帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖及其制作方法，包括大芯徑能量光纖和傳感光纖，其特征在于所述的大芯徑能量光纖的包括裸光纖和包覆裸光纖外周面的耐高溫涂層，且大芯徑能量光纖的前端留有一段無(wú)耐高溫涂層的裸光纖，所述的傳感光纖的前端設(shè)置有至少2個(gè)相間隔的FBG光柵，其中第一FBG光柵在前，第二FBG光柵在后，所述的第一FBG光柵和第二FBG光柵緊貼在大芯徑能量光纖前端裸光纖的外周面上，且第二FBG光柵包覆在大芯徑能量光纖的耐高溫涂層中。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，集成度高，生產(chǎn)組裝方便，制作成本低，適合于批量生產(chǎn)；整個(gè)光纖及連接器為無(wú)源產(chǎn)品，光電隔離，避免電磁干擾，長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定可靠。
【專(zhuān)利說(shuō)明】帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖及其制作方法，屬于高度集 成的大芯徑能量光纖跳線(xiàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為激光器配套產(chǎn)品中用于傳導(dǎo)激光能量的核心部件，大芯徑能量光纖及其連接 器的應(yīng)用隨著激光器的發(fā)展得到廣泛普及，涵蓋了醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國(guó)防、科研、商業(yè)、信息各大 領(lǐng)域，尤其是在前四種領(lǐng)域中對(duì)大芯徑能量光纖的應(yīng)用需求非常明顯。在大體積金屬切割、 焊接及深加工、激光手術(shù)等特種應(yīng)用中，要求大芯徑光纖能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳導(dǎo)平均功率為 幾百到幾千瓦的激光能量，盡量減少能量損耗，從而保證最終輸出激光能量密度穩(wěn)定在較 商水平。
[0003] 現(xiàn)有的大芯徑能量光纖及其連接器產(chǎn)品，主要是通過(guò)有膠或無(wú)膠工藝在大芯徑裸 光纖兩端固定上金屬連接器，連接器的作用是連接并固定激光器和大芯徑光纖，使輸出光 斑與光纖端面達(dá)到高效耦合。隨著激光器能量增大對(duì)耦合效率要求極高，連接器的加工精 度和耐受溫度要求也越來(lái)越高，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中，受限于端面反射、加工精度低和裝配工 藝復(fù)雜等原因，激光能量耦合效率僅能達(dá)到809Γ90%，剩余能量會(huì)以熱能的形式傳導(dǎo)到大芯 徑光纖連接器上，所以在超高能量輸出的激光器上應(yīng)用的大芯徑光纖及其連接器需要配備 水冷系統(tǒng)及溫度探頭，當(dāng)連接器溫度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)并斷開(kāi)激光器，以防 止連接器過(guò)熱變形后破壞耦合光路，從而導(dǎo)致大能量反射光將激光器燒壞，甚至引起人員 傷亡等重大事件。
[0004] 一般大芯徑能量光纖在與超高功率激光器連接應(yīng)用中必須在連接頭處安裝傳感 探頭，因?yàn)榧夹g(shù)難度大、精加工成本高，目前只有少數(shù)產(chǎn)品配備溫度探頭。為了減小體積、保 證工作壽命及精度，同時(shí)避免引入額外熱源，所提供的大芯徑能量光纖連接器大多使用接 觸式熱電偶溫度傳感器，由于受體積和安裝方式限制，該傳感器被鑲嵌在金屬連接器中，探 測(cè)的是由端面反射及光纖熱傳導(dǎo)到連接器處的溫度變化，無(wú)法直接檢測(cè)大芯徑能量光纖的 溫度變化。該類(lèi)帶溫度監(jiān)控的光纖連接器產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積難以減小，加工難度大， 同時(shí)傳感器靈敏度低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)和前置放大器溫度漂移的影響，這些綜合因 素導(dǎo)致了大芯徑能量光纖及其連接器產(chǎn)品的制造成本提高，也極大的限制了其在超高功率 激光器行業(yè)的推廣應(yīng)用。
