[发明专利]一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置

说明书

一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置，包括以下步骤：将聚酰亚胺光纤固定于光纤固定座；设定聚酰亚胺光纤的运动参数和设定紫外激光器的工作路径和移动速度；设定紫外激光器的第一加工参数；将紫外激光器的激光焦点定位在聚酰亚胺光纤的轴心；紫外激光器射出的激光对聚酰亚胺光纤的纤芯进行加工；设定紫外激光器的第二加工参数；激光焦点上移至聚酰亚胺光纤的上表面的上方；使紫外激光器射出的激光分散地对聚酰亚胺光纤的聚酰亚胺涂层进行加工。一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，包括紫外激光器，通过紫外激光器分步对同一聚酰亚胺光纤进行加工处理，减少石墨烯转移到石英光纤的精细且复杂操作。

技术领域

本发明涉及光纤通信及传感技术领域，特别是一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置。

背景技术

光纤光栅是最具代表性、最有发展前景的光纤无源器件，在光通信和光传感领域应用最为广泛。近年来，长周期光纤光栅(LPFG)作为一种周期一般大于100μm的透射型带阻滤波器，因其具有宽带宽、无向后反射、对外界变化敏感、成本低廉、制作简单等优点，引起了学术界和工业界的广泛研究。LPFG的特点是将符合相位匹配条件的纤芯基模能量耦合到同向传输的高阶次包层模中，并快速泄露到包层外而与外界环境发生相互作用，从而实现传感探测，在传输谱上表现为相应谐振波长处出现一个损耗峰。

石墨烯作为一种二维的单原子层纳米材料，其在电、光学领域内的独特性能受到了越来越多的关注和研究，以石墨烯为基础材料，经过加工改造制取出来的传感器、调制器等各种新型装置被各类顶级期刊杂志所报道。由于石墨烯自身结构柔软以及超薄的优势，将石墨与其他各类光纤器件、光纤微波导等结构通过涂覆或者包覆等方法相结合制作传感器也倍受各界研究者的关注，以此得到不同的特性，应用于不同需求的传感区域。由于光纤直径为125微米，而石墨烯薄片一般是纳米级，所以将石墨烯转移到光纤表面需要经过非常精细、繁琐的操作。

现有的制备方法中，基本均是是单独在裸石英光纤上用紫外激光加工或者电弧放电等方式制备长周期光纤光栅，石墨烯涂层需要另外转移涂覆。同样，现有方法只能单独在聚酰亚胺薄膜上采用紫外激光加工或者红外激光加工等方式制备石墨烯薄层，不能同时制备长周期光纤光栅。这大大增加了制备石墨烯涂层光纤光栅的难度，同时也无法实现大规模的制造和商业化应用。

现有文献中，期刊《物理学报》2003年6月第52卷第6期文章《高频CO₂激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究》提出了一种用高频CO₂激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅(LPFG)的方法。高频CO₂激光脉冲可以在普通单模光纤中写入高质量的LPFG，热稳定性较好、不需退火处理、成本低，此外也可随意改变CO₂激光的扫描周期从而写入不同传输特性LPFG。但是这种方法只能对光纤进行径向扫描方式，无法实现光纤上下两部分的加工，并且光栅的形状图案比较单一，可能无法满足一下特殊图案的光栅制备，例如螺旋状光栅，而且激光刻写LPFG具有插入损耗过大的缺点。

期刊《光子学报》2018年11月第47卷第11期文章《飞秒激光直写长周期光纤光栅及其光谱特性》设计并搭建了长周期光纤光栅制备系统，采用800nm飞秒激光脉冲逐点刻蚀长周期光纤光栅，提高激光与光纤对准的准确度和效率，改善光栅刻写效率和光谱特性。但在采用这种方法制光栅时，需要去除光栅涂层，而且采用逐点刻蚀对于定位精度要求较高，并且刻蚀图案比较单一。

中国专利CN201710444901.3基于长周期光纤光谱的石墨烯复折射率测量方法，在此专利中，是先制成石墨烯薄片再转移到长周期光纤光栅，这种方法操作复杂并且成功率较低，在转移过程中极易影响石墨烯质量。由于对光栅的形状多样化要求，石墨烯制备过程的复杂性及石墨烯转移的操作要求，亟需一种新的技术，简化制备过程以及提高制备石墨烯涂层的长周期光纤光栅的质量。

发明内容