王劍， 馬超， 王東輝， 王洪業(yè)， 苑立波*

（1.桂林電子科技大學(xué) 光電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.哈爾濱工程大學(xué) 纖維集成光學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引 言

螺旋光纖器件及其制備方法日益受到人們的重視，例如，螺旋長(zhǎng)周期光纖光柵（Helical Long Period Fiber Grating， HLPFG）［1］、螺旋形表面等離子共振光纖傳感器［2］、基于干涉特性的螺旋形光纖傳感器［3］。螺旋光纖器件不僅有著傳統(tǒng)光纖器件抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，且其螺旋特性使其具有許多常規(guī)光纖器件不能實(shí)現(xiàn)的功能，在傳感器、光纖偏振器和濾波器等方面的應(yīng)用潛力巨大［4-6］。

螺旋光纖器件，通常是對(duì)已拉制好的光纖經(jīng)二次加工制備而成，主要方法為二種。第一種方法是用熱源加熱并扭曲光纖形成螺旋結(jié)構(gòu)，如二氧化碳激光制備［7-9］、氫氧火焰加熱制備［10-12］、電弧放電制備［13-17］。該方法制備的螺旋光纖器件是光纖傳感領(lǐng)域的常用方法。第二種方法是利用飛秒激光器或二氧化碳激光器直接改變光纖結(jié)構(gòu)形成螺旋光纖器件［18］。

相較于其他制備螺旋光纖器件的方法，電弧放電的制備方法靈活簡(jiǎn)單。但傳統(tǒng)的二電極電弧放電制備螺旋光纖器件時(shí)，所產(chǎn)生的恒溫區(qū)較窄，不利于螺旋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放與軟化。導(dǎo)致螺旋光纖器件樣品的插入損耗與透射光譜波動(dòng)相對(duì)較大，器件性能較差。

針對(duì)傳統(tǒng)二電極電弧放電存在的問(wèn)題，本文開展了基于四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的研究，文獻(xiàn)［19］敘述了該系統(tǒng)溫度場(chǎng)的形成方法。為更好了解相關(guān)參數(shù)對(duì)四電極電弧溫度場(chǎng)的影響，對(duì)四電極電弧的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真。相關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)形成的恒溫區(qū)較寬，寬的恒溫區(qū)不僅有利于光纖應(yīng)力的釋放與軟化，同時(shí)減少了光纖偏移帶來(lái)的影響。本文首先以HLPFG為例，采用研制的加工系統(tǒng)制備了不同光纖與相同光纖下不同螺距的HLPFG，以此對(duì)研制系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。接著為更進(jìn)一步驗(yàn)證所研系統(tǒng)的性能，用不同光纖分別制備了不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)。不同驗(yàn)證方法的結(jié)果顯示加工得到的螺旋光纖結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高。

2 四電極電弧加熱光纖方法

本文提出的四電極電弧放電加熱光纖結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，各電極軸線及待加工光纖軸線位于同一平面，電極A，A′，B，B′的尖端頂點(diǎn)連線為矩形，軸線C為該矩形的軸線。電極A與電極A′的距離定義為Dx，電極A與電極B′的距離定義為Dy，電極A的軸線與電極A′的軸線及電極B′的軸線與電極B的軸線關(guān)于矩形的一軸線對(duì)稱，電極A的軸線與電極B′的軸線及電極A′的軸線與電極B的軸線關(guān)于矩形的另一軸線對(duì)稱，各電極軸線與軸線C的夾角θ為銳角，被加工的光纖處于軸線C上。當(dāng)四電極進(jìn)行電弧放電時(shí)，四電極電弧形成的寬恒溫區(qū)既可對(duì)光纖進(jìn)行加熱。

圖1 四電極電弧加熱光纖結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Four electrode arc heating fiber structure block diagramr

3 四電極電弧溫度場(chǎng)

3.1 四電極電弧溫度場(chǎng)仿真

四電極形成的電弧可用磁流體動(dòng)力學(xué)模型方程組來(lái)描述，電弧是關(guān)于層流、流體傳熱、電流和磁場(chǎng)四個(gè)物理場(chǎng)相互耦合的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，通過(guò)它們的相互耦合，建立四電極電弧仿真模型，該模型由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等組成［20-21］。

質(zhì)量守恒方程［22］：

動(dòng)量守恒方程［22］：

能量守恒方程［22］：

式（1）~式（3）中：ρ為氣體密度；V為速度場(chǎng)矢量；t為時(shí)間；Ff為體積力的體密度；p為壓力；λf，μf為流體的膨脹黏性系數(shù)；S為變形速率張量；J×B為電磁力；μ′f為流體的膨脹黏性系數(shù)；εf為介質(zhì)的內(nèi)能；Φ為耗散函數(shù)；T為溫度；σ為電導(dǎo)率，是關(guān)于溫度T的函數(shù)，并非定值；J為電流密度；λT為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

