本发明涉及光纤通信及传感技术领域，特别是一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置。
背景技术：
光纤光栅是最具代表性、最有发展前景的光纤无源器件，在光通信和光传感领域应用最为广泛。近年来，长周期光纤光栅(lpfg)作为一种周期一般大于100μm的透射型带阻滤波器，因其具有宽带宽、无向后反射、对外界变化敏感、成本低廉、制作简单等优点，引起了学术界和工业界的广泛研究。lpfg的特点是将符合相位匹配条件的纤芯基模能量耦合到同向传输的高阶次包层模中，并快速泄露到包层外而与外界环境发生相互作用，从而实现传感探测，在传输谱上表现为相应谐振波长处出现一个损耗峰。
石墨烯作为一种二维的单原子层纳米材料，其在电、光学领域内的独特性能受到了越来越多的关注和研究，以石墨烯为基础材料，经过加工改造制取出来的传感器、调制器等各种新型装置被各类顶级期刊杂志所报道。由于石墨烯自身结构柔软以及超薄的优势，将石墨与其他各类光纤器件、光纤微波导等结构通过涂覆或者包覆等方法相结合制作传感器也倍受各界研究者的关注，以此得到不同的特性，应用于不同需求的传感区域。由于光纤直径为125微米，而石墨烯薄片一般是纳米级，所以将石墨烯转移到光纤表面需要经过非常精细、繁琐的操作。
现有的制备方法中，基本均是是单独在裸石英光纤上用紫外激光加工或者电弧放电等方式制备长周期光纤光栅，石墨烯涂层需要另外转移涂覆。同样，现有方法只能单独在聚酰亚胺薄膜上采用紫外激光加工或者红外激光加工等方式制备石墨烯薄层，不能同时制备长周期光纤光栅。这大大增加了制备石墨烯涂层光纤光栅的难度，同时也无法实现大规模的制造和商业化应用。
现有文献中，期刊《物理学报》2003年6月第52卷第6期文章《高频co2激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究》提出了一种用高频co2激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅(lpfg)的方法。高频co2激光脉冲可以在普通单模光纤中写入高质量的lpfg，热稳定性较好、不需退火处理、成本低，此外也可随意改变co2激光的扫描周期从而写入不同传输特性lpfg。但是这种方法只能对光纤进行径向扫描方式，无法实现光纤上下两部分的加工，并且光栅的形状图案比较单一，可能无法满足一下特殊图案的光栅制备，例如螺旋状光栅，而且激光刻写lpfg具有插入损耗过大的缺点。
期刊《光子学报》2018年11月第47卷第11期文章《飞秒激光直写长周期光纤光栅及其光谱特性》设计并搭建了长周期光纤光栅制备系统，采用800nm飞秒激光脉冲逐点刻蚀长周期光纤光栅，提高激光与光纤对准的准确度和效率，改善光栅刻写效率和光谱特性。但在采用这种方法制光栅时，需要去除光栅涂层，而且采用逐点刻蚀对于定位精度要求较高，并且刻蚀图案比较单一。
中国专利cn201710444901.3基于长周期光纤光谱的石墨烯复折射率测量方法，在此专利中，是先制成石墨烯薄片再转移到长周期光纤光栅，这种方法操作复杂并且成功率较低，在转移过程中极易影响石墨烯质量。由于对光栅的形状多样化要求，石墨烯制备过程的复杂性及石墨烯转移的操作要求，亟需一种新的技术，简化制备过程以及提高制备石墨烯涂层的长周期光纤光栅的质量。
技术实现要素：
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置，解决石墨烯制备的繁琐性和石墨烯涂覆到光纤表面的精细操作要求，优化加工过程、提高加工效率，提高光纤光栅的性能，利于其商业化大规模制造。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述聚酰亚胺光纤固定于光纤固定座，并调整所述光纤固定座，使紫外激光器发射的激光垂直射向所述聚酰亚胺光纤；
步骤二：根据目标光栅的形状和周期，设定所述聚酰亚胺光纤的运动参数和设定所述紫外激光器的工作路径和移动速度；
步骤三：设定所述紫外激光器的第一加工参数，所述第一加工参数包括所述紫外激光器发射激光的第一激光能量p1和所述紫外激光器循环所述工作路径的第一循环次数k1；
步骤四：将所述紫外激光器的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤的轴心；
步骤五：所述聚酰亚胺光纤按所述运动参数运动，所述紫外激光器按所述工作路径、所述移动速度和所述第一加工参数运作，所述紫外激光器射出的激光对所述聚酰亚胺光纤的纤芯进行加工，在所述聚酰亚胺光纤的内部形成折射率调制点，制成长周期光纤光栅；
步骤六：设定所述紫外激光器的第二加工参数，所述第二加工参数包括所述紫外激光器发射激光的第二激光能量p2和所述紫外激光器循环所述工作路径的第二循环次数k2；
步骤七：设定离焦量z2，根据所述离焦量z2移动所述激光焦点，使所述激光焦点上移至所述聚酰亚胺光纤的上表面的上方；
步骤八：所述聚酰亚胺光纤按所述运动参数运动，所述紫外激光器按所述工作路径、所述移动速度和所述第二加工参数运作，使所述紫外激光器射出的激光分散地对所述聚酰亚胺光纤的聚酰亚胺涂层进行加工，形成与光栅位置对应的石墨烯涂层；
步骤九：对所述聚酰亚胺光纤进行性能检测。
其中：在所述步骤四中，将所述紫外激光器的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤的轴心的过程为：
