一种降低光纤光栅热阻系数的光热处理系统及其处理方法

本发明属于光纤光栅，具体涉及一种降低光纤光栅热阻系数的光热处理系统及其处理方法。

背景技术：

1、随着高功率光纤激光器输出功率的不断提升，其核心器件——光纤光栅（fiberbragg grating, fbg）的功率承载能力和长期稳定性成为制约整个激光器系统性能提升的关键瓶颈。光纤光栅的热性能通常用热阻系数（℃/w）来表征，热阻系数越低，表明光纤光栅在承受光功率时温升越小，性能越稳定。对于千瓦级乃至万瓦级高功率光纤激光器，光纤光栅的热管理问题尤为突出。

2、目前，紫外激光刻写的光纤光栅完整制备工艺通常包括光纤载氢、涂覆层去除、紫外刻写、退火处理、温度测试、重涂覆及封装等主要步骤。由于紫外刻写后光纤内部仍存在残余的未发生光化学反应的氢气分子、栅区不稳定的缺陷结构（如非桥氧空穴缺陷等）以及光致密化引起的内部残余应力，这将导致光纤光栅在实际工作中出现光谱参数持续漂移和表面温度急剧升高的问题。因此，必须对刻写后的光纤光栅进行适当的后处理，以降低其热阻系数并确保光谱参数的长期稳定。

3、目前，降低光纤光栅热阻系数的主流方法可归纳为以下三类：

4、第一类，电极放电处理法。该方法利用电极组件产生的高温电弧对光纤光栅进行局部加热处理。然而，电极放电的作用区域极为有限（通常仅为毫米量级），只能对一个点或很小的一段进行局部放电处理，无法实现对光纤光栅栅区全长（通常为厘米量级）的均匀处理，且放电过程中电极损耗和放电气氛的不稳定会导致处理效果的一致性难以保证。

5、第二类，内部光处理法。该方法指在光纤光栅中传输特定波长的低功率激光，利用光漂白效应消除栅区内的色心缺陷，从而降低热阻系数。但该方法对光源波长有严格要求（须与光栅吸收峰匹配），且部分光漂白效应在长期使用中可能出现可逆恢复，漂白效果有限，无法满足高功率应用场景对热稳定性的严苛要求。

6、第三类，外部热处理方法。这是目前工业界最常用的方式。传统外部热处理多采用电阻丝加热炉、氢氧焰或石墨发热体充当热源。然而，这些方式存在以下固有缺陷：

7、1.易引入污染与损伤：电阻丝和石墨块易与光纤表面近距离接触甚至贴合，极易在光纤表面造成划痕、引入沾污，甚至直接损伤涂覆层环切点，直接影响光纤光栅的机械强度和长期可靠性。

8、2.处理长度严重受限：受加热源物理尺寸的约束，传统加热方式有效恒温区长度有限，难以处理长栅区光栅。若要处理长尺寸光栅，需采用步进式移动加热，但步进衔接处极易出现热履历不一致导致的性能不均匀问题。

9、3.热应力问题突出：传统热源在热源边界与空气交界处存在剧烈的温度梯度，光纤内部易产生不必要的热应力集中。尤其在处理结束后的冷却阶段，若直接关断热源或快速降温，会引入残余拉应力，不仅影响光谱特性，还会降低光纤的抗拉强度。

10、近年来，有研究者尝试采用co2激光作为非接触式热源对光纤光栅进行光热处理，以期克服传统接触式加热的污染和长度受限问题。然而，现有co2激光热处理方法通常采用匀速扫描策略，即在整个处理过程中以恒定速度对栅区进行扫描。申请人通过大量实验研究发现，匀速扫描策略存在深层技术缺陷：在处理初期（光纤由室温急剧升温至处理温度），过快的温度上升速率会导致光纤内部热冲击，引入微裂纹；在处理主体阶段，匀速扫描难以兼顾处理效率和热均匀性之间的矛盾（速度过慢则效率低下且易过热损伤，速度过快则处理不充分）；尤其关键的是，在处理结束阶段，匀速扫描的骤然停止或快速撤离热源会导致光纤从高温状态急剧冷却，产生显著的残余热应力，这部分应力在后续高功率工作中会加速光栅性能退化，甚至导致光纤断裂。此外，匀速扫描对于不同直径光纤（如250µm与400µm包层光纤）的适应性差，难以在单次处理中获得理想的温度场分布。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中光纤光栅热阻系数较高、传统热处理方式存在污染和损伤风险等问题，提供一种降低光纤光栅热阻系数的光热处理系统及其处理方法。

