[发明专利]飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法

说明书

本发明设计了一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法，基于相位掩模法，通过飞秒激光在线刻写光栅阵列。光栅刻写后通过特种涂覆设备，在线封装成准分布式多参量测量的传感器阵列。光栅表面部分区域可以涂覆金属涂层或者其他耐高温涂层、功能涂层，能够应用在高温等特殊环境中。当外界温度、应变等环境参量变化时，具有不同涂层的光栅阵列反射峰分裂成多个具有不同灵敏度的峰。通过这些反射峰波长对外界环境变化的漂移值，结合灵敏度矩阵方程，解调得到外界环境改变量。通过本发明能够制备具有应用在高温等特殊环境下的准分布式多参量光栅传感器阵列，具有传感器强度高、制备成本低、能多参量同时测量的优点。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法。

背景技术

随着时代的发展，对光纤传感器的要求不断提高。目前光纤传感器正朝着高性能、大容量、多参量和阵列化的方向发展。发展新一代光纤传感器网络已成为新一轮信息化浪潮的重大课题。

飞秒激光刻写的光纤光栅是新一代光无源器件，具有稳定性好、体积小、使用灵活、易于与光纤集成等优点，并且光纤纤芯不需要掺杂，能够应用于高温等特殊环境，为光纤传感领域开辟了一个新的方向。目前光纤传感器已经广泛应用于电力、交通、安防等领域。随着时代的发展，光纤传感器需要具有多点同时多参量测量，能够进行准分布式或者分布式多参量测量。传统的飞秒激光刻写的光纤光栅都是基于离线制备的。光纤在制备完成后，去掉涂覆层，然后利用飞秒激光器刻写，最后再涂覆涂层。这种方法制备的方法虽然具有能够应用在高温等特殊环境，但是由于对光纤表面具有较大的机械损伤，使传感器强度较低。并且多个传感器串联形成阵列时，具有较大损耗，难以大容量复用。而已有的光纤多参量传感器结构复杂、强度较弱、难以形成多参量传感网络。

中国专利CN101539403A发明了一种利用金属管封装裸光栅的光纤光栅应变、温度同时测量传感器。该传感器利用金属管封装光纤光栅，其中一个光栅两端受力，另一个光栅一端受力。通过一端受力光栅测量温度，补偿两端受力光栅，形成温度、应变双参量测量。这种传感器结构复杂、不易大规模制备，同时难以形成传感器阵列。

专利CN108051377A发明了一种基于飞秒激光刻写的长周期光纤光栅的方法和装置。该装置利用飞秒激光通过移动光纤的速度在美国康宁SMF28单模光纤上刻写不同周期和长度的光纤光栅。该发明能够在测量折射率上具有良好的应用。但是这种方法需要剥离涂覆层，对光纤具有机械损伤。并且难以制备大容量光纤传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞秒激光在线刻写光栅阵列及准分布式多参量测量的方法，激光在线刻写光栅多参量传感器阵列，能够形成具有准分布式多参量测量的光纤传感器阵列，具有高强度、大容量、低损耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种飞秒激光在线刻写光栅多参量传感器阵列的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，预制棒通过拉丝塔石墨炉融化拉制成光纤后，被飞秒激光通过透镜组及相位掩模板形成的干涉条纹照射；步骤二，飞秒激光在光纤表面及纤芯区域形成了周期性的缺陷区域，形成光栅；步骤三，根据位于拉丝塔主动牵引轮后面的光点编码器发出的脉冲信号，位于飞秒激光器中的脉冲计数器接收脉冲信号并根据设定值使飞秒激光器发射飞秒激光；步骤四，位于特种涂覆装置上的计数器接收脉冲信号，并根据设定值使特种涂覆装置启动，涂覆装置根据启动时间的长短控制涂覆在光栅表面部分区域的涂层材料的长度及厚度，随后进入固化炉中固化；步骤五，多个特种涂覆装置串联，在光纤光栅表面形成多个具有不同涂层区域的光栅传感器。

按上述技术方案，主动牵引轮夹住光纤，根据外弧边单位转动距离发送脉冲信号，由以下公式计算：

r＝2×π*R/N，

式中，r为光电编码器发送信号的弧长间隔，即外弧边单位转动距离；R为主动牵引轮的半径；N为主动牵引轮转动一圈光电编码器发送的脉冲信号个数。