将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤的上表面；
将所述聚酰亚胺光纤的半径值设定为所述激光焦点的下移量z1，根据所述下移量z1下移所述激光焦点，使所述激光焦点从所述聚酰亚胺光纤的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤的纤芯轴心。
其中：在所述步骤二中，设定所述紫外激光器的工作路径包括以下步骤，
绘制所述紫外激光器刻制所述目标光栅的刻制路径；
根据所述刻制路径，绘制所述紫外激光器完成全部所述刻制路径的运动路径；
将绘制好的所述刻制路径和所述运动路径导入到数控激光加工系统。
其中：所述目标光栅为圆环状光栅时，单个周期的所述刻制路径为贯穿所述聚酰亚胺光纤的直线，单个周期的所述刻制路径垂直于所述聚酰亚胺光纤的轴心，单个周期的所述刻制路径的始端和终端均设置在所述聚酰亚胺光纤外。
其中：所述目标光栅为螺纹状光栅时，单个周期的所述刻制路径为直线，单个周期的所述刻制路径与所述聚酰亚胺光纤的轴心重合，其中，单个周期的所述刻制路径的长度为l，所述紫外激光器的移动速度为v，所述聚酰亚胺光纤的旋转速度为w，三者之间的关系满足2πv＝lw。
一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，包括数控激光加工机床，应用在上述一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法的制备装置；
所述数控激光加工机床设有数控移动臂、紫外激光器、光纤固定座和位移平台，所述紫外激光器安装在所述数控移动臂，所述光纤固定座设置在所述位移平台，所述紫外激光器设置在所述光纤固定座的上方，所述紫外激光器的激光竖直向下地射向所述光纤固定座，所述光纤固定座设有光纤转动机构，所述聚酰亚胺光纤通过所述光纤转动机构可绕轴心转动地安装在所述光纤固定座。
其中：所述光纤固定座包括底座、第一安装侧壁和第二安装侧壁，所述底座固定设置在所述位移平台，所述第一安装侧壁和所述第二安装侧壁相对地设置在所述底座的两侧，所述聚酰亚胺光纤的一端设置在所述第一安装侧壁，所述聚酰亚胺光纤的另一端设置在所述第二安装侧壁；
所述光纤转动机构包括光纤夹具和电动机，所述光纤夹具可转动地设置在所述第一安装侧壁，所述电动机用于驱动所述光纤夹具转动；
所述第二安装侧壁设有供所述聚酰亚胺光纤穿过的通孔，所述通孔与所述聚酰亚胺光纤间隙配合，所述光纤夹具用于夹持所述聚酰亚胺光纤的一端，所述聚酰亚胺光纤的另一端为自由端。
其中：所述光纤固定座还设有涂层剥除机构，所述涂层剥除机构设置在所述第二安装侧壁的内壁面；
所述涂层剥除机构包括第一刀架、第二刀架和刀片，所述第一刀架和所述第二刀架相对地设置在所述第二安装侧壁的内壁面，所述第一刀架固定设置在所述第二安装侧壁，所述第二刀架与所述第一刀架活动连接；
所述第一刀架和所述第二刀架均设有半圆刀槽，所述刀片呈半圆环状，两所述刀片分别设置在两所述半圆刀槽，两所述刀片之间构成一个夹腔，当所述第二刀架与所述第一刀架闭合后，所述夹腔与所述聚酰亚胺光纤过盈配合。
其中：所述第一刀架和所述第二刀架之间设有旋紧机构，所述旋紧机构包括连接螺柱、旋紧螺母和复位弹簧，两所述连接螺柱分别固定设置在所述第一刀架的两端，所述第二刀架套设在所述连接螺柱上，所述复位弹簧设置在所述第二刀架与所述第一刀架之间，所述旋紧螺母与所述连接螺柱螺纹配合，所述旋紧螺母用于将所述第二刀架压向所述第一刀架。
其中：所述光纤固定座还设有切断机构，所述切断机构设置在所述第二安装侧壁的外壁面，所述切断机构包括滑轨、滑块和切刀，所述滑轨设置在所述第二安装侧壁内，所述滑块可滑动地嵌在所述滑轨内，所述切刀固定设置在所述滑块的外端面。
本发明公开的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置，所述紫外激光器先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤的轴心，所述紫外激光器根据设定的所述第一加工参数、所述工作路径和所述移动速度对所述聚酰亚胺光纤的纤芯进行加工，使激光先透过涂层加工所述聚酰亚胺光纤的纤芯，所述聚酰亚胺光纤的纤芯被激光照射后的地方会形成色心等结构，同时由于所述聚酰亚胺光纤的纤芯被激光照射膨胀而对包层产生挤压致密作用，从而使所述聚酰亚胺光纤的包层的折射率发生改变；再调节所述紫外激光器的激光焦点，使激光焦点从所述聚酰亚胺光纤表面离焦，所述紫外激光器根据设定的所述第二加工参数、所述工作路径和所述移动速度对所述聚酰亚胺光纤的聚酰亚胺涂层进行加工，所述聚酰亚胺涂层被激光照射后，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺化学结构发生变化，形成光致石墨烯涂层，从而制成带石墨烯涂层的长周期光纤光栅。
通过所述紫外激光器分步对同一所述聚酰亚胺光纤进行加工处理，从而减少石墨烯涂层转移到石英光纤的精细且复杂操作，简化带石墨烯涂层的光纤光栅的生产工艺，利于商业化生产；
在激光加工中，所述聚酰亚胺光纤的运动参数、所述紫外激光器的工作路径和移动速度均不变，因此石墨烯涂层的形成位置与光栅的形成位置相对应，避免两者错位，从而提高光纤的传感性能；
