本发明属于光学元件，具体涉及到一种具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅及制备方法。
背景技术：
1、光纤光栅作为一种光学元件，由于其具有体积小、熔接损耗小及谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
2、光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、性能稳定、光谱特性好、易于实现复用等优点，被广泛应用工业健康监测、道路与桥梁施工、机器人感知和地震勘探等。其检测原理是光纤应变会导致内部应力变化，造成折射率剖面扰动，模场偏移，耦合系数改变等，反映在光纤光栅的光谱中为布拉格峰值波长漂移或者共振峰强度变化，然后再通过解调光谱信息的变化实现对应变的检测。光纤光栅传感器利用弯曲和加速度对波导中传输光的影响，实现对弯曲和加速度的测量。
3、目前，利用光纤制作的矢量传感器有很多报道，传统的矢量弯曲传感器大多是基于在特殊光纤中刻写普通布拉格光纤光栅，如d型光纤、边孔光纤等，制作工艺复杂，成本较高，机械强度低，对温度、轴向应变、折射率交叉敏感，在实际应用中存在较多问题；其他特殊光栅结构的传感器，如倾斜光纤光栅，打破了普通光纤的非对称结构，使其具有矢量传感的优势，但是包层模式占用较大带宽，不利于复用，对折射率敏感，限制了实际应用。进一步地，通过在多芯光纤上刻写光栅制作的矢量弯曲传感器相较于传统的光纤矢量弯曲传感器，具有良好的方向性，结构简单易于制造，但多芯间的能量存在相互耦合串扰，影响传感性能，并且此类传感器需要使用对应的扇入扇出器件来解调信号，这一环节使其成本大大增加。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高的具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅及制备方法。
2、解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，单模光纤的包层中刻写有包层直波导和倾斜的耦合波导，耦合波导连接纤芯与包层直波导，包层直波导与耦合波导直径相同、数量相同，包层直波导与纤芯平行，包层直波导上刻写光栅。
3、作为一种优选的技术方案，所述耦合波导的倾角为0.8°～1.4°。
4、作为一种优选的技术方案，所述耦合波导的直径为4～7μm。
5、作为一种优选的技术方案，所述包层直波导的数量为2条或3条或4条。
6、作为一种优选的技术方案，所述包层直波导，在同一横截面上相邻两包层直波导中心与纤芯中心的连线相互垂直。
7、作为一种优选的技术方案，所述包层直波导与单模光纤纤芯之间的距离为10μm～50μm。
8、作为一种优选的技术方案，所述该包层波导光栅的灵敏度s为：
9、
10、式中，为有效光弹性系数，为光栅与纤芯之间的垂直距离，为光栅的中心波长。
11、一种具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅的制备方法，该方法所应用的装置为光学平台上设置有飞秒激光器，沿着激光出射方向光学平台上安装有光开关、平面镜反射组、光阑、平面反射镜、显微透镜组、三维微加工平台，显微透镜组上安装有ccd相机，三维微加工平台为三维电动位移台上安装有三维直角手动调整架，三维直角手动调整架上安装有载玻片和光纤夹具及led灯，led灯位于载玻片下方，ccd相机和三维电动位移台与计算机相连，ccd相机采集的图像通过计算机显示，同时通过计算机控制三维电动位移台，待刻写光纤一端连接宽带光源、另一端连接光谱分析仪；该方法包括以下步骤：
12、步骤1.光纤预处理
13、取一段单模光纤，用酒精将单模光纤待刻写区域清理干净，并用熔接机将单模光纤一端与跳线头熔接；
14、步骤2.光纤放置
15、将单模光纤待刻写区域放置在载玻片上，单模光纤两端用光纤夹具固定，在载玻片上用折射率匹配液浸没光纤待刻写区域，盖上盖玻片，调节三维直角手动调整架，使单模光纤保持平直状态；
16、步骤3.刻写波导光栅
17、步骤3.1.刻写耦合波导和包层直波导
18、设置飞秒激光的重复频率f1、脉冲功率、脉冲宽度、波长，根据耦合波导和包层直波导的长度和倾斜角度设置三维电动位移台的移动轨迹，设置光纤移动速度v1；
19、开启飞秒激光器，调节三维直角手动调整架，将飞秒激光聚焦在单模光纤纤芯中心处，三维电动位移台以所设置的轨迹移动，一次轨迹完成后，调节三维直角手动调整架，使飞秒激光回到起始点且向上一次形成的波导的一侧偏移距离b，重复按照设定的移动轨迹移动，直至重复n次，得到一条相连的半径为的耦合波导和包层直波导；
20、步骤3.2刻写光栅