[0005] 中國(guó)專(zhuān)利CN202676426U描述了一種帶監(jiān)視點(diǎn)的玻璃大芯徑光纖，采用氫氟酸在 光纖側(cè)面腐蝕一個(gè)缺口，用來(lái)安裝采集信號(hào)的光纖或光探測(cè)器，再通過(guò)屏蔽盒將器件前端 及大芯徑光纖缺口封裝起來(lái)，其效果是監(jiān)測(cè)點(diǎn)與待測(cè)大芯徑光纖在同一光纖上，提高光纖 信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性，且其結(jié)構(gòu)緊湊。但采用化學(xué)方法腐蝕大芯徑光纖側(cè)表面的工藝操作難 度大，腐蝕面積和深度難以控制，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的缺口大小不同易造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)不一、測(cè) 量差異較大。
[0006] 光纖布拉格光柵（簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)傳感器的工作原理是溫度/應(yīng)變變化導(dǎo)致光纖光柵 布拉格中心波長(zhǎng)的變化，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)變化得出待測(cè)的溫度/應(yīng)力量。光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)為 應(yīng)J= 2"# A :中為《#賢芯_賓效祈_寧：Λ為樣ft周期·SRl過(guò)幾光賬效fi罘影喃4.關(guān) 應(yīng)受姻通過(guò)彈光效Sft光響周期A來(lái)-f，|Si 與傳統(tǒng)傳感器相比，因光纖光柵傳感器是基于光纖來(lái)制作，其具有很多特點(diǎn)，比如靈敏 度高、體積小、重量輕、安全防爆、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗電磁干擾可應(yīng)用于惡劣環(huán)境（沒(méi)有 加入電磁過(guò)程），信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)(光纖中光衰減慢)，使用壽命長(zhǎng)等等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)光纖光柵 其本身的特點(diǎn)使得每個(gè)探點(diǎn)僅利用相當(dāng)少的光源分量，絕大部分光都透過(guò)并繼續(xù)傳播，為 組網(wǎng)帶來(lái)巨大便利。波分復(fù)用等技術(shù)的使用，也提高了這一技術(shù)的可行性?？偟膩?lái)說(shuō)光纖 光柵FBG傳感器非常適合做大范圍多節(jié)點(diǎn)的分布式測(cè)量，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中具有集成度與組網(wǎng) 的優(yōu)勢(shì)。因此，光纖光柵FBG傳感器越來(lái)越廣泛地受到各行各業(yè)的青睞，開(kāi)始在市政交通、 水利水電、隧道、橋梁、或石油石化等監(jiān)控領(lǐng)域得到應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊 湊、集成度高、制作成本低的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖及其制作方法。