改变所述聚酰亚胺光纤的运动参数、所述紫外激光器的工作路径和移动速度中的任意一项，即可在所述聚酰亚胺光纤加工出不同形状的光栅和石墨烯涂层，以满足不同的行业需求。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中聚酰亚胺光纤的安装示意图，其中a为激光焦点定位在聚酰亚胺光纤的上表面，b为激光焦点定位在聚酰亚胺光纤的轴心；
图2是本发明的一个实施例中聚酰亚胺光纤可绕轴心旋转的安装示意图；
图3是本发明的一个实施例中涂层剥除机构的结构示意图；
图4是本发明的一个实施例中切断机构的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例中绘制刻制路径的示意图；
图6是本发明的一个实施例中绘制运动路径的示意图；
图7是本发明的一个实施例中圆环状光栅的带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的结构示意图，其中t为光栅周期；
图8是本发明的一个实施例中绘制运动路径的示意图。
其中：1、聚酰亚胺光纤；2、数控加工机床；21、数控移动臂；22、紫外激光器；23、光纤固定座；231、底座；232、第一安装侧壁；233、第二安装侧壁；2331、通孔；24、位移平台；25、光纤转动机构；251、光纤夹具；252、电动机；253、转动底盘；254、从动轮齿；255、驱动齿轮；26、涂层剥除机构；261、第一刀架；262、第二刀架；263、刀片；264、半圆刀槽；265、夹腔；2661、连接螺柱；2662、旋紧螺母；2663、复位弹簧；27、切断机构；271、滑轨；272、滑块；273、切刀；3、刻制路径；4、运动路径；5、石墨烯涂层；6、折射率变化区域；7、石英光纤；8、聚酰亚胺涂层。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1至图8所示，一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述聚酰亚胺光纤1固定于光纤固定座23，并调整所述光纤固定座23，使紫外激光器22发射的激光垂直射向所述聚酰亚胺光纤1；具体地，所述聚酰亚胺光纤1为具有聚酰亚胺涂层8的石英光纤7，所述紫外激光器22的光源可以是飞秒紫外激光、皮秒紫外激光和准分子紫外激光中的任一种，所述紫外激光器22刻制光纤的方法包括振镜扫描和激光直写。
步骤二：根据目标光栅的形状和周期，设定所述聚酰亚胺光纤1的运动参数和设定所述紫外激光器22的工作路径和移动速度；其中，所述聚酰亚胺光纤1的运动参数包括所述聚酰亚胺光纤1绕轴心旋转的角速度w和所述光纤固定座23在x轴或y轴移动的移动参数等。
步骤三：设定所述紫外激光器22的第一加工参数，所述第一加工参数包括所述紫外激光器22发射激光的第一激光能量p1和所述紫外激光器22循环所述工作路径的第一循环次数k1；具体地，所述第一激光能量p1为50～500nj，所述第一循环次数k1为6次。
步骤四：将所述紫外激光器22的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的轴心；
步骤五：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第一加工参数运作，所述紫外激光器22射出的激光对所述聚酰亚胺光纤1的纤芯进行加工，在所述聚酰亚胺光纤1的内部形成折射率调制点，制成长周期光纤光栅；具体地，所述紫外激光器22射出的激光先透过涂层加工所述聚酰亚胺光纤1的纤芯，所述聚酰亚胺光纤1的纤芯被激光照射过的地方会形成色心等结构，同时由于所述聚酰亚胺光纤1的纤芯受热膨胀而对包层产生挤压致密作用，使所述聚酰亚胺光纤1的包层的折射率发生改变，从而制成长周期光纤光栅。
步骤六：设定所述紫外激光器22的第二加工参数，所述第二加工参数包括所述紫外激光器22发射的第二激光能量p2和所述紫外激光器22循环所述工作路径的第二循环次数k2；具体地，所述第二激光能量p2为3～8mj，所述第二循环次数k2为1次。
步骤七：设定离焦量z2，根据所述离焦量z2移动所述激光焦点，使所述激光焦点上移至所述聚酰亚胺光纤1的上表面的上方，使所述激光焦点离所述聚酰亚胺光纤1的上表面的距离为所述离焦量z2；具体地，所述离焦量z2为3mm。
步骤八：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第二加工参数运作，使所述紫外激光器22射出的激光散发地对所述聚酰亚胺光纤1的聚酰亚胺涂层8进行加工，形成与光栅位置对应的石墨烯涂层5。其中，所述聚酰亚胺涂层8被激光照射后，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺化学结构发生变化，形成光致石墨烯涂层5。
步骤九：对所述聚酰亚胺光纤1进行性能检测。
