[发明专利]四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法

说明书

本发明涉及一种光纤光栅，具体涉及一种四象限光纤包层Bragg光栅，由四个周期不同的包层Bragg光栅组成，四个包层Bragg光栅分别设在单模光纤的包层的四个象限区域内；一、二、三和四象限内的四个包层Bragg光栅的起点位置处于光纤的同一个横截面内，且依次首尾相连构成正方形，该正方形以光纤的纤芯为中心点；每个包层Bragg光栅均由一组点状破损点构成，且各组点状破损点沿光纤的轴向呈周期性的分布，各组点状破损点位于一条直线上，该直线与光纤中心轴平行，采用本发明方案的光栅，可通过封装构成四象限光纤包层Bragg光栅传感器，实现在光纤同一个位置的四个区域分别对单个或多个外部参量的检测，可广泛应用于结构工程、航天航空、生物、医学、生命科学等领域。

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅，具体涉及一种四象限光纤包层Bragg光栅及其制备方法。

背景技术

以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感器技术在20世纪70年代以来至今，极大的推动了人类社会的进步。

光纤光栅按照周期大小可以分为短周期光纤光栅(即，FBG，周期小于1μm)和长周期光纤光栅(LPFG，周期为几十～几百μm)两种最基本的类型。FBG是较LPFG早发明且子类更多的基本大类，目前制作FBG的最有效且商用化程度最高的传统方法是基于紫外曝光的相位膜板法。但是，传统写制FBG的方法要求通过载氢过程增加光纤的光敏性，而且制作的是I型光栅(纤芯发生正的折射率变化，一般为10^-5量级)。I型FBG是目前应用最为成熟和广泛的的光栅类型，但其缺点是耐高温能力很差。

过去十多年，超快激光技术的飞步发展，使其已经走出实验室进入工业和医药等行业执行精准细致的加工任务。超快激光器的成功之处在于其能将光能集中到皮秒至飞秒的时间间隔内，并将光聚焦到亚微米级的小空间上。其中，近红外飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率，能够实现超高精度的微纳加工，轻松突破衍射极限，且对材料没有选择性，加工过程也非常灵活，可以进行任意复杂结构的加工。

2004年，英国Aston大学的Martinez等首次使用波长为800nm的飞秒激光器(脉宽：150fs、重频：1kHz，峰值光强：10¹⁴W/cm²)和逐点直写法在普通单模裸光纤的纤芯内部造成周期性的结构损坏点，构成了一阶、二阶和四阶的均匀Bragg光栅(属II型光栅，即：纤芯发生负的折射率变化，可高达10^-3量级)，其成栅机理是基于飞秒激光脉冲与石英介质之间的非线性光致电离机制，比如：多光子吸收、隧道电离等。之后，本领域诸多学者对飞秒激光直写法制作的II型光纤光栅的理论模型、写入方法、光谱特征、传感性能及应用等方面进行了大量研究。

相对于传统的紫外曝光相位膜板制作法而言，飞秒激光逐点(或逐线)直写光纤光栅的主要优势可具体概括为：①对光纤材料没有特殊的要求，且不要求光纤具有光敏性，因此不需要载氢等耗时的处理过程；②能够快速刻写FBG(60s之内甚至几秒可完成一根光栅刻写)，并可根据程序设定方便快速的在光纤区域的任何位置写入所需的任何周期的光栅；③由于光栅是纤芯内部的结构性损坏形式，因此引入的折射率变化较传统的通过紫外曝光的相位模板法写入的光栅高两个量级，所以仅需制作极短的光栅即可获得很高的反射率；④非线性光致电离效应和聚焦点的极高峰值光强(达10¹⁴W/cm²量级)造成的结构损坏点将引起光纤横截面折射率分布的明显不对称性，因此写入的光栅具有很高的纤芯双折射(可高达10^-4量级)，从而导致其谐振光谱具有很强的偏振相关性；⑤飞秒激光直写的FBG具有极高的温度稳定性，即，可在极高的温度(一般>1000℃)下仍然保持常温下的光栅结构和保持良好的温度敏感线性特性，因此适合作为极端环境下的传感器。