀19監測入射光譜形狀并得到光纖光柵的中心波長、帶寬、反射率等；通過光時域反射儀OTDR23來監測光纖光柵的間距，根據監測的情況調整光纖的收緊力以及刻制時間，獲得全同光纖光柵串；

1.8每刻制完一個光纖光柵，可根據需要隨時變換不同的相位掩膜板，制備不同波長的光纖光柵；

1.9接下來光纖經過涂覆模塊Ⅴ，均勻地涂上涂覆材料；經過固化模塊Ⅵ，在紫外光或者熱的作用下完成固化；經過噴涂模塊Ⅶ，完成光纖光柵的顏色標記；最終進入收纖模塊Ⅷ，完成光纖光柵串的收纖繞制。

針對光敏光纖，本發明的自動多波長全同光纖光柵串的制備具體操作如下：

2.1將軸裝光敏光纖安裝在放纖繞盤1上，其一端通過光纖滑環2與光分路器22相連，其另一端依次繞過第一導向輪3、第一滑輪5、第二滑輪7、第二導向輪13、輔助輪盤14、第三導向輪16，固定在收纖繞盤17上并通過第二光纖滑環18與光譜分析儀19相連；

2.2啟用所有的模塊；

2.3光纖經過熱剝除模塊Ⅱ上的加熱裝置4，除去其表面的涂覆層；

2.4光纖經過刻寫模塊Ⅲ和收緊模塊Ⅳ，放纖Ⅰ和收纖模塊Ⅷ停止運行；推桿電機9帶動壓緊推桿8并與第一滑輪5、第二滑輪7共同作用，使得光纖在保持水平的情況下微微收緊；相位掩膜板變換器6變換到特定的相位掩膜板，刻制光束通過光路系統，照射到相位掩膜板；掩模板背后形成的光條紋，照射光纖一定時間，即可刻制出所需中心波長的光纖光柵；

2.5與此同時，通過光譜分析儀19監測入射光譜形狀并得到光纖光柵的中心波長、帶寬、反射率等；通過光時域反射儀OTDR23來監測光纖光柵的間距，根據監測的情況調整光纖的收緊力以及刻制時間，獲得全同光纖光柵串；

2.6每刻制完一個光纖光柵，可根據需要隨時變換不同的相位掩膜板，制備不同波長的光纖光柵；

2.7接下來光纖經過涂覆模塊Ⅴ，均勻涂上涂覆材料，經過固化模塊Ⅵ，在紫外光或者熱的作用下完成固化；經過噴涂模塊Ⅶ，完成光纖光柵的顏色標記；最終進入收纖模塊Ⅷ，完成光纖光柵串的收纖繞制。

本發明的核心在于針對多種光纖，提出了一種自動多波長全同光纖光柵串的制備方法，并設計了相應的裝置。該裝置可以刻制多波長全同光纖光柵串，光纖光柵串上的每個光柵的間距、中心波長可調整，并用不同顏色進行標記，提高了生產效率，實現了大規模生產。所以，其保護并不限于上述實施例。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的范圍和精神，例如：使用特種摻鉺光纖，不同芯徑的光纖，上述模塊的不同組合方式等。倘若這些該動和變形屬于本發明權利要求及其等同技術范圍內，則本發明也意圖包含這些改動和變形在內。