電弧氣體的材料參數(shù)、電流密度J、電場(chǎng)E以及磁場(chǎng)B的分布情況，可通過(guò)氣體狀態(tài)方程、電流守恒方程帶入磁流體動(dòng)力學(xué)控制方程中進(jìn)行數(shù)值求解。

為了更好了解相關(guān)參數(shù)對(duì)四電極電弧形成溫度場(chǎng)的影響，基于以上理論進(jìn)行了仿真。為了降低模型復(fù)雜程度及減少仿真時(shí)間，本文使用二維模型對(duì)四電極電弧放電溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真。為了提高仿真的收斂性，在仿真的過(guò)程中引入一些假設(shè)：

（1）不考慮電弧的起始產(chǎn)生過(guò)程；

（2）假設(shè)求解的電弧等離子體為平衡等離子體，即其滿足局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)；

（3）假定電弧等離子體是軸對(duì)稱的，受電磁力影響所產(chǎn)生的電弧等離子體的流動(dòng)為層流；

（4）等離子的密度、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、恒壓熱容、動(dòng)力黏度系數(shù)僅為溫度的函數(shù)；

（5）在仿真中忽略電弧對(duì)觸頭燒蝕以及近極區(qū)鞘層的影響；

（6）假設(shè)電弧等離子體為穩(wěn)定的、無(wú)旋的、不可壓縮的理想流體；

（7）計(jì)算區(qū)域的邊界面假定為熱絕緣。

以圖1中各電極的尖端頂點(diǎn)連線構(gòu)成矩形的中點(diǎn)溫度為基準(zhǔn)，定義矩形中點(diǎn)為原點(diǎn)O，電極A與電極B′連線方向上為y軸，電極A端為y軸的正向端，電極A與電極A′連線方向上為x軸，電極A′端為x軸的正向端，電極A與電極A′的距離定義為Dx，電極A與電極B′的距離定義為Dy，從原點(diǎn)O出發(fā)，當(dāng)四周溫度相對(duì)原點(diǎn)O變化最大100 ℃時(shí)，取此時(shí)x軸與y軸坐標(biāo)的2倍分別作為在x軸與y軸方向上的恒溫加熱距離，分別記作Sx，Sy，定義Sx與Sy的乘積為恒溫區(qū)面積S，原點(diǎn)的溫度定義為T。本節(jié)后續(xù)仿真基于四電極電弧光纖加熱原理與實(shí)際情況選取相應(yīng)參數(shù)及其范圍。

以?shī)A角θ為變量，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，夾角θ分別設(shè)置為10°，12.5°，15°，17.5°，20°，22.5°，25°，27.5°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 夾角θ對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.2 Influence of included Angleθon temperature field

在圖2（a）中，面積S在夾角θ為15°前呈遞增趨勢(shì)，隨后隨著夾角θ的增大，面積S變化不大，在6 mm2左右變化；圖2（b）中，Sx在夾角θ為15°前呈遞增趨勢(shì)，隨后隨著夾角θ的增大，Sx變化不大，在3 mm左右變化。從圖中可知，夾角θ的變化對(duì)Sx影響不大；在圖2（c）中，考慮實(shí)際光纖加工情況，y軸的坐標(biāo)最大只能取1 mm，所以Sy一直保持為1 mm，不隨夾角θ的變化而變化；圖2（d）表示了溫度T隨著夾角θ的增大，單調(diào)遞減，不利于溫度的提高。

以距離Dx為變量，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，距離Dx分別設(shè)置為1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm，4 mm，4.5 mm，5 mm，夾角θ為20°，距離Dy為2 mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖3。

圖3 距離Dx對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.3 Influence of distance Dx on temperature field

在圖3（a）與圖3（b）中，隨著距離Dx的增大，面積S與Sx都呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，且增大明顯；在圖3（c）中，考慮實(shí)際光纖加工情況，y軸的坐標(biāo)最大只能取1 mm，所以Sy一直保持為1mm，不隨距離Dx的變化而變化；圖3（d）表示了溫度T隨著距離Dx的增大，單調(diào)遞減，不利于溫度的提高。

在圖4（a）中，面積S在隨著距離Dy的增大單調(diào)遞增，且增大明顯；圖4（b）中，Sx隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞增，相對(duì)于圖3（b），Sx增大較小；在圖4（c）中，Sy隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞增，圖4（d）表示了溫度T隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞減。

