一种在线制备耐高温的弱光栅阵列装置及方法与流程

本发明涉及一种在线制备耐高温的弱光栅阵列技术，属于光纤光栅制备领域。

背景技术：

1、随着信息化的不断发展，对以传感器为主的感知层提出了更多的需求。光纤传感器以光纤作为传感器和信号传输通道，具有不带电、抗电磁干扰、灵敏度高、易组网等优点，被广泛应用于通信、交通、国防、生物医药、航空航天等领域。光纤光栅作为典型的光纤传感器，利用光纤光栅反射波长的变化可实现介质密度、折射率、浓度和温度等参数的测量，以及结构的应力应变和振动等参数的测量。光纤光栅在石化、电力、交通等领域大型基础设施结构健康监测中的应用，以及消防领域的火灾监测应用，都对长距离、大范围和海量传感点的光纤光栅传感系统有着强烈的需求，例如长距离跨海大桥、长距离油气管道需要对长距离的结构进行海量待测点进行温度和应变的测量。此外，在核能、化工、航空航天、能源等领域的极端恶劣环境下的应用，进一步要求光纤光栅传感器能够在高温环境下长期使用，例如航空发动机研制过程中需要实时分布式地监测发动机工作过程中、高温环境下各项结构材料的力学特性。因此，研究一种大容量和耐高温的光纤光栅传感器具有十分重要的意义。

2、弱光纤光栅阵列，通过在光纤刻写反射率极低的弱光栅，每一个弱光栅作为一个独立的传感器，有效避免传统基于波分复用的光纤光栅传感网络受限于解调光源带宽、损耗大、传感距离短的问题，然后利用光时域技术/光频域技术对弱光栅阵列进行空间和波长解调，从而实现长距离、海量传感点的温度、应变和振动等参数的测量。由于不带保护层的光纤极难存储和运输，光纤由预制棒拉丝成形后需要马上涂覆丙烯酸酯或聚酰亚胺等涂层进行保护。然而，成品光纤的丙烯酸酯或聚酰亚胺等保护涂层限制了弱光栅阵列的在线制备。专利cn111208602a发明了一种在线制备弱光栅阵列的装置，该发明利用激光对拉丝塔拉制出未涂覆的光纤快速刻写弱光栅，完成刻写后进行两次涂覆保护，最终牵引成盘，该发明实现了快速、在线制备弱光栅阵列。但该方案需要在光纤拉制过程中刻写弱光栅，该系统体积庞大、在线制备工艺复杂，拉丝塔启动工作需要连续制备几十至上百公里的光纤，直至光纤拉制完毕，易造成材料浪费。此外，受拉丝工艺限制，光栅波长、强度和分布距离等参数同一性控制难度大。

3、传统紫外光刻写工艺的紫外光无法有效透过涂覆层并在纤芯中刻写光栅，为了克服光纤涂层对紫外刻写工艺的限制。专利cn114539911a发明了一种高透紫外内涂层材料，紫外光可轻易透过内涂层材料达到纤芯内部。专利cn116661051a发明了一种以高透紫外材料作为内涂层的光纤，从而实现在线制备弱光栅阵列的方法，该发明利用紫外刻写工艺将紫外光透过仅有内涂层(为高透紫外内涂层材料)的光纤，通过曝光工艺在光纤中刻写光栅，然后二次涂覆并收纤成盘。该发明使用了成品光纤、制备流程简单、成本低廉。但是，该发明制备的弱光栅阵列采用紫外刻写工艺，光纤中的光敏材料会随着环境温度的增加而退化，最终导致弱光栅畸变甚至消失，从而由该工艺制备的光栅阵列无法在高温环境下长期使用。

技术实现思路

1、针对现有技术中制备弱光栅阵列工艺复杂，弱光栅阵列无法在高温环境下长期使用的缺陷，本发明提供在线制备耐高温弱光栅阵列的装置及方法，实现弱光栅阵列在高温环境中的应用。

2、本发明一个方面，提供一种在线制备耐高温的弱光栅阵列装置，包括弱光栅阵列刻写单元、光纤原保护层剥除单元、金属熔融再涂覆单元和光纤牵引成盘单元；

3、弱光栅阵列刻写单元，利用飞秒激光在成品光纤中刻写弱光栅阵列；

4、光纤原保护层剥除单元，利用高功率激光将刻写完弱光栅阵列的成品光纤的原保护层剥除；

5、金属熔融再涂覆单元，将剥除完原保护层的光纤进行金属保护层再涂覆；

6、光纤牵引成盘单元，将涂覆金属保护层的光纤牵引成盘。

7、优选地，弱光栅阵列刻写单元包括飞秒激光器1、平面反射镜3、一号聚焦透镜4、进给线轴5、一号光纤支托6、相位掩模版7、二号光纤支托8和一号三维位移平台9，进给线轴5、一号光纤支托6和二号光纤支托8构成进给机构并设置在一号三维位移平台9上，一号光纤支托6和二号光纤支托8之间的成品光纤上方设置相位掩模版7；

8、飞秒激光器1输出飞秒激光经平面反射镜3反射、再由一号聚焦透镜4控制光斑大小后照射在相位掩模版7上，激光经过相位掩模版7后照射到成品光纤上，通过调节激光功率在成品光纤中直接刻写弱光栅，成品光纤的匀速进给完成在线刻写弱光栅阵列。