本发明的工作原理：所述紫外激光器22先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的轴心，所述紫外激光器22根据设定的所述第一加工参数、所述工作路径和所述移动速度对所述聚酰亚胺光纤1的纤芯进行加工，使激光先透过涂层加工所述聚酰亚胺光纤1的纤芯，所述聚酰亚胺光纤1的纤芯被激光照射后的地方会形成色心等结构，同时由于所述聚酰亚胺光纤1的纤芯被激光照射膨胀而对包层产生挤压致密作用，从而使所述聚酰亚胺光纤1的包层的折射率发生改变；再调节所述紫外激光器22的激光焦点，使激光焦点从所述聚酰亚胺光纤1表面离焦，所述紫外激光器22根据设定的所述第二加工参数、所述工作路径和所述移动速度对所述聚酰亚胺涂层8进行加工，所述聚酰亚胺涂层8被激光照射后，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺化学结构发生变化，形成光致石墨烯涂层5，从而制成带石墨烯涂层5的长周期光纤光栅。
通过所述紫外激光器22分步对同一所述聚酰亚胺光纤1进行加工处理，从而减少石墨烯涂层5转移到石英光纤7的精细且复杂操作，简化带石墨烯涂层的光纤光栅的生产工艺，利于商业化生产；
在激光加工中，所述聚酰亚胺光纤1的运动参数、所述紫外激光器22的工作路径和移动速度均不变，因此石墨烯涂层5的形成位置与光栅的形成位置相对应，避免两者错位，从而提高光纤的传感性能；
改变所述聚酰亚胺光纤1的运动参数、所述紫外激光器22的工作路径和移动速度中的任意一项，即可在所述聚酰亚胺光纤1加工出不同形状的光栅和石墨烯涂层5，以满足不同的行业需求。
进一步，在所述步骤四中，将所述紫外激光器22的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的轴心的过程为：
如图1所示，首先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的上表面；
再将所述聚酰亚胺光纤1的半径值设定为所述激光焦点的下移量z1，根据所述下移量z1下移所述激光焦点，使所述激光焦点从所述聚酰亚胺光纤1的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤1的纤芯轴心。
通过先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的上表面，再以所述聚酰亚胺光纤1的半径值作为所述激光焦点的下移量z1，下移所述激光焦点，使所述激光焦点精确地从所述聚酰亚胺光纤1的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤1的纤芯轴心，从而提高制备精度，降低不良品率，利于商业化生产，且操作原理简单。
进一步，在所述步骤二中，设定所述紫外激光器22的工作路径包括以下步骤，
绘制所述紫外激光器22刻制所述目标光栅的刻制路径3；
根据所述刻制路径3，绘制所述紫外激光器22完成全部所述刻制路径4的运动路径4；
将绘制好的所述刻制路径3和所述运动路径4导入到数控激光加工系统。
具体地，所述工作路径包括刻制路径3和运动路径4，所述刻制路径3是指所述紫外激光器22射出激光刻制光栅的路径，所述运动路径4是指所述紫外激光器22完整的移动路径。如图5所示，根据目标形状和周期的光栅绘制出所述刻制路径3，所述紫外激光器22经过所述刻制路径3时射出激光，再确定所述运动路径4，选择一条所述紫外激光器22可快速经过全部所述刻制路径3的移动路径，从而提高加工生产速度，便于大量生产。
进一步，当所述目标光栅为圆环状光栅时，如图5所示，单个周期的所述刻制路径3为贯穿所述聚酰亚胺光纤1的直线，单个周期的所述刻制路径3垂直于所述聚酰亚胺光纤1的轴心，单个周期的所述刻制路径3的始端和终端均设置在所述聚酰亚胺光纤1外。其中，为保证所述紫外激光器22能完全地在所述聚酰亚胺光纤1的上表面加工，因此将单个周期的所述刻制路径3的长度比所述聚酰亚胺光纤1的直径长，使单个周期的所述刻制路径3的始端和终端均设置在所述聚酰亚胺光纤1外，避免所述紫外激光器22在单个周期开始与结束时，跳转延时或开关延时而导致拐点处光照时间延长，从而保证所述聚酰亚胺光纤1的纤芯的光照时间一致，使所述聚酰亚胺光纤1的包层的折射率均匀变化，提高光纤的性能，降低不良品率。
当所述目标光栅为螺纹状光栅时，如图8所示，单个周期的所述刻制路径3为直线，单个周期的所述刻制路径3与所述聚酰亚胺光纤1的轴心重合，其中，单个周期的所述刻制路径3的长度为l，所述紫外激光器22的移动速度为v，所述聚酰亚胺光纤1的旋转速度为w，三者之间的关系满足2πv＝lw。所述紫外激光器22沿所述聚酰亚胺光纤1的中心轴直线刻制时，所述聚酰亚胺光纤1绕其中心轴转动，从而加工出螺纹状的光栅。
一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，包括数控激光加工机床2，应用在上述一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法的制备装置；所述数控激光加工机床2设有数控移动臂21、紫外激光器22、光纤固定座23和位移平台24，所述紫外激光器22安装在所述数控移动臂21，所述光纤固定座23设置在所述位移平台24，所述紫外激光器22设置在所述光纤固定座23的上方，所述紫外激光器22的激光竖直向下地射向所述光纤固定座23，所述光纤固定座23设有光纤转动机构25，所述聚酰亚胺光纤1通过所述光纤转动机构25可绕轴心转动地安装在所述光纤固定座23。
具体地，所述数控激光加工机床2还包括数控激光加工系统，所述数控激光加工系统控制所述数控移动臂21按所述运动路径4移动，所述数控激光加工系统控制所述紫外激光器22在所述刻制路径3射出激光，所述数控激光加工系统还可控制所述位移平台24的运动。