圖4 距離Dy對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.4 Influence of distance Dy on temperature field

以距離Dy為變量，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，距離Dy分別設(shè)置為1.8 mm，2 mm，2.2 mm，2.4 mm，2.6 mm，2.8 mm，3 mm，3.2 mm，夾角θ為20°，距離Dx為3mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖4。

以高壓交流電源的峰值電壓v為變量，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，電壓V分別設(shè)置為11 kV，12 kV，13 kV，14 kV，15 kV，16 kV，17 kV，18 kV，夾角θ為20°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖5。

圖5 電壓v對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.5 Effect of voltage v on temperature field

在圖5（a）與圖5（b）中，隨著電壓v的增大，面積S與Sx都呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，但相對(duì)圖3（a）與圖3（b）變化不大；在圖5（c）中，考慮實(shí)際光纖加工情況，y軸的坐標(biāo)最大只能取1 mm，所以Sy一直為1 mm，不隨電壓v的變化而變化；圖5（d）表示了溫度T隨著電壓v的增大，單調(diào)遞增。

為了增大光纖的恒溫加熱長(zhǎng)度，需Sx的長(zhǎng)度長(zhǎng)盡可能長(zhǎng)，由仿真可知，影響Sx長(zhǎng)度的因素主要取決于距離Dx，在一定條件下，距離Dx越長(zhǎng)，Sx的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。圖3與圖4表明，隨著夾角θ與距離Dy的增大，溫度T單調(diào)遞減，但Sx變化不大，在所需的加工溫度范圍，過(guò)大的夾角θ與距離Dy，不利于Sx的增大。由圖5可知，雖然可通過(guò)增加電壓提高溫度T的溫度，但這也給裝置帶來(lái)更高的成本。綜合考慮四電級(jí)棒光纖加工裝置中所使用的高壓包峰值放電電壓、電弧的穩(wěn)定性、固定電級(jí)棒的底座尺寸、裝置安裝、電極之間距離過(guò)近，造成的不希望放電回路、所需的恒溫場(chǎng)及溫度范圍、成本，四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)選取的電極軸線與橫軸C的夾角θ為20°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，高壓包峰值電壓為15 kV，放電峰值電壓可調(diào)。

根據(jù)上述系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，電阻設(shè)置為175 Ω，仿真得到的溫度場(chǎng)如圖6。

圖6 四電極電弧放電形成的溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature distribution of four electrode rod arc discharge

由圖6可得，恒溫區(qū)面積S為7.05 mm2，恒溫區(qū)面積S對(duì)應(yīng)的x軸坐標(biāo)為1.84 mm，恒溫區(qū)面積S對(duì)應(yīng)的y軸坐標(biāo)為1 mm，這將使得光纖恒溫加熱的長(zhǎng)度達(dá)到3.68 mm，同時(shí)隨著恒溫區(qū)的擴(kuò)大，光纖在能在較寬恒溫區(qū)范圍內(nèi)，y軸方向上存在正負(fù)1 mm以內(nèi)的偏移時(shí)，對(duì)螺旋光纖光柵的制備基本不受影響，這使得四電極電弧放電螺旋光纖加工裝置實(shí)現(xiàn)上變得更加容易。

3.2 四電極電弧溫度測(cè)試

根據(jù)以上得到的四電極參數(shù)，搭建四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)，電極的位置及角度，通過(guò)CCD及尺子進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖7為四電極電弧放電形成的電弧分區(qū)圖，將其分成3個(gè)區(qū)，分別為離子產(chǎn)生區(qū)、離子流經(jīng)區(qū)、輻射熱區(qū)，其中輻射熱區(qū)為光纖的加熱區(qū)。圖中，上面的電極對(duì)形成一組電弧放電路徑，下面的電極對(duì)形成另一組電弧放電路徑。由于電弧放電時(shí)陽(yáng)極與陰極斑點(diǎn)大小不同，陽(yáng)極斑點(diǎn)小，而陰極斑點(diǎn)大，所以上面與下面電極棒尖端處較亮的一端為電極棒的陰極，對(duì)應(yīng)的另一端則為電極棒的陽(yáng)極。

圖7 四電極電弧分區(qū)圖Fig.7 Four electrode rod fiber heating and its temperature

從圖8中可知，在測(cè)試電壓下，最高溫度在1 050 ℃上下50 ℃內(nèi)波動(dòng)。結(jié)合四電極相關(guān)尺寸，由圖8（a）、圖8（b）可知，此時(shí)光纖的恒溫加熱長(zhǎng)度約為2.12 mm。