21、设置飞秒激光的重复频率f2为200hz，根据光栅的刻写位置设置三维电动位移台的移动轨迹，设置有光纤移动速度v2；
22、调节三维直角手动调整架，使飞秒激光聚焦在包层直波导与耦合波导的连接位置处，三维电动位移台按照设置的轨迹移动,实现包层直波导上光栅的刻写。
23、作为一种优选的技术方案，所述步骤3.1中飞秒激光的重复频率f1为20mhz、脉冲功率为1100～1300 uw、脉冲宽度为＜500 fs、波长为515nm，所述光纤移动速度v1为500μm/s；所述步骤3.2中飞秒激光的重复频率f2为200hz，脉冲功率为1.5～2.5 uw、脉冲宽度为50fs、波长为800nm，光纤移动速度v2为322 μm/s。
24、本发明的有益效果如下：
25、本发明通过在单模光纤的包层中调制耦合波导，耦合波导将单模光纤纤芯的光耦合至包层波导中，随后在包层直波导中刻写光栅，扩大了光纤包层光栅的偏芯距离，从而有效地提高了结构对于弯曲的灵敏度。
26、本发明中2条以上的包层直波导呈正交设置，有效的对方向进行识别，使得传感器能够精确地检测到弯曲和振动的方向，为结构健康监测、精密定位等应用提供了重要的方向信息。
27、本发明在制作包层波导的过程中可以灵活地调节偏芯的距离和波导宽度，从而更好地控制光栅在波导中的反射模式，以满足不同条件的应用需求，因此，具有灵活性和可调节性。
28、本发明保持了常规光纤传感器的稳定性和耐腐蚀性，使其适用于恶劣环境和长期监测。
29、本发明相对于传统光纤传感器省去了高成本的扇入扇出器件，降低了整体成本，使得大规模部署和应用变得更加经济。
30、本发明利用弯曲和加速度对波导中传输光的影响，实现对弯曲和加速度的测量，其光谱特性好，便于通过光谱分析技术进行信号解调，而且具有抗电磁干扰的能力，使其在电磁干扰较强的环境中也能保持准确的测量结果。
1.一种具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：单模光纤的包层中刻写有包层直波导和倾斜的耦合波导，耦合波导连接纤芯与包层直波导，包层直波导与耦合波导直径相同、数量相同，包层直波导与纤芯平行，包层直波导上刻写光栅。
2.根据权利要求1所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述耦合波导的倾角为0.8°～1.4°。
3.根据权利要求1或2所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述耦合波导的直径为4～7μm。
4.根据权利要求1或2所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述包层直波导的数量为2条或3条或4条。
5.根据权利要求4所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述包层直波导，在同一横截面上相邻两包层直波导中心与纤芯中心的连线相互垂直。
6.根据权利要求1或5所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述包层直波导与单模光纤纤芯之间的距离为10μm～50μm。
7.根据权利要求1所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅，其特征在于：所述该包层波导光栅的灵敏度s为：
8.一种具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅的制备方法，该方法所应用的装置为光学平台上设置有飞秒激光器，沿着激光出射方向光学平台上安装有光开关、平面镜反射组、光阑、平面反射镜、显微透镜组、三维微加工平台，显微透镜组上安装有ccd相机，三维微加工平台为三维电动位移台上安装有三维直角手动调整架，三维直角手动调整架上安装有载玻片和光纤夹具及led灯，led灯位于载玻片下方，ccd相机和三维电动位移台与计算机相连，ccd相机采集的图像通过计算机显示，同时通过计算机控制三维电动位移台，待刻写光纤一端连接宽带光源、另一端连接光谱分析仪；其特征在于,该方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述具有二维弯曲识别能力的单模光纤包层波导光栅的制备方法，其特征在于：所述步骤3.1中飞秒激光的重复频率f1为20mhz、脉冲功率为1100～1300 uw、脉冲宽度为＜500 fs、波长为515nm，所述光纤移动速度v1为500μm/s；所述步骤3.2中飞秒激光的重复频率f2为200hz，脉冲功率为1.5～2.5 uw、脉冲宽度为50 fs、波长为800nm，光纤移动速度v2为322 μm/s。
