線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖Bragg光柵，具體涉及線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 以光纖通信和光纖傳感技術(shù)為代表的信息技術(shù)和傳感器技術(shù)在20世紀(jì)70年代 以來(lái)至今，極大的推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。光纖光柵按照周期大小可以分為光纖Bragg光 柵（即，F(xiàn)BG，周期小于Ιμπι)和長(zhǎng)周期光纖光柵（周期為幾十~幾百μπι)兩種最基本的 類型。目前，制作FBG的最常用方法是基于紫外曝光的相位掩膜板法，該方法要求光纖材 料具有光敏性，而且需要通過(guò)載氫的方法來(lái)增加其光敏性。2007年，英國(guó)Aston大學(xué)的 I. Bennion等使用800nm的飛秒激光器在單模光纖的纖芯內(nèi)成功的寫(xiě)入了一階、二階和四 階的Bragg光柵，該方法能夠直接造成光纖纖芯表面或內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)性損壞點(diǎn)，所構(gòu) 成的纖芯Bragg光柵具有許多特點(diǎn)，比如：1)對(duì)光纖材料沒(méi)有特殊的要求，不要求光纖具有 光敏性，也不需要載氫處理等復(fù)雜耗時(shí)的處理過(guò)程；2)可以方便快捷的寫(xiě)入所需的任何周 期的Bragg光柵；3)由于是屬于結(jié)構(gòu)性的損壞且寫(xiě)入的周期性結(jié)構(gòu)不處于光纖的圓對(duì)稱 中心軸位置，因此寫(xiě)入的Bragg光柵具有很高的纖芯雙折射效應(yīng)。4)由于光柵是纖芯內(nèi)部 的結(jié)構(gòu)性損壞形式，因此引入的平均折射率變化幅度較傳統(tǒng)的紫外曝光法寫(xiě)入的光柵大得 多，所以可僅制作很少的光柵周期即可獲得很高的光譜反射率。
[0003]目前，使用飛秒激光器刻寫(xiě)的FBG，其光柵位置都是寫(xiě)在纖芯的內(nèi)部或纖芯與包層 的交界面。飛秒激光器刻寫(xiě)的這類FBG具有一些特殊的傳感特性，比如：可在極高的溫度 (800°C)以上保持良好的溫度敏感線性特性。但是，飛秒激光刻寫(xiě)在纖芯的內(nèi)部或纖芯與 包層的交界面的Bragg光柵，仍然與傳統(tǒng)的紫外曝光的相位掩膜板法寫(xiě)入纖芯的Bragg光 柵一樣，本質(zhì)上對(duì)外部介質(zhì)折射率不敏感。
[0004] 過(guò)去十多年，為了使得傳統(tǒng)FBG對(duì)外部介質(zhì)折射率進(jìn)行傳感，許多人采用化學(xué)溶 液腐蝕或側(cè)面研磨的方法去除FBG的全部包層或大部分包層，形成微米直徑量級(jí)的Bragg 光柵（直徑3 μπι~15 μπι、長(zhǎng)度1mm~20mm)，于是可使其纖芯模的倏逝場(chǎng)透射到外部待 測(cè)介質(zhì)中，則FBG將對(duì)外部介質(zhì)折射率的變化將十分敏感，從而可將其應(yīng)用于生物化學(xué)、醫(yī) 學(xué)、生命科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的各種參量的檢測(cè)。但化學(xué)腐蝕或側(cè)面研磨FBG包層的方法存在 許多的缺點(diǎn)，比如：無(wú)法保證光柵表面的均勻性，因此使得光柵的諧振光譜展寬，導(dǎo)致傳感 中的測(cè)量精度降低，甚至無(wú)法使用；降低了 FBG的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致使用過(guò)程中操作困難、容 易折斷；化學(xué)腐蝕或側(cè)面研磨的過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，過(guò)程不好控制，重復(fù)性不好。而目前，本發(fā)明 所提出的線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵傳感器，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供線狀溝槽型 光纖包層表面Bragg光柵。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，一種線狀溝槽型光纖包層表面 Bragg光柵，其特點(diǎn)是：所述光纖包層表面Bragg光柵設(shè)置在單模光纖的光纖包層的外表 面；該光纖包層表面Bragg光柵由若干條線狀溝槽構(gòu)成；且若干條線狀溝槽沿光纖的軸向 呈現(xiàn)周期性的分布；所述線狀溝槽的槽道沿光纖圓周方向分布；所有線狀溝槽的軸對(duì)稱線 在一條直線上，該直線與光纖中心軸平行。