圖8 四電極光纖加熱及其溫度Fig.8 Four electrode rod fiber heating and its temperature

4 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)及應(yīng)用結(jié)果

4.1 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)

四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)Fig.9 Plasma hot melt torsional processing system with wide constant temperature zone for arc discharge with four electrodes

其主要包括電動(dòng)位移臺(tái)、四電極、固定夾具、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和相機(jī)。一臺(tái)電動(dòng)位移臺(tái)上的夾具采用固定的形式，另一臺(tái)電動(dòng)位移臺(tái)上的夾具置于電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并同電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一同旋轉(zhuǎn)。待加工的光纖固定于兩個(gè)夾具上。四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)中光纖V型槽加工精度為5 μm，其他零件加工精度為50 μm。制備螺旋光纖器件時(shí)，通過(guò)控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，電動(dòng)位移臺(tái)的位移速度，四電極電弧放電的溫度場(chǎng)溫度，可以實(shí)現(xiàn)光纖的螺旋加工。整個(gè)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)通過(guò)編寫的程序進(jìn)行控制。四電極上方的相機(jī)用于觀察光纖加工過(guò)程及用來(lái)調(diào)整四電極的位置。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

為說(shuō)明加工系統(tǒng)的性能，用不同光纖的HLPFG透射光譜與相同光纖的不同周期HLPFG透射光譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先是對(duì)三種不同的光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只是出于考慮不同光纖的制備效果，周期沒有特定的進(jìn)行選取。為了更好地說(shuō)明論文研制系統(tǒng)的性能，在前述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)康寧單模光纖HLPFG的不同周期進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖10為HLPFG，它具有沿軸向周期性螺旋折射率調(diào)制的特性，圖中標(biāo)注了HLPFG的纖芯、包層和螺距。實(shí)驗(yàn)中，采用不同的光纖驗(yàn)證四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的性能，所用光纖分別為長(zhǎng)飛單模光纖、康寧單模光纖、三角芯光纖，采用顯微鏡與折射率測(cè)試儀對(duì)它們的端面與折射率進(jìn)行測(cè)量，折射率測(cè)量所用的光波長(zhǎng)為532 nm，得到的光纖截面圖與三維折射率輪廓圖如圖11。

圖10 螺旋長(zhǎng)周期光纖光柵Fig.10 Helical long period fiber grating

圖11 光纖截面圖與三維折射率輪廓圖Fig.11 Fiber cross section and 3D refractive index profile

從圖12（a）、圖12（b）、圖12（c）可知，不同光纖與不同周期下制備的HLPFG的插入損耗較低，圖12（d）中，在波長(zhǎng)1.21~1.3 μm，等間隔取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，周期750 μm的長(zhǎng)飛單模光纖HLPFG的透射光譜的波動(dòng)最大為0.49 dB，通過(guò)計(jì)算其平均值為-0.53 dB。周期650 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動(dòng)最大為0.33 dB，通過(guò)計(jì)算其平均值為-0.38 dB。周期780 μm的三角芯光纖HLPFG的透射光譜的波動(dòng)最大為0.94 dB，通過(guò)計(jì)算其平均值為-0.66 dB。

圖12 基于四電極電弧系統(tǒng)制備的不同光纖HLPFGFig.12 Different fiber HLPFG fabricated based on a four-electrode arc system

從圖13（a）、圖13（b）可知，不同周期下制備的HLPFG的插入損耗較低，圖13（c）中，在波長(zhǎng)1.21~1.3 μm，等間隔取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，周期550 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動(dòng)最大為0.50 dB，通過(guò)計(jì)算其平均值為-0.43 dB；周期600 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動(dòng)最大為0.29 dB，通過(guò)計(jì)算其平均值為-0.19 dB。

圖13 基于四電極電弧系統(tǒng)制備的不同周期HLPFGFig.13 HLPFG with different periods fabricated based on four-electrode arc system

表1為前述5個(gè)透射光譜得到的結(jié)果，由于光源存在細(xì)微的波動(dòng)，這里定義最大值為透射光譜1.3~1.35 μm光強(qiáng)的平均值，最低為整個(gè)透射光譜的最小值，差值為兩者的差。由表可知，透射光譜中最大值大于-1 dB，最小值小于-23 dB，差值大于22 dB。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result

由不同光纖與不同周期制備的HLPFG可知，四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)制備的HLPFG插入損耗及透射光譜的波動(dòng)小，同時(shí)得到較好的波谷深度。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)本文提出的四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的性能，表2與其他制備方法及其加工得到的HLPFG進(jìn)行了比較。顯然，與其他方法相比，本文提出的四電極電弧放電加工光纖的方法不僅得到的HLPFG光譜最小損耗小于1 dB，而且該加工方法簡(jiǎn)單靈活、恒溫區(qū)大、價(jià)格便宜。通過(guò)比較可知，本文提出的加工方法為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的螺旋光纖器件提供了一種有效的制備方法。