如图1所示，将所述紫外激光器22安装在所述数控移动臂21，从而使所述紫外激光器22跟随所述数控移动臂21移动。将所述光纤固定座23设置在所述位移平台24，使所述光纤固定座23跟随所述位移平台24移动。所述紫外激光器22与所述光纤固定座23均可运动，两者动态配合，便于加工出不同形状的光栅和石墨烯涂层5，以满足不同的行业需求。
通过在所述光纤固定座23设有光纤转动机构25，使所述聚酰亚胺光纤1可转动地设置在所述光纤固定座23。在加工过程中，所述光纤转动机构25转动所述聚酰亚胺光纤1，方便加工出螺纹状或圆环状的长周期光纤光栅和石墨烯涂层5，方便制出不同形状的光栅和石墨烯涂层5，实现光栅形状多样化，以满足不同的行业需求，利于商业化生产。
进一步，如图2所示，所述光纤固定座23包括底座231、第一安装侧壁232和第二安装侧壁233，所述底座231固定设置在所述位移平台24，所述第一安装侧壁232和所述第二安装侧壁233相对地设置在所述底座231的两侧，所述聚酰亚胺光纤1的一端设置在所述第一安装侧壁232，所述聚酰亚胺光纤1的另一端设置在所述第二安装侧壁233；所述光纤转动机构25包括光纤夹具251和电动机252，所述光纤夹具251可转动地设置在所述第一安装侧壁232，所述电动机252用于驱动所述光纤夹具251转动；所述第二安装侧壁233设有供所述聚酰亚胺光纤1穿过的通孔2331，所述通孔2331与所述聚酰亚胺光纤1间隙配合，所述光纤夹具251用于夹持所述聚酰亚胺光纤1的一端，所述聚酰亚胺光纤1的另一端为自由端。
所述聚酰亚胺光纤1的一端从所述通孔2331穿入所述光纤固定座23，并通过所述光纤夹具251夹持固定。其中，所述第一安装侧壁232设有转动底盘253，所述光纤夹具251安装在所述转动底盘253，所述电动机252的驱动轴驱动所述转动底盘253转动，从而使所述聚酰亚胺光纤1实现转动。
具体地，如图2所示，所述转动底盘253设有从动轮齿254，所述电动机252的驱动轴设有驱动齿轮255，所述驱动齿轮255与所述从动轮齿254啮合，通过所述电动机252转动所述驱动齿轮255，所述驱动齿轮255通过所述从动轮齿254驱动所述转动底盘253，使所述光纤夹具251转动，从而使所述聚酰亚胺光纤1转动。进一步，所述电动机252为伺服电机，方便控制所述聚酰亚胺光纤1的转动速度和方向的变化。
进一步，所述光纤固定座23还设有涂层剥除机构26，所述涂层剥除机构26设置在所述第二安装侧壁233的内壁面，所述涂层剥除机构26包括第一刀架261、第二刀架262和刀片263，所述第一刀架261和所述第二刀架262相对地设置在所述第二安装侧壁233的内壁面，所述第一刀架261固定设置在所述第二安装侧壁233，所述第二刀架262与所述第一刀架261活动连接；所述第一刀架261和所述第二刀架262均设有半圆刀槽264，所述刀片263呈半圆环状，两所述刀片263分别设置在两所述半圆刀槽264，两所述刀片263之间构成一个夹腔265，当所述第二刀架262与所述第一刀架261闭合后，所述夹腔265与所述聚酰亚胺光纤1过盈配合。
如图3所示，所述涂层剥除机构26分为上下两部分，其中，所述夹腔265与所述通孔2331连通。当带石墨烯涂层的光纤光栅制备完成后，需对其进行检测，因此通过所述涂层剥除机构26将带石墨烯涂层的光纤光栅的两端涂层进行剥除，以便与光纤检测装置连接。将所述第二刀架262向所述第一刀架261移动，所述夹腔265闭合，从而使所述刀片263与所述聚酰亚胺光纤1的涂层紧密接触，将所述聚酰亚胺光纤1从所述通孔2331向外抽出，从而使所述刀片263刮去所述聚酰亚胺光纤1的涂层。在非工作情况下，所述夹腔265与所述聚酰亚胺光纤1间隙配合。
进一步，如图3所示，所述第一刀架261和所述第二刀架262之间设有旋紧机构266，所述旋紧机构266包括连接螺柱2661、旋紧螺母2662和复位弹簧2663，两所述连接螺柱2661分别固定设置在所述第一刀架261的两端，所述第二刀架262套设在所述连接螺柱2661上，所述复位弹簧2663设置在所述第二刀架262与所述第一刀架261之间，所述旋紧螺母2662与所述连接螺柱2661螺纹配合，所述旋紧螺母2662用于将所述第二刀架262压向所述第一刀架261。
当所述旋紧螺母2662旋紧时，所述第二刀架262由于所述旋紧螺母2662的移动而向所述第一刀架261移动，所述夹腔265闭合，从而使所述刀片263与所述聚酰亚胺光纤1的涂层紧密接触，将所述聚酰亚胺光纤1从所述通孔2331向外抽出，从而使所述刀片263刮去所述聚酰亚胺光纤1的涂层；所述旋紧螺母2662旋松时，所述第二刀架262由于所述复位弹簧2663的作用而复位，因此所述夹腔265张开，从而使所述刀片263离开所述聚酰亚胺光纤1的涂层。
进一步，如图4所示，所述光纤固定座23还设有切断机构27，所述切断机构27设置在所述第二安装侧壁233的外壁面，所述切断机构27包括滑轨271、滑块272和切刀273，所述滑轨271设置在所述第二安装侧壁233内，所述滑块272的本体可滑动地嵌在所述滑轨271内，所述切刀273固定设置在所述滑块272的外端面。所述切刀273设置在所述滑块272的外端面，通过所述滑块272在所述滑轨271内滑动，使所述切刀273可快速平移，从而整齐地切断光纤。通过提高光纤的切口整齐度，以便检测时所述聚酰亚胺光纤1与检测装置中的传输光纤熔接，减少再加工工序。