2、为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案，一种降低光纤光栅热阻系数的光热处理系统，包括：

3、co2激光器：产生10.6µm脉冲激光，用于对光纤光栅进行侧面扫描光热处理。

4、电动直线位移台：用于承载光纤夹持和姿态调节模块、光纤光栅，并带动光纤光栅进行轴向直线位移，可对扫描速度进行控制。

5、光纤夹持和姿态调节模块，包括第一三维调整架、第二三维调整架、第一光纤夹具、第二光纤夹具，第一光纤夹具设置在第一三维调整架上，第二光纤夹具设置在第二三维调整架，所述第一光纤夹具和第二光纤夹具用于夹持固定光纤光栅，所述第一三维调整架和第二三维调整架用于调节光纤光栅的空间姿态，以确保扫描过程中所述光纤光栅位于co2激光器输出的激光光斑中心且离焦量恒定。

6、收光模块：包括第一挡光片、第二挡光片和功率计，所述第一挡光片和第二挡光片均设置于电动直线位移台上，且分别位于光纤光栅栅区两端外侧，用于遮挡非扫描段的激光；沿激光方向依次布置光纤光栅和功率计，功率计用于接收残余激光能量，以辅助判断光纤光栅的对准状态和吸收残余激光。

7、实时光谱监测模块：包括宽谱光源和光谱仪，光纤光栅的两端分别连接第一光纤跳线和第二光纤跳线；所述宽谱光源、三端口环形器和光谱仪通过光纤跳线及光纤法兰构成可切换的光路连接，使光谱仪能够选择性地测量光纤光栅的透射谱或反射谱，用于在光热处理过程中实时监测光纤光栅的光谱参数变化。

8、一种降低光纤光栅热阻系数的光热处理方法，采用上述系统，包括以下步骤：

9、步骤1、启动co2激光器，使用调平光纤，借助co2激光探测卡和功率计，分别调节第一三维调整架和第二三维调整架旋钮，确保激光扫描过程中激光到调平光纤的离焦量相同，且调平光纤始终位于激光光斑中心；所述调平光纤为与光纤光栅同规格的普通裸光纤，用于光路对准调试；调平对准后移动电动直线位移台，使得激光出射位置对准第一挡光片或第二挡光片，并关闭co2激光器，转入步骤2。

10、步骤2、确保光纤光栅的去涂覆层区域的洁净度良好，取下调平光纤，将光纤光栅置于第一光纤夹具和第二光纤夹具上，并确保其两端的第一涂覆层环切点和第二涂覆层环切点分别位于第一挡光片和第二挡光片挡光区域内，转入步骤3。

11、步骤3、将光纤光栅接入实时光谱监测模块，转入步骤4。

12、步骤4、设置co2激光器和电动直线位移台的初始参数，并启动，使激光束沿光纤轴向对光纤光栅的栅区进行扫描光热处理作业，通过光谱仪实时记录扫描过程中的光纤光栅光谱，转入步骤5。

13、步骤5、立即取下光纤光栅，测量此时光纤光栅的热阻系数，转入步骤6。

14、步骤6、若光纤光栅光谱或热阻系数任一项未达合格标准，根据测试结果重新调试co2激光器的出光参数、电动直线位移台的移动参数，采用新的光纤光栅，重复步骤2~步骤5，直到光纤光栅的光谱和热阻系数均合格，则处理完成。

15、与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

16、显著降低热阻系数：通过本发明提供的系统和方法，以1kw级信号激光传输为例，可将光纤光栅的热阻系数从处理前的约10.62℃/100w大幅降低至处理后的1.133℃/100w（＜2℃/100w），降幅接近90%，效果显著。

17、非接触式、无损处理：采用co2激光作为热源，属于非接触式加热，避免了传统热处理方式中可能发生的剐蹭、引入脏物和损伤涂覆层环切点等问题。

18、处理长度不受限：通过电动直线位移台带动光纤扫描，可调节位移路程，实现对任意长度光纤光栅的连续、均匀热处理。

19、温度场均匀可控：通过优化激光光斑尺寸（如1/e2半径0.8~0.9mm的光斑）和扫描策略，保证了光纤内部温度场的均匀性，避免了热应力集中。同时，“慢加热、缓扫描、多次低剂量”的处理策略进一步确保了热处理的稳定性和光栅性能。

20、光谱质量保持良好：处理后的光纤光栅中心波长、3db带宽和反射率变化范围在可接受范围（中心波长降低幅度≤1nm，3db带宽变化幅度≤0.5nm，反射率≥99%或反射损耗≥20db），满足了高功率应用需求。