[0008] 本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為： 包括大芯徑能量光纖和傳感光纖，其特征在于所述的大芯徑能量光纖的包括裸光纖和 包覆裸光纖外周面的耐高溫涂層，且大芯徑能量光纖的前端留有一段無(wú)耐高溫涂層的裸光 纖，所述的傳感光纖的前端設(shè)置有至少2個(gè)相間隔的FBG光柵(光纖布拉格光柵)，其中第一 FBG光柵在前，第二FBG光柵在后，所述的第一FBG光柵和第二FBG光柵緊貼在大芯徑能量 光纖前端裸光纖的外周面上，且第二FBG光柵包覆在大芯徑能量光纖的耐高溫涂層中。
[0009] 按上述方案，所述的傳感光纖在第二FBG光柵后間隔設(shè)置第三FBG光柵，所述的第 三FBG光柵緊貼在大芯徑能量光纖的耐高溫涂層的外周面上。
[0010] 按上述方案，所述的大芯徑能量光纖的耐高溫涂層外包覆有緊套外護(hù)層，緊套外 護(hù)層的前端延伸至第二FBG光柵和第三FBG光柵之間，并包覆第三FBG光柵。
[0011] 按上述方案，所述的傳感光纖沿與大芯徑能量光纖軸線(xiàn)的大致平行方向相配置， 傳感光纖的尾纖穿出大芯徑能量光纖的緊套外護(hù)層。
[0012] 按上述方案，所述的傳感光纖為單模光纖，各個(gè)FBG光柵的波長(zhǎng)各不相同，工作窗 口為 1310nm波段（1260nnTl360nm)和 / 或 1550nm波段（1525nnTl565nm)。
[0013] 按上述方案，所述的大芯徑能量光纖包括芯層和包層，所述的芯層為純硅玻璃層 或者摻氟玻璃層，芯層的直徑Dl為400μπΓ620μm，芯層的相對(duì)折射率差Λ1為-0. 29ΓΟ%， 所述的包層分為內(nèi)包層和外包層，緊密環(huán)繞芯層的為內(nèi)包層，內(nèi)包層為摻氟玻璃層，內(nèi)包 層的直徑D2為440μπΓ700μm，內(nèi)包層的相對(duì)折射率差Λ2為-1. 99Γ-0. 9%，外包層為純 硅玻璃層或者摻氟玻璃層，外包層的直徑D3為500μπΓ760μm，外包層的相對(duì)折射率Λ3 為-0· 5%?0%。
[0014] 按上述方案，所述的大芯徑能量光纖的前端安設(shè)有連接器，用以與激光器相連。
[0015] 按上述方案，所述的連接器包括光纖固定尾柄、與光纖固定尾柄前端孔腔相套接 的光纖插芯和限位卡環(huán)，所述的光纖固定尾柄為軸套狀，中部通孔與大芯徑能量光纖的緊 套外護(hù)層段相配接，中部通孔的一側(cè)沿軸向開(kāi)設(shè)有容纖槽，光纖固定尾柄的前端設(shè)有端頭， 端頭的前端面上設(shè)置有定位鍵，端頭中設(shè)置孔腔與光纖插芯的后端相套接，所述的光纖插 芯為套狀，前后依次設(shè)置3個(gè)同軸心的通孔，后端通孔與大芯徑能量光纖的耐高溫涂層段 相配置，中間通孔中一側(cè)開(kāi)設(shè)有纖槽，用于安設(shè)傳感光纖的第一FBG光柵段，前端通孔中安 設(shè)有限位卡環(huán)，限位卡環(huán)中間穿引大芯徑能量光纖前端的裸光纖，并將大芯徑能量光纖前 端定位。
[0016] 按上述方案，所述的光纖固定尾柄由金屬制成，在光纖固定尾柄上設(shè)置冷卻水循 環(huán)部件。
[0017] 本發(fā)明帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖的制作方法技術(shù)方案為： 包括大芯徑能量光纖和傳感光纖，其特征在于大芯徑能量光纖前端的耐高溫涂層和緊 套外護(hù)層被剝離形成裸光纖，所述的傳感光纖的前端設(shè)置有3個(gè)軸向相間隔的FBG光柵(光 纖布拉格光柵)，第一、第二、第三FBG光柵前后依次排序，所述裸光纖長(zhǎng)度比第一FBG光柵 和第二FBG光柵總長(zhǎng)度長(zhǎng)5~10mm;在裸光纖后面的連接部分剝離緊套外護(hù)層，保留帶耐高 溫涂層；將第一FBG光柵、第二FBG光柵緊貼在裸光纖外周面，利用涂覆機(jī)將第二光纖FBG 光柵與其所貼局部裸光纖一同涂上新的耐高溫涂層，新舊耐高溫涂層間無(wú)間隙；將第三 FBG光柵緊貼在帶有耐高溫涂層的光纖外周面，利用涂覆機(jī)將第三FBG光柵與其所貼局部 帶涂層光纖一同涂上緊套外護(hù)層材料，或者直接使用熱縮套管將第三FBG光柵和帶涂層光 纖一同封裝，或者使用耐高溫膠水將第三FBG光柵和帶涂層光纖粘結(jié)在一起，傳感光纖的 尾纖穿引出大芯徑能量光纖的外護(hù)層松弛放置。