根据上述一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法及装置完成的实施例。
实施例一：一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅，其中光栅形状为圆环状，光栅周期为420μm。
步骤s11：准备直径为150μm涂层为聚酰亚胺的光纤，其中，所述聚酰亚胺光纤1的涂层厚度为15μm，长度为20cm。将所述聚酰亚胺光纤1水平地安装在所述光纤固定座23，并通过所述位移平台24将所述光纤固定座23移动到所述紫外激光器22的正下方。其中，如图2所示，所述聚酰亚胺光纤1的一端设置在所述光纤夹具251，所述聚酰亚胺光纤1的另一端为自由端。
步骤s12：设定所述聚酰亚胺光纤1的旋转速度w为0rad/s，所述光纤固定座23不移动；设定所述紫外激光器22移动速度v为300mm/s；
设定所述紫外激光器22的工作路径；具体地，如图5所示，首先根据目标光栅绘制所述刻制路径3，单个周期的所述刻制路径3为贯穿所述聚酰亚胺光纤1的直线，相邻的刻制路径3之间的间距为420μm，单个周期的所述刻制路径3垂直于所述聚酰亚胺光纤1的轴心，单个周期的所述刻制路径3的始端和终端均设置在所述聚酰亚胺光纤1外。然后绘制所述紫外激光器22的运动路径4，具体地，所述运动路径4为如图6所示的z型路径。最后将绘制好的刻制路径3和运动路径4导入所述数控激光加工系统内。
步骤s13：设定所述紫外激光器22的第一加工参数。具体地，所述第一激光能量p1为300nj，所述第一循环次数k1为8次。
步骤s14：调节所述激光焦点的位置，将所述激光焦点移到所述聚酰亚胺光纤1的轴心。具体地，首先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的上表面；将所述聚酰亚胺光纤1的半径值设定为所述激光焦点的下移量z1，即z1为75μm，将所述激光焦点下移75μm，使所述激光焦点从所述聚酰亚胺光纤1的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤1的轴心。
步骤s15：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第一加工参数运作，所述紫外激光器22射出的激光对所述聚酰亚胺光纤1的纤芯进行加工，在所述聚酰亚胺光纤1的内部形成折射率调制点，制成长周期光纤光栅；具体地，所述紫外激光器22射出的激光先透过涂层加工所述聚酰亚胺光纤1的纤芯，所述聚酰亚胺光纤1的纤芯被激光照射过的地方会形成色心等结构，同时由于所述聚酰亚胺光纤1的纤芯受热膨胀而对包层产生挤压致密作用，使所述聚酰亚胺光纤1的包层的折射率发生改变，从而制成长周期光纤光栅。
步骤s16：设定所述紫外激光器22的第二加工参数。具体地，第二激光能量p2为6mj，第二循环次数k2为1次。
步骤s17：设定离焦量z2，根据所述离焦量z2移动所述激光焦点，所述激光焦点上移至所述聚酰亚胺光纤1的上表面的上方，使所述激光焦点离所述聚酰亚胺光纤1的上表面的距离为3mm。
步骤s18：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第二加工参数运作，使所述紫外激光器22射出的激光散发地对所述聚酰亚胺涂层8进行加工，形成与光栅位置对应的石墨烯涂层5。其中，所述聚酰亚胺涂层8被激光照射后，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺化学结构发生变化，形成光致石墨烯涂层5。
将所述聚酰亚胺光纤1旋转180°，重复上述步骤s1-s18一次。具体地，通过所述电动机252转动所述光纤夹具251，使所述聚酰亚胺光纤1旋转180°，对所述聚酰亚胺光纤1的下半部进行激光加工，制成如图7所示的带石墨烯涂层的圆环状光栅。其中，附图标记5为石墨烯涂层，附图标记6为包层的折射率变化区域，附图标记7为石英光纤，附图标记8为聚酰亚胺涂层。
步骤s19：对所述聚酰亚胺光纤1进行性能检测。
实施例二：一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅，其中光栅形状为螺纹状。
步骤s21：准备直径为150μm涂层为聚酰亚胺的光纤，其中，所述聚酰亚胺光纤1的涂层厚度为15μm，长度为20cm。将所述聚酰亚胺光纤1水平地安装在所述光纤固定座23，并通过所述位移平台24将所述光纤固定座23移动到所述紫外激光器22的正下方。其中，如图2所示，所述聚酰亚胺光纤1的一端设置在所述光纤夹具251，所述聚酰亚胺光纤1的另一端为自由端。
步骤s22：设定所述紫外激光器的工作路径。首先绘制所述刻制路径3，具体地，如图8所示，所述刻制路径3为间断的直线，单个周期的所述刻制路径3的长度l为5mm，单个周期的所述刻制路径3与所述聚酰亚胺光纤1的轴心重合。然后绘制紫外激光器的运动路径4，具体地，所述运动路径4为连续的直线。最后将绘制好的工作路径导入所述数控激光加工系统内。
