[发明专利]全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法

说明书

本发明公开了一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，它的脉冲激光发生器的脉冲激光输出端连接第一光分路器的输入端，第一光分路器的第一输出端连接第二光分路器的第一输入端，宽带光源的输出端连接第二光分路器的第二输入端，第二光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的一端，第二光分路器的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器的第二输出端连接第三光分路器的第一输入端，光谱分析仪的光通信端口连接第三光分路器的第二输入端，第三光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的另一端，第三光分路器的第二输出端为光谱观察接口；通过本发明制作的光栅阵列具有较大的弯曲半径以及较高的机械强度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法。

背景技术

设备跟踪在医学领域是一个非常活跃和完善的领域，它可在手术过程中对人体内的医疗器械进行导航，例如导管、内窥镜、柔性针等微创手术器械。光纤光栅(Fiber BraggGrating,FBG)由于其具有柔软、体积小、抗电磁干扰能力强、易组网与嵌入等特性，目前已经有大量学者进行基于光纤光栅传感器的三维姿态还原的基础研究，以及活检针，导管和其他用于形状检测的微创工具的医学应用研究中。

光纤轴向应变及曲率、挠率等的反馈信息获取是三维姿态重建的重点。而为了定位曲率半径，至少有三根纤维被粘合封装成特定的几何形状(线性、三角形或正方形的横截面)以获得二维或三维的形状重建。在2010年，哈佛大学的Park采用每组三个(横截面为三角形)共两组的共轴传感器封装在手术针上，通过轴向应变的检测，通过曲率完成针尖形状重建，并能达到1mm的检测精度，上述方法仅能实现自由空间内二维平面重建，并且其采用分离的、若干单个光栅组成的光栅阵列易于制作，但是封装和布设由于自然扭转等问题对后续解调算法存在较大影响。

为了解决封装的难题，已有学者提出采用多芯光纤来简化设计，在2007年美国Forggat团队采用OFDR检测系统实现了多点轴向共位的三芯光纤光栅的准分布式曲率检测，传感器为110个长度为0.5cm间距为1cm的FBG阵列，上述光栅的制作方法采用掩膜版旋转对准写入的方法，但是旋转写入法对制作平台精度要求非常高，且涂覆层剥离后的机械强度不高会增加制作难度。

目前采用FBG的形状传感器用于针形跟踪的主要限制是集成的FBG数量有限，并且其是采用分离式的准分布式结构，光栅与光栅之间的间隔存在盲区，难以保证三维姿态重建的精度，只能通过近似值来推断还原3D形状。另外，由于光纤光栅材质的限制，其弯曲半径以及温度干扰也存在较大影响。针对以上问题，针对目前三维姿态重构主要是基于离散型准分布式传感而导致精度不高的问题，提出基于硫系三芯长光纤光栅的传感方法，利用硫系光纤本身对1550nm波段具有的高光敏性以及能诱导折射率产生调制的特性，形成密集连续的光纤光栅阵列，该传感器将是一种全分布式的传感结构，而且其全分布式结构能够提高三维姿态重构的精度。另外，PMMA材料本身的柔韧性好，机械强度高，也可以解决普通单模光纤柔性差的劣势。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台及方法，通过本发明制作的光栅阵列具有较大的弯曲半径以及较高的机械强度。

为实现此目的，本发明所设计的一种全分布式的三芯硫系长光纤光栅制作平台，其特征在于，它包括脉冲激光发生器、第一光分路器、宽带光源、第二光分路器、三芯微丝光纤、第三光分路器和光谱分析仪，其中，所述脉冲激光发生器的脉冲激光输出端连接第一光分路器的输入端，第一光分路器的第一输出端连接第二光分路器的第一输入端，宽带光源的输出端连接第二光分路器的第二输入端，第二光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的一端，第二光分路器的第二输出端为光谱观察接口，第一光分路器的第二输出端连接第三光分路器的第一输入端，光谱分析仪的光通信端口连接第三光分路器的第二输入端，第三光分路器的第一输出端连接三芯微丝光纤的另一端，第三光分路器的第二输出端为光谱观察接口；

所述三芯微丝光纤的每根纤芯的直径相等，且每根纤芯的直径范围为0.5～0.7um。