[0018] 按上述方案，在大芯徑能量光纖的前端安設(shè)有連接器，所述的連接器包括光纖固 定尾柄、與光纖固定尾柄前端孔腔相套接的光纖插芯和限位卡環(huán)；所述的大芯徑能量光纖 前端端面利用激光切割拋光處理，依次將光纖固定尾柄和光纖插芯套在被處理的大芯徑能 量光纖前端，光纖固定尾柄和光纖插芯的中部通孔的一側(cè)沿軸向分別開(kāi)設(shè)有容纖槽和纖 槽，容纖槽和纖槽周向處于同一方位，傳感光纖的第一FBG光柵段安設(shè)在光纖插芯的纖槽 中，傳感光纖的尾纖通過(guò)光纖固定尾柄的容纖槽引出；限位卡環(huán)安設(shè)在光纖插芯的前端通 孔中，限位卡環(huán)中間穿引出大芯徑能量光纖前端的裸光纖，并將大芯徑能量光纖前端定位， 保證同心度，防止前端裸光纖使用過(guò)程中晃動(dòng)偏移中心點(diǎn)；光纖固定尾柄通過(guò)粘結(jié)或者機(jī) 械夾持將大芯徑能量光纖固定。
[0019] 本發(fā)明基于以下的機(jī)理： 光柵處在自由狀態(tài)，即不受應(yīng)變作用時(shí)，溫度與波長(zhǎng)改變量的關(guān)系為

【權(quán)利要求】
1. 一種帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，包括大芯徑能量光纖和傳感光纖，其特 征在于所述的大芯徑能量光纖的包括裸光纖和包覆裸光纖外周面的耐高溫涂層，且大芯徑 能量光纖的前端留有一段無(wú)耐高溫涂層的裸光纖，所述的傳感光纖的前端設(shè)置有至少2個(gè) 相間隔的FBG光柵，其中第一 FBG光柵在前，第二FBG光柵在后，所述的第一 FBG光柵和第 二FBG光柵緊貼在大芯徑能量光纖前端裸光纖的外周面上，且第二FBG光柵包覆在大芯徑 能量光纖的耐高溫涂層中。
2. 按權(quán)利要求1所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的傳感 光纖在第二FBG光柵后間隔設(shè)置第三FBG光柵，所述的第三FBG光柵緊貼在大芯徑能量光 纖的耐高溫涂層的外周面上。
3. 按權(quán)利要求2所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的大芯 徑能量光纖的耐高溫涂層外包覆有緊套外護(hù)層，緊套外護(hù)層的前端延伸至第二FBG光柵和 第三FBG光柵之間，并包覆第三FBG光柵。
4. 按權(quán)利要求3所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的傳感 光纖沿與大芯徑能量光纖軸線(xiàn)的大致平行方向相配置，傳感光纖的尾纖穿出大芯徑能量光 纖的緊套外護(hù)層。
5. 按權(quán)利要求2或3所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述 的傳感光纖為單模光纖，各個(gè)FBG光柵的波長(zhǎng)各不相同，工作窗口為13IOnm波段和/或 1550nm 波段。
6. 按權(quán)利要求2或3所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的 大芯徑能量光纖包括芯層和包層，所述的芯層為純娃玻璃層或者摻氟玻璃層，芯層的直徑 Dl為400 μ πΓ620 μ m，芯層的相對(duì)折射率差Λ 1為-0. 29Π )%，所述的包層分為內(nèi)包層和外包 層，緊密環(huán)繞芯層的為內(nèi)包層，內(nèi)包層為摻氟玻璃層，內(nèi)包層的直徑D2為440 μ πΓ700 μ m， 內(nèi)包層的相對(duì)折射率差Λ 2為-1. 99Γ-0. 9%，外包層為純硅玻璃層或者摻氟玻璃層，外包層 的直徑D3為500 μ πΓ760 μ m，外包層的相對(duì)折射率Λ 3為-0. 5°/Γ〇%。
7. 按權(quán)利要求4所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的大芯 徑能量光纖的前端安設(shè)有連接器，用以與激光器相連。