再设定所述聚酰亚胺光纤1的旋转速度w为250rad/s，所述光纤固定座23不移动；设定所述紫外激光器22移动速度v为200mm/s；其中，单个周期的所述刻制路径3的长度l、所述紫外激光器22的移动速度为v、所述聚酰亚胺光纤1的旋转速度为w，三者之间的关系满足2πv＝lw。
步骤s23：设定所述紫外激光器22的第一加工参数。具体地，所述第一激光能量p1为300nj，所述第一循环次数k1为8次。
步骤s24：调节所述激光焦点的位置，将所述激光焦点移到所述聚酰亚胺光纤1的轴心。具体地，首先将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤1的上表面；将所述聚酰亚胺光纤1的半径值设定为所述激光焦点的下移量z1，即z1为75μm，将所述激光焦点下移75μm，使所述激光焦点从所述聚酰亚胺光纤1的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤1的轴心。
步骤s25：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第一加工参数运作，所述紫外激光器22射出的激光对所述聚酰亚胺光纤1的纤芯进行加工，在所述聚酰亚胺光纤1的内部形成折射率调制点，制成长周期光纤光栅；具体地，所述紫外激光器22射出的激光先透过涂层加工所述聚酰亚胺光纤1的纤芯，所述聚酰亚胺光纤1的纤芯被激光照射过的地方会形成色心等结构，同时由于所述聚酰亚胺光纤1的纤芯受热膨胀而对包层产生挤压致密作用，使所述聚酰亚胺光纤1的包层的折射率发生改变，从而制成长周期光纤光栅。
步骤s26：设定所述紫外激光器22的第二加工参数。具体地，第二激光能量p2为6mj，第二循环次数k2为1次。
步骤s27：设定离焦量z2，根据所述离焦量z2移动所述激光焦点，所述激光焦点上移至所述聚酰亚胺光纤1的上表面的上方，使所述激光焦点离所述聚酰亚胺光纤1的上表面的距离为3mm。
步骤s28：所述聚酰亚胺光纤1按所述运动参数运动，所述紫外激光器22按所述工作路径、所述移动速度和所述第二加工参数运作，使所述紫外激光器22射出的激光散发地对所述聚酰亚胺涂层8进行加工，形成与光栅位置对应的石墨烯涂层5。其中，所述聚酰亚胺涂层8被激光照射后，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺化学结构发生变化，形成光致石墨烯涂层5。
步骤s29：对所述聚酰亚胺光纤1进行性能检测。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
1.一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将所述聚酰亚胺光纤(1)固定于光纤固定座(23)，并调整所述光纤固定座(23)，使紫外激光器(22)发射的激光垂直射向所述聚酰亚胺光纤(1)；
步骤二：根据目标光栅的形状和周期，设定所述聚酰亚胺光纤(1)的运动参数和设定所述紫外激光器(22)的工作路径和移动速度；
步骤三：设定所述紫外激光器(22)的第一加工参数，所述第一加工参数包括所述紫外激光器(22)发射激光的第一激光能量p1和所述紫外激光器(22)循环所述工作路径的第一循环次数k1；
步骤四：将所述紫外激光器(22)的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤(1)的轴心；
步骤五：所述聚酰亚胺光纤(1)按所述运动参数运动，所述紫外激光器(22)按所述工作路径、所述移动速度和所述第一加工参数运作，所述紫外激光器(22)射出的激光对所述聚酰亚胺光纤(1)的纤芯进行加工，在所述聚酰亚胺光纤(1)的内部形成折射率调制点，制成长周期光纤光栅；
步骤六：设定所述紫外激光器(22)的第二加工参数，所述第二加工参数包括所述紫外激光器(22)发射激光的第二激光能量p2和所述紫外激光器(22)循环所述工作路径的第二循环次数k2；
步骤七：设定离焦量z2，根据所述离焦量z2移动所述激光焦点，使所述激光焦点上移至所述聚酰亚胺光纤(1)的上表面的上方；
步骤八：所述聚酰亚胺光纤(1)按所述运动参数运动，所述紫外激光器(22)按所述工作路径、所述移动速度和所述第二加工参数运作，使所述紫外激光器(22)射出的激光分散地对所述聚酰亚胺光纤(1)的聚酰亚胺涂层(8)进行加工，形成与光栅位置对应的石墨烯涂层(5)；
步骤九：对所述聚酰亚胺光纤(1)进行性能检测。
2.根据权利要求1所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于：在所述步骤四中，将所述紫外激光器(22)的激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤(1)的轴心的过程为：
将所述激光焦点定位在所述聚酰亚胺光纤(1)的上表面；
将所述聚酰亚胺光纤(1)的半径值设定为所述激光焦点的下移量z1，根据所述下移量z1下移所述激光焦点，使所述激光焦点从所述聚酰亚胺光纤(1)的上表面下移至所述聚酰亚胺光纤(1)的纤芯轴心。
3.根据权利要求1所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于：在所述步骤二中，设定所述紫外激光器(22)的工作路径包括以下步骤，
绘制所述紫外激光器(22)刻制所述目标光栅的刻制路径(3)；
