一种瑞利散射增强光纤及制备方法

1.本发明属于光学元件技术领域，具体涉及到一种瑞利散射增强光纤及制备方法。


背景技术：

2.光纤由于其抗电磁干扰，耐腐蚀，灵敏度高传输损耗小，传输容量大等特点可以作为优秀的传感器载体。利用普通光纤中固有的瑞利散射，光纤可以作为分布式传感器。如光频域反射技术，可以实现高空间分辨率监测沿光纤的物理参数变化。基于光纤的分布式声波传感技术利用光纤中的背向瑞利散射可定位和恢复光纤链路上的声波信息（振幅、相位和频率）。然而，为了降低通信中的光损耗，商用通信光纤在光纤制造过程中会将散射优化到最小。因此，基于瑞利散射的分布式光纤传感器的性能受到了普通商用光纤中的微弱瑞利散射信号的限制。
3.为了解决这一问题，增强分布式光纤传感信号信噪比，研究人员提出在光纤制作时加入杂质粒子以增加散射中心的方法，但这种方法对工艺要求高，灵活性低；此外，还可以利用紫外激光和飞秒激光对光纤纤芯进行改性制作，如刻写光纤布拉格光栅（fbg），制作纳米光栅等。紫外激光对光纤进行刻蚀的区域需要进行载氢处理和剥除涂覆层，折射率变化在10-5
到10-4
，称为type
‑ⅰ
型光栅结构，在高温下容易退化，而飞秒激光作用的区域不需要剥除涂覆层，折射率变化在10-3
到10-2
属于永久性改性，称为type
‑ⅱ
型纳米光栅结构，具有高温稳定性并且不会破坏光纤自身机械强度。飞秒激光直接诱导写入的纳米光栅可以增强瑞利散射信号，并应用于基于光频域反射技术的分布式温度传感。国外有研究人员利用飞秒激光诱导的纳米光栅作为瑞利散射中心的高温稳定传感器在温度高达800℃的反应性氢气环境中进行了测试。然而，现有的飞秒激光制作散射增强结构由于增强了光纤纤芯的散射，不可避免地存在高传输损耗，可测量范围受到限制。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术在于克服现有散射增强结构的缺点，提供一种设计合理、结构简单、传输损耗低、增强光纤分布式传感系统在长距离下的信噪比的瑞利散射增强光纤及制备方法。
5.解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种瑞利散射增强光纤，单芯光纤或多芯光纤的包层上沿着中心线方向刻写有波导，波导与纤芯平行，波导的数量与纤芯的数量相同且每一个纤芯对应一个波导。
6.作为一种优选的技术方案，所述的波导与纤芯之间的距离为0.1～10μm。
7.作为一种优选的技术方案，所述的波导长度范围为0.01m～1km。
8.本发明还提供一种瑞利散射增强光纤，由以下步骤组成：s1.光纤预处理首先取一段光纤，用酒精将光纤预制备部分清理干净，并用熔接机将光纤一端与单模光纤跳线头熔接；
s2.光纤放置将步骤s1中清洁好的光纤放置在载玻片上，用折射率匹配液将光纤制备部分浸没，盖上盖玻片；将载有光纤的载玻片放置于三维位移平台上，调整好盖玻片位置，然后用光纤v型槽夹具将光纤两端固定，调整三维位移台，使待制备光纤保持平直状态；s3. 设置加工参数刻写波导光纤放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，包括预加工的包层波导长度、飞秒激光的功率和重复频率，飞秒激光的功率设为0.8～2μm、重复频率设为200hz或500hz，调整飞秒激光聚焦位置，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为0.1～10μm，设置加工过程中光纤移动速度，启动加工程序进行包层波导制备；s4.波导散射测试取出步骤s3中制备好的包层具有波导的光纤，并用酒精纸擦除掉光纤表面折射率匹配液，将单模跳线头接入光时域反射仪，包层波导的背向散射光由光时域反射仪测量。
9.作为一种优选的技术方案，所述的步骤s3的加工过程中光纤移动速度为10～100 μm/s。
10.作为一种优选的技术方案，所述的步骤s4中光时域反射仪设置传感距离为0～73 m、空间分辨率为0.1～1 mm。