8. 按權(quán)利要求7所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的連接 器包括光纖固定尾柄、與光纖固定尾柄前端孔腔相套接的光纖插芯和限位卡環(huán)，所述的光 纖固定尾柄為軸套狀，中部通孔與大芯徑能量光纖的緊套外護(hù)層段相配接，中部通孔的一 側(cè)沿軸向開(kāi)設(shè)有容纖槽，光纖固定尾柄的前端設(shè)有端頭，端頭的前端面上設(shè)置有定位鍵，端 頭中設(shè)置孔腔與光纖插芯的后端相套接，所述的光纖插芯為套狀，前后依次設(shè)置3個(gè)同軸 心的通孔，后端通孔與大芯徑能量光纖的耐高溫涂層段相配置，中間通孔中一側(cè)開(kāi)設(shè)有纖 槽，用于安設(shè)傳感光纖的第一 FBG光柵段，前端通孔中安設(shè)有限位卡環(huán)，限位卡環(huán)中間穿引 大芯徑能量光纖前端的裸光纖，并將大芯徑能量光纖前端定位。
9. 按權(quán)利要求1或2所述的帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖，其特征在于所述的 光纖固定尾柄由金屬、陶瓷、玻璃或耐高溫塑料制成，在光纖固定尾柄上設(shè)置冷卻水循環(huán)部 件。
10. -種帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖的制作方法，包括大芯徑能量光纖和傳 感光纖，其特征在于大芯徑能量光纖前端的耐高溫涂層和緊套外護(hù)層被剝離形成裸光纖， 所述的傳感光纖的前端設(shè)置有3個(gè)軸向相間隔的FBG光柵，第一、第二、第三FBG光柵前后 依次排序，所述裸光纖長(zhǎng)度比第一 FBG光柵和第二FBG光柵總長(zhǎng)度長(zhǎng)5~10mm ;在裸光纖后 面的連接部分剝離緊套外護(hù)層，保留帶耐高溫涂層；將第一 FBG光柵、第二FBG光柵緊貼在 裸光纖外周面，利用涂覆機(jī)將第二光纖FBG光柵與其所貼局部裸光纖一同涂上新的耐高溫 涂層，新舊耐高溫涂層間無(wú)間隙；將第三FBG光柵緊貼在帶有耐高溫涂層的光纖外周面，利 用涂覆機(jī)將第三FBG光柵與其所貼局部帶涂層光纖一同涂上緊套外護(hù)層材料，或者直接使 用熱縮套管將第三FBG光柵和帶涂層光纖一同封裝，或者使用耐高溫膠水將第三FBG光柵 和帶涂層光纖粘結(jié)在一起，傳感光纖的尾纖穿引出大芯徑能量光纖的外護(hù)層松弛放置。
11.按權(quán)利要求10帶溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大芯徑能量光纖的制作方法，其特征在于在 大芯徑能量光纖的前端安設(shè)有連接器，所述的連接器包括光纖固定尾柄、與光纖固定尾柄 前端孔腔相套接的光纖插芯和限位卡環(huán)；所述的大芯徑能量光纖前端端面利用激光切割拋 光處理，依次將光纖固定尾柄和光纖插芯套在被處理的大芯徑能量光纖前端，光纖固定尾 柄和光纖插芯的中部通孔的一側(cè)沿軸向分別開(kāi)設(shè)有容纖槽和纖槽，容纖槽和纖槽周向處于 同一方位，傳感光纖的第一 FBG光柵段安設(shè)在光纖插芯的纖槽中，傳感光纖的尾纖通過(guò)光 纖固定尾柄的容纖槽引出；限位卡環(huán)安設(shè)在光纖插芯的前端通孔中，限位卡環(huán)中間穿引出 大芯徑能量光纖前端的裸光纖，并將大芯徑能量光纖前端定位，保證同心度，防止前端裸光 纖使用過(guò)程中晃動(dòng)偏移中心點(diǎn)；光纖固定尾柄通過(guò)粘結(jié)或者機(jī)械夾持將大芯徑能量光纖固 定。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK104316992SQ201410614616
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】呂大娟, 楊晨, 張雅婷, 曹蓓蓓, 韋會(huì)峰, 汪洪海 申請(qǐng)人:長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司