根据所述刻制路径(3)，绘制所述紫外激光器(22)完成全部所述刻制路径(4)的运动路径(4)；
将绘制好的所述刻制路径(3)和所述运动路径(4)导入到数控激光加工系统。
4.根据权利要求3所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于：所述目标光栅为圆环状光栅时，单个周期的所述刻制路径(3)为贯穿所述聚酰亚胺光纤(1)的直线，单个周期的所述刻制路径(3)垂直于所述聚酰亚胺光纤(1)的轴心，单个周期的所述刻制路径(3)的始端和终端均设置在所述聚酰亚胺光纤(1)外。
5.根据权利要求3所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法，其特征在于：所述目标光栅为螺纹状光栅时，单个周期的所述刻制路径(3)为直线，单个周期的所述刻制路径(3)与所述聚酰亚胺光纤(1)的轴心重合，其中，单个周期的所述刻制路径(3)的长度为l，所述紫外激光器(22)的移动速度为v，所述聚酰亚胺光纤(1)的旋转速度为w，三者之间的关系满足2πv＝lw。
6.一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，包括数控激光加工机床(2)，其特征在于：应用在所述权利要求1-5任一项的带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备方法的制备装置；
所述数控激光加工机床(2)设有数控移动臂(21)、紫外激光器(22)、光纤固定座(23)和位移平台(24)，所述紫外激光器(22)安装在所述数控移动臂(21)，所述光纤固定座(23)设置在所述位移平台(24)，所述紫外激光器(22)设置在所述光纤固定座(23)的上方，所述紫外激光器(22)的激光竖直向下地射向所述光纤固定座(23)，所述光纤固定座(23)设有光纤转动机构(25)，所述聚酰亚胺光纤(1)通过所述光纤转动机构(25)可绕轴心转动地安装在所述光纤固定座(23)。
7.根据权利要求6所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于：所述光纤固定座(23)包括底座(231)、第一安装侧壁(232)和第二安装侧壁(233)，所述底座(231)固定设置在所述位移平台(24)，所述第一安装侧壁(232)和所述第二安装侧壁(233)相对地设置在所述底座(231)的两侧，所述聚酰亚胺光纤(1)的一端设置在所述第一安装侧壁(232)，所述聚酰亚胺光纤(1)的另一端设置在所述第二安装侧壁(233)；
所述光纤转动机构(25)包括光纤夹具(251)和电动机(252)，所述光纤夹具(251)可转动地设置在所述第一安装侧壁(232)，所述电动机(252)用于驱动所述光纤夹具(251)转动；
所述第二安装侧壁(233)设有供所述聚酰亚胺光纤(1)穿过的通孔(2331)，所述通孔(2331)与所述聚酰亚胺光纤(1)间隙配合，所述光纤夹具(251)用于夹持所述聚酰亚胺光纤(1)的一端，所述聚酰亚胺光纤(1)的另一端为自由端。
8.根据权利要求7所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于：所述光纤固定座(23)还设有涂层剥除机构(26)，所述涂层剥除机构(26)设置在所述第二安装侧壁(233)的内壁面；
所述涂层剥除机构(26)包括第一刀架(261)、第二刀架(262)和刀片(263)，所述第一刀架(261)和所述第二刀架(262)相对地设置在所述第二安装侧壁(233)的内壁面，所述第一刀架(261)固定设置在所述第二安装侧壁(233)，所述第二刀架(262)与所述第一刀架(261)活动连接；
所述第一刀架(261)和所述第二刀架(262)均设有半圆刀槽(264)，所述刀片(263)呈半圆环状，两所述刀片(263)分别设置在两所述半圆刀槽(264)，两所述刀片(263)之间构成一个夹腔(265)，当所述第二刀架(262)与所述第一刀架(261)闭合后，所述夹腔(265)与所述聚酰亚胺光纤(1)过盈配合。
9.根据权利要求8所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于：所述第一刀架(261)和所述第二刀架(262)之间设有旋紧机构(266)，所述旋紧机构(266)包括连接螺柱(2661)、旋紧螺母(2662)和复位弹簧(2663)，两所述连接螺柱(2661)分别固定设置在所述第一刀架(261)的两端，所述第二刀架(262)套设在所述连接螺柱(2661)上，所述复位弹簧(2663)设置在所述第二刀架(262)与所述第一刀架(261)之间，所述旋紧螺母(2662)与所述连接螺柱(2661)螺纹配合，所述旋紧螺母(2662)用于将所述第二刀架(262)压向所述第一刀架(261)。
10.根据权利要求7所述的一种带石墨烯涂层的长周期光纤光栅的制备装置，其特征在于：所述光纤固定座(23)还设有切断机构(27)，所述切断机构(27)设置在所述第二安装侧壁(233)的外壁面，所述切断机构(27)包括滑轨(271)、滑块(272)和切刀(273)，所述滑轨(271)设置在所述第二安装侧壁(233)内，所述滑块(272)可滑动地嵌在所述滑轨(271)内，所述切刀(273)固定设置在所述滑块(272)的外端面。
技术总结