11.作为一种优选的技术方案，所述的步骤s2中折射率匹配液的折射率为1.4～1.5。
12.本发明的有益效果如下：本发明通过飞秒激光在光纤包层处刻写波导，形成包层波导，可以增强光纤中的背向瑞利散射光，提高瑞利散射强度，同时不影响纤芯中的传输光；在背向瑞利散射信号强度提高的基础上，又具有极低的传输损耗，可增强分布式技术的传感精度和传感距离。
13.本发明采用飞秒激光调制形成的type
‑ⅱ
型纳米光栅结构在高温下仍有稳定的传感能力，光纤中的纳米光栅可耐高温至1000℃，以满足在恶劣环境中的应用。
14.本发明在制作包层波导过程中可以灵活调节偏芯的偏移值和飞秒激光脉冲的能量，进而可以灵活控制光纤中瑞利背向散射光的强度和传输损耗，可以满足不同条件的应用需求。
附图说明
15.图1是本发明实施例1瑞利散射增强光纤的结构示意图。
16.图2是图1的a-a剖视图。
17.图3是本发明实施例4瑞利散射增强光纤的结构示意图。
18.图4是本发明瑞利散射增强光纤和芯内波导光纤的背向瑞利散射信号对比结果图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
20.实施例1在图1、2中，本实施例的一种瑞利散射增强光纤为单芯光纤1的包层1-1上沿着中
心线方向刻写有一条波导1-3，波导1-3与纤芯1-2平行，波导1-3与纤芯1-2之间的距离为6μm，波导1-3长度为2cm。
21.本实施例的瑞利散射增强光纤，由以下步骤组成：s1.光纤预处理首先取一段单芯光纤1，用酒精将光纤预制备部分清理干净，并用熔接机将光纤一端与单模光纤跳线头熔接；s2.光纤放置将步骤s1中清洁好的单芯光纤放置在载玻片上，用折射率匹配液将单芯光纤制备部分浸没，折射率匹配液的折射率为1.45，盖上盖玻片；将载有光纤的载玻片放置于三维位移平台上，调整好盖玻片位置，然后用光纤v型槽夹具将单芯光纤两端固定，调整三维位移台，使待制备单芯光纤保持平直状态；s3. 设置加工参数，并制备波导单芯光纤放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，即预加工的包层波导长度设为2cm，飞秒激光的功率设为1.4μm、重复频率设为200hz，飞秒激光的波长为800nm、脉冲宽度为50fs，调整飞秒激光聚焦位置，使调制点直径为1μm，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为6μm，设置加工过程中光纤移动速度为50μm/s，启动加工程序进行包层波导制备；s4.波导散射测试取出步骤s3中制备完成的包层具有波导的单芯光纤，并用酒精纸擦除掉单芯光纤表面折射率匹配液，将单模跳线头接入光时域反射仪，包层波导的背向散射光由光时域反射仪测量，光时域反射仪设置传感距离为73 m、空间分辨率为0.1 mm。
22.为了验证本发明的有益效果，发明人用实施例1的加工参数在单芯光纤的纤芯上刻写相同波导后形成的芯内波导光纤与实施例1的瑞利散射增强光纤同时做测试，测试结果如图4，可以看到两种波导存在的区域，光纤的瑞利散射强度都有明显的提高，芯内波导的瑞利散射强度提高在30 db～50 db之间，包层波导的瑞利散射强度提高在30 db左右。
23.在图4中，芯内波导的前端区域散射强度提高比包层波导要大，原因是单模光纤中传输的光场在径向横截面上呈高斯型分布，光场能量绝大多数集中在纤芯内部，将波导刻写在能量集中的纤芯中后，飞秒激光作用到光纤上，由于非线性效应，波导中会出现尺寸为几十至几百纳米的纳米光栅，纳米光栅和未调制区域的折射率差值为0.001～0.01；通常传感光源一般在c波段，波长范围1530～1565 nm，这些纳米光栅满足瑞利散射的条件，会起到增加光纤中的瑞利散射的作用；同时，纤芯中的纳米光栅会造成纤芯中传输光的损耗较大，随着波导长度增加，纤芯中光场能量整体变低，瑞利散射强度也随之变小，因此可以看到芯内波导的传输损耗达到2.067 db/mm。较高的传输损耗会限制传感光纤的长度，约束分布式传感能力。