[0007] 本發(fā)明線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵對(duì)折射率十分敏感的原理是：由于 Bragg光柵結(jié)構(gòu)處于包層的外表面邊界，所以該Bragg光柵對(duì)高階包層模的光波場(chǎng)中符合 諧振條件的光波長(zhǎng)的反射明顯大于對(duì)低階包層模的光波場(chǎng)中符合諧振條件的光波長(zhǎng)的反 射，又由于外部介質(zhì)折射率變化對(duì)高階包層模的倏逝場(chǎng)的影響遠(yuǎn)大于低階包層模的倏逝場(chǎng) 的影響，因此，當(dāng)外部待測(cè)介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)改變各階包層模的有效折射 率，從而導(dǎo)致光纖包層表面Bragg光柵所反射的各階包層模的諧振波長(zhǎng)的漂移，而且高階 包層模的諧振波長(zhǎng)漂移會(huì)明顯大于低階包層模的諧振波長(zhǎng)漂移。
[0008] 光纖包層表面Bragg光柵由于Bragg光柵固有的窄諧振帶寬特性，因此，光纖包層 表面Bragg光柵即具有類似長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外部介質(zhì)敏感的特性，同時(shí)具有很高的Q值 因子；其次，光纖包層表面Bragg光柵還保留了傳統(tǒng)光纖Bragg光柵相對(duì)于長(zhǎng)周期光纖光 柵低得多的溫度、應(yīng)變靈敏系數(shù)，因此，光纖包層表面Bragg光柵較長(zhǎng)周期光纖光柵具有低 得多的溫度/應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)；而且，由于Bragg光柵是處于光纖包層的外表面，因此外 部溫度、壓力及應(yīng)變等物理參數(shù)對(duì)其Bragg結(jié)構(gòu)的影響將不同于對(duì)傳統(tǒng)的寫(xiě)在纖芯內(nèi)部的 Bragg光柵結(jié)構(gòu)的影響，即溫度、壓力及應(yīng)變的靈敏度比傳統(tǒng)FBG高；同時(shí)，該光纖Bragg光 柵設(shè)置在光纖包層的外表面，對(duì)光纖包層外表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性損壞，非光纖中心軸對(duì)稱的結(jié) 構(gòu)，因此其光纖包層的光柵區(qū)域具有明顯的雙折射效應(yīng)。利用以上光纖包層表面Bragg光 柵所具有的特性，可將其用于檢測(cè)如折射率、聲場(chǎng)、超聲波、pH值、濕度等外部參量。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明所述的線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵的一個(gè)優(yōu)選方案，線狀溝 槽的槽深度〈0.5 μ m，槽寬度小于光纖包層表面Bragg光柵（4)周期的一半，槽道的長(zhǎng)度在 光纖包層橫截面周長(zhǎng)的1/4~1之間。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明所述的線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵的一個(gè)優(yōu)選方案，光纖各 階包層模的諧振波長(zhǎng)在1200nm~1800nm之間。
[0011] 本發(fā)明所述的線狀溝槽型光纖包層表面Bragg光柵的有益效果是，本發(fā)明結(jié)構(gòu)獨(dú) 特，制作方法簡(jiǎn)單，微型化，光纖化；本發(fā)明具有類似長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外部介質(zhì)敏感的特 性；同時(shí)具有很高的Q值因子，比長(zhǎng)周期光纖光柵具有低得多的溫度/應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)； 溫度、壓力及應(yīng)變的靈