[发明专利]一种双涂覆层弱光纤光栅阵列及其制备方法

说明书

一种双涂覆层弱光纤光栅阵列及制备方法，包括纤芯、刻写在纤芯上的弱光栅阵列，纤芯外的包层，包层外采用汽相沉积工艺制备的TiO2层，TiO2层外二次涂覆高分子材料。一种双涂覆层弱光纤光栅阵列的制备方法，利用拉丝塔对预制棒拉丝形成纤芯和包层，然后采用外部气相沉积工艺在裸光纤表面形成TiO2薄膜，再采用相位掩模板单脉冲工艺刻写弱光栅阵列，最后对刻写的光栅进行二次涂覆。本发明的光纤光栅阵列结构简单，抗弯曲、抗疲劳、抗腐蚀性好，性价比高，刻写方式灵活，可用于恶劣环境以及长期应变监测的场合，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种双涂覆层弱光栅阵列及其制备方法。

背景技术

光纤光栅传感器由于其具有体积小、抗电磁干扰、高灵敏度等显著优点，常用于温度、应力以及振动等参数的测量。普通光栅多采用载氢光纤先剥皮后刻写，然后再进行二次涂覆制成。由于二次涂覆后时光栅处的涂覆层厚度不均，与原有的涂覆层无法完美结合，导致普通的光栅抗拉强度降低，温度线性度不佳，需要单独封装才能够用于实际测量。此外，普通光栅的反射率高，复用容量小，也无法进行大容量分布式监测的需要。弱光栅是对反射率低于1％光栅的统称，由于弱光栅的反射率较低，在单根光纤上允许同波长光栅的复用，因此，弱光栅的复用容量大大幅提升，在分布式多点监测中显表现出明显的优势，例如，在坝前水温监测、建筑应变监测以及周界安防等众多领域具有很好的应用前景。

弱光栅制备工艺与传统光栅存在明显差异，目前最新的弱光栅制备方法主要有飞秒刻写、拉丝塔刻写以及透紫外高分子涂覆层刻写等几种方法。德国夫琅禾费研究所拥有飞秒刻写方法的专利，这种工艺无需剥皮，可以直接在普通光纤上刻写，但光栅的累积插入损耗大，很难实现大容量复用；武汉理工大学提出了拉丝塔光栅刻写方法，并申请了专利“大容量弱光栅阵列加工设备及方法”(专利号：201610320857.0)，这种方法在光纤拉丝的同时进行光栅刻写，再进行丙烯酸酯的涂覆，制备的弱光栅阵列的机械性能好，抗拉和耐疲劳性能与普通光纤相当。但拉丝塔刻写工艺较难实现波长调整，制备多波长阵列困难，且设备投入大，生产技术要求高。专利“一种光纤，其制备方法及其光纤光栅阵列”(专利号：201710188727.0)将普通光纤的丙烯酸酯涂覆层改为高分子紫外光透明材料，同时降低涂覆层的厚度到30um左右，来提高涂覆层的透光性，再采用相位掩模法直接透过涂覆层来刻写光栅。这种刻写工艺将光纤制备与光栅刻写分离，工艺灵活性好，但由于高分子紫外光透明材料的强度差，光纤的抗拉强度小于100kpsi，二次涂覆品质较难控制，应用范围也极为有限。上述3种制备工艺各有优缺点，制备的光栅阵列还不能很好地满足传感行业的普遍需求，尤其是在多波长复用方式，以及耐腐蚀、抗疲劳性等性能还有待提升，深入研究弱光栅的新结构及制备方法很有必要。

发明内容

针对现有弱光栅阵列性能不佳、制备工艺不佳的问题，本发明提出了一种双涂覆层的弱光纤光栅阵列，该发明在光纤拉丝过程中，通过在裸光纤的包层外汽相沉积一层超薄的TiO₂薄膜，得到机械性能良好的一次涂覆光纤。由于TiO₂薄膜的紫外吸收率不高，可以直接利用掩模板自动刻写系统透过TiO₂薄膜灵活刻写弱光栅阵列。再经过二次涂覆丙烯酸酯等得到标准直径的光纤光栅阵列。由于光纤涂覆TiO₂薄膜具有良好的附着力和耐腐蚀、抗疲劳性能，使得该双涂覆层光纤光栅阵具有很好的韧性、抗疲劳性以及耐腐蚀性，在恶劣环境的监测以及长期应变监测上具有重要的应用价值。

本发明采取的技术方案为：

一种双涂覆层弱光栅阵列，包括纤芯、刻写在纤芯上的弱光光栅阵列、纤芯外的包层，包层外涂覆TiO₂层，TiO₂层外涂覆高分子材料层。

所述TiO₂层采用汽相沉积工艺制备，厚度2～10um。

所述的弱光光栅阵列是全同或者波分复用的弱光栅，光栅反射率低于0.1％。