24.而位于包层的波导，由于高斯型的光场分布，波导增强的瑞利散射受限于包层的光场能量，所以在调制区域前端瑞利散射强度的提高约为30 db，低于芯内波导，包层波导增强背向散射光的原理是由于倏逝场耦合作用，包层的光场能量会耦合进纤芯中；同时，包层增加的瑞利散射光也会耦合到纤芯中，并最终由光时域反射仪探测到；包层波导处散射的光只包括包层处的光场，而且背向传输的散射光和正向传输的纤芯光相干性较差，所以不会影响到纤芯的光传输，进而也不出现纤芯的光能量损耗较大的情况；所以可以制备很
长距离的包层波导，实现长距离的分布式传感。
25.实施例2在本实施例中，一种瑞利散射增强光纤为单芯光纤1的包层1-1上沿着中心线方向刻写有一条波导1-3，波导1-3与纤芯1-2平行，波导1-3与纤芯1-2之间的距离为1.5μm，波导1-3长度为2cm。
26.本实施例的瑞利散射增强光纤中，步骤s1和s2与实施例1相同，步骤s3中单芯光纤1放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，即预加工的包层波导长度设为2cm，飞秒激光的功率设为0.8μm、重复频率设为200hz，飞秒激光的波长为800nm、脉冲宽度为50fs，调整飞秒激光聚焦位置，使调制点直径为1μm，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为1.5μm，设置加工过程中光纤移动速度为10μm/s，启动加工程序进行包层波导制备；步骤s4中光时域反射仪设置传感距离为1 m、空间分辨率为0.1 mm；步骤s4与实施例1相同。
27.实施例3在本实施例中，一种瑞利散射增强光纤为单芯光纤1的包层1-1上沿着中心线方向刻写有一条波导1-3，波导1-3与纤芯1-2平行，波导1-3与纤芯1-2之间的距离为10μm，波导1-3长度为2cm。
28.本实施例的瑞利散射增强光纤中，步骤s1和s2与实施例1相同，步骤s3中单芯光纤放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，即预加工的包层波导长度设为2cm，飞秒激光的功率设为2μm、重复频率设为500hz，飞秒激光的波长为800nm、脉冲宽度为50fs，调整飞秒激光聚焦位置，使调制点直径为1μm，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为10μm，设置加工过程中光纤移动速度为100μm/s，启动加工程序进行包层波导制备；步骤s4中光时域反射仪设置传感距离为73 m、空间分辨率为1 mm；步骤s4与实施例1相同。
29.实施例4在图3中，本实施例中，一种瑞利散射增强光纤为四芯光纤的包层上沿着中心线方向刻写有四条波导，波导与纤芯平行且每个波导对应一个纤芯，波导与其对应的纤芯之间的距离为0.1～10μm，波导长度为1km。
30.本实施例的瑞利散射增强光纤，由以下步骤组成：s1.光纤预处理首先取一段四芯光纤，用酒精将光纤预制备部分清理干净，并用熔接机将四芯光纤一端与单模光纤跳线头熔接；s2.光纤放置将步骤s1中清洁好的四芯光纤放置在载玻片上，用折射率匹配液将四芯光纤制备部分浸没，折射率匹配液的折射率为1.4～1.5，盖上盖玻片；将载有光纤的载玻片放置于三维位移平台上，调整好盖玻片位置，然后用光纤旋转夹具将光纤两端固定，观察光纤显微图，并调整旋转夹具，使得有一个侧边芯位于靠近盖玻片的位置，然后用v型槽夹具夹住光纤，使待制备光纤保持平直状态；s3.加工参数设置四芯光纤放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，包括预加工的包层波导长度、飞秒激光的功率和重复频率，飞秒激光的功率设为0.8～2μm，重复频率设为200hz或500hz，调整飞秒激光聚焦位置，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为0.1～10μm，设置加工