9、优选地，弱光栅阵列刻写单元还包括光开关2，光开关2用于控制飞秒激光器1的开关。

10、优选地，光纤原保护层剥除单元包括一号导向轮10、一号定位夹具11、保护层剥除激光器12、二号聚焦透镜13、铜镜14和二号定位夹具15，

11、弱光栅阵列刻写单元输出的光纤经一号导向轮10、一号定位夹具11和二号定位夹具15匀速前进，一号定位夹具11和二号定位夹具15之间的光纤正面设置保护层剥除激光器12，该处光纤背面设置铜镜14，保护层剥除激光器12输出的激光经二号聚焦透镜13汇聚后分成两部分，一部分激光照射到光纤正面，另一部分激光直接照射到铜镜14上，照射到光纤正面的激光对光纤正面保护层进行烧蚀剥除，烧蚀余下的激光透过光纤保护层再照射到铜镜14上，经铜镜14反射的激光照射在光纤的背面，对光纤背面的保护层进行烧蚀剥除，正面和背面的激光共同作用实现光纤保护层的剥除，铜镜14采用凹面镜或夹角为120°的两个平面反射镜组合。

12、优选地，保护层剥除激光器12采用二氧化碳红外激光器或紫外激光器。

13、优选地，金属熔融再涂覆单元包括金属管、金属管控温器16、熔融金属控制单元17、金属溶液长度调节器18和三号定位夹具19；剥除原保护层后的光纤经二号定位夹具15输出，并穿越一段金属管，金属管对穿过其内部的光纤进行同步加热，加热温度由金属管控温器16控制，加热后光纤经过一段金属溶液以实现对光纤的金属保护层再涂覆，金属溶液的温度由熔融金属控制单元17控制，金属溶液的长度由金属溶液长度调节器18控制。

14、优选地，光纤牵引成盘单元包括二号导向轮20和卷收线轴21，涂覆金属保护层的光纤在二号导向轮20驱动下，由卷收线轴21完成牵引成盘。

15、优选地，还包括二号三维位移平台22，光纤原保护层剥除单元、金属熔融再涂覆单元和光纤牵引成盘单元共同设置在二号三维位移平台22上。

16、本发明另一个方面，提供一种在线制备耐高温的弱光栅阵列方法，该方法是基于所述在线制备耐高温的弱光栅阵列装置实现的，该方法包括以下步骤：

17、s1、弱光栅阵列刻写步骤，进给机构向前匀速输送成品光纤，飞秒激光由聚焦透镜控制光斑大小后照射在相位掩模版上，激光经过相位掩模版后照射到光纤上，通过调节激光功率在光纤中直接刻写弱光栅，成品光纤的匀速进给完成在线刻写弱光栅阵列；

18、s2、光纤原保护层剥除步骤，在导向轮的驱动下，完成弱光栅刻写的成品光纤进入保护层剥除工艺步骤，高功率激光经聚焦透镜汇聚后照射到光纤上，部分激光透过光纤保护层达到后面的铜镜，另一部分激光直接照射到铜镜上，铜镜反射的激光照射在光纤的背面，利用光纤保护层对激光的吸收发热或激光直接轰击保护层材料的分子化学键，从而实现光纤保护层的剥除；

19、s3、金属熔融再涂覆步骤，成品光纤剥除原保护层后，在导向轮的驱动下进入二号定位夹具，接着光纤穿越一段具有一定温度的金属管，通过加热金属管调节光纤温度为t2，然后进入温度为t1的金属溶液中对光纤进行金属保护层再涂覆；通过以下约束条件控制光纤的金属保护层厚度在40μm～120μm范围内：

20、

21、其中t为光纤穿过金属溶液的时间，v为光纤移动速度，l为金属溶液的长度，t0为金属的熔点；

22、s4、光纤牵引成盘步骤，在导向轮的驱动下涂覆金属保护层的光纤牵引成盘。

23、优选地，在步骤s2激光烧蚀光纤原保护层时，连续输入纯净惰性气体清除气态保护层并防止高温无保护层光纤发生氢脆；在步骤s3整个金属保护层涂覆过程中，使用惰性气体保护。

24、本发明的原理为：

25、本发明采用现有普通商用光纤作为弱光栅的载体，采用飞秒激光刻写系统在光纤内高效、便捷地直接刻写弱光栅阵列。利用进给装置匀速送纤，高功率激光器输出的激光聚焦在光纤正面，背面反射镜将透射的激光和边缘残余激光反射并聚焦在光纤的背面，利用高能激光烧蚀光纤的涂覆层或打断涂覆层材料化学键，该激光可以是红外激光或紫外激光，时序上可以是脉冲激光或连续激光。在激光烧蚀光纤保护层时，连续输入纯净惰性气体清除气态涂覆层并防止高温无涂覆层光纤发生氢脆造成光纤的传输和机械性能降低。

26、待光纤剥除保护层后，进入金属熔融涂覆装置，温度为t2的无保护层光纤与温度为t1的高温金属溶液接触后，金属溶液冷凝在光纤表面，通过精确控制光纤表面温度t2、金属溶液温度t1、光纤移动速度ν、以及金属溶液长度l实现光纤耐高温金属保护层按既定厚度精准涂覆。其中金属溶液和光纤穿越金属熔融装置后需要使用惰性气体保护，避免高温金属快速氧化。在光纤牵引装置牵引下，涂覆金属涂层的光纤穿越金属熔融装置后在空气快速冷却，然后牵引成盘，最终完成耐高温弱光栅阵列传感器的在线、高效、快捷制备。

27、本发明的有益效果：

28、1、本发明提出的耐高温弱光栅阵列传感器在线制备方法，可在线制备耐高温弱光栅阵列，使用金涂层时弱光栅阵列长期使用温度高达1000℃。

29、2、飞秒激光在商用成品光纤直接刻写弱光栅阵列具有灵活、高效、一致性较好特点；高功率激光剥除光纤表面保护层，具有优良的机械性能和传输性能；金属熔融耐高温涂覆，具有涂覆速度快、涂层较厚的特点。