过程中光纤移动速度10～100 μm/s，启动加工程序进行包层波导制备，一根纤芯对应的波导刻写完成后，用旋转夹具夹住光纤，松开v型槽夹具，将旋转夹具旋转120
°
，带动光纤旋转120
°
，使得第二根纤芯位于理想位置，夹持v型槽夹具，松开旋转夹具，刻写第二根包层波导，重复以上步骤直至四个波导刻写完成；s4.波导散射测试取出步骤s3中制备完成的包层具有波导的四芯光纤，并用酒精纸擦除掉四芯光纤表面折射率匹配液，将单模跳线头接入光时域反射仪，包层波导的背向散射光由光时域反射仪测量。

技术特征：
1.一种瑞利散射增强光纤，其特征在于：单芯光纤或多芯光纤的包层上沿着中心线方向刻写有波导，波导与纤芯平行，波导的数量与纤芯的数量相同且每一个纤芯对应一个波导。2.根据权利要求1所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于：所述的波导与纤芯之间的距离为0.1～10μm。3.根据权利要求1或2所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于：所述的波导长度范围为0.01m～1km。4.根据权利要求1所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于，由以下步骤组成：s1.光纤预处理首先取一段光纤，用酒精将光纤预制备部分清理干净，并用熔接机将光纤一端与单模光纤跳线头熔接；s2.光纤放置将步骤s1中清洁好的光纤放置在载玻片上，用折射率匹配液将光纤制备部分浸没，盖上盖玻片；将载有光纤的载玻片放置于三维位移平台上，调整好盖玻片位置，然后用光纤v型槽夹具将光纤两端固定，调整三维位移台，使待制备光纤保持平直状态；s3. 设置加工参数刻写波导光纤放置好后，在三维位移台的软件中设置加工参数，包括预加工的包层波导长度、飞秒激光的功率和重复频率，飞秒激光的功率设为0.8～2μm、重复频率设为200hz或500hz，调整飞秒激光聚焦位置，设置聚焦位置距离纤芯的偏移值为0.1～10μm，设置加工过程中光纤移动速度，启动加工程序进行包层波导制备；s4.波导散射测试取出步骤s3中制备好的包层具有波导的光纤，并用酒精纸擦除掉光纤表面折射率匹配液，将单模跳线头接入光时域反射仪，包层波导的背向散射光由光时域反射仪测量。5.根据权利要求4所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于：所述的步骤s3的加工过程中光纤移动速度为10～100 μm/s。6.根据权利要求4所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于：所述的步骤s4中光时域反射仪设置传感距离为0～73 m、空间分辨率为0.1～1 mm。7.根据权利要求4所述的瑞利散射增强光纤，其特征在于：所述的步骤s2中折射率匹配液的折射率为1.4～1.5。

技术总结
一种瑞利散射增强光纤及制备方法，单芯光纤或多芯光纤的包层上沿着中心线方向刻写有波导，波导与纤芯平行，波导的数量与纤芯的数量相同且每一个纤芯对应一个波导；该光纤的制备方法包括：光纤预处理；将载有光纤的载玻片放置于三维位移平台上并固定；加工参数设置好后，用飞秒激光在光纤包层处刻写波导；波导散射测试。本发明通过飞秒激光在光纤包层处刻写波导，形成包层波导，可以增强光纤中的背向瑞利散射光，提高瑞利散射强度，同时不影响纤芯中的传输光；在背向瑞利散射信号强度提高的基础上，又具有极低的传输损耗，可增强分布式技术的传感精度和传感距离。术的传感精度和传感距离。术的传感精度和传感距离。


技术研发人员：王若晖 雒鹏涛 陈凤仪 乔学光
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8