表2 不同加工方法制備HLPFG比較Tab.2 Comparison of HLPFG prepared by different processing methods

為更充分驗(yàn)證寬恒溫區(qū)加工系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步的用本文所研制的系統(tǒng)制備了單模光纖、偏芯光纖、偏雙芯光纖不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)，并用顯微鏡進(jìn)行了觀察。

從圖14可知，螺旋光纖器件的包層邊界清晰且平直，無(wú)顯著的螺紋結(jié)構(gòu)；光纖中央芯無(wú)顯著的螺旋加工痕跡；光纖偏芯光滑且連續(xù)。這都是基于加工系統(tǒng)的寬恒溫加熱區(qū)特點(diǎn)得到的。因?yàn)閷挼暮銣丶訜釁^(qū)不僅更利于被加工光纖的應(yīng)力釋放與軟化，而且減少了加工過(guò)程中光纖微振動(dòng)帶來(lái)的影響。

圖14 不同螺距的三種螺旋光纖樣品側(cè)面觀察圖 （a）單模光纖截面圖；（b）周期為450 μm的單模光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（c）周期為900 μm的單模光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（d）偏芯光纖截面圖；（e）周期為450 μm的偏芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（f）周期為900 μm的偏芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（g）偏雙芯光纖截面圖；（h）周期為450 μm的偏雙芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（i）周期為900 μm的偏雙芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)。Fig.14 Side view of three spiral fiber samples with different pitch （a） Section of single-mode fiber；（b） single-mode fiber helical structure with a period of 450 μm； （c） Single-mode fiber helical structure with a period of 900 μm； （d） Crosssectional diagram of eccentric fiber； （e） eccentric fiber helical structure with a period of 450 μm； （f） eccentric fiber helical structure with a period of 900 μm； （g） partial dual-core fiber section diagram； （h） partial two-core fiber helical structure with a period of 450μ m； （i） partial dual-core fiber helical structure with a period of 900 μm.

上述加工結(jié)果帶來(lái)的好處如下：

（1）包層無(wú)顯著螺紋結(jié)構(gòu)說(shuō)明包層形變小，光纖中包層模式傳輸僅受螺旋纖芯的影響，包層邊界不對(duì)包層模式產(chǎn)生顯著調(diào)制；

（2）對(duì)于中央纖芯來(lái)說(shuō)，其無(wú)顯著的螺旋加工痕跡，降低了透射光譜的損耗及波動(dòng)，論文［14］間接的說(shuō)明了這點(diǎn)；

（3）對(duì)于離軸纖芯來(lái)說(shuō)，纖芯螺旋結(jié)構(gòu)可分解為具有較大曲率半徑的穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和較小曲率半徑的局部微彎和結(jié)構(gòu)錯(cuò)位。相比于前者，后者的彎曲程度更高且不均勻，是導(dǎo)致纖芯輻射損耗的主要因素［23-24］。而四電極電弧寬恒溫區(qū)螺旋光纖加工系統(tǒng)加工得到的離軸纖芯螺旋軌跡光滑連續(xù)，有效降低纖芯在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的局部微彎和結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，能顯著地降低樣品的插入損耗。

總結(jié)以上三點(diǎn)，四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)能能有效提高螺旋光纖器件的質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文為制備高質(zhì)量的螺旋光纖器件，提出一種四電極電弧光纖加熱方法，并研制了四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)，通過(guò)仿真分析了四電極各項(xiàng)參數(shù)對(duì)光纖加熱溫區(qū)特性的影響，以此為基礎(chǔ)，得到了系統(tǒng)四電極參數(shù)，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了四電極形成的寬的恒溫區(qū)。寬的恒溫區(qū)不僅有利于光纖應(yīng)力的釋放，同時(shí)，減少了光纖偏移帶來(lái)的影響。最后，首先由不同光纖與相同光纖的不同周期下制備的HLPFG驗(yàn)證了四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)表明本文提出的系統(tǒng)制備的螺旋光纖器件的插入損耗及透射光譜波動(dòng)小，同時(shí)得到了較好的波谷深度。接著為更進(jìn)一步驗(yàn)證所研系統(tǒng)的性能，用不同光纖分別制備了不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示加工得到的螺旋光纖結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高。基于本文提出系統(tǒng)的特點(diǎn)，使得該系統(tǒng)可制備多種高質(zhì)量螺旋結(jié)構(gòu)的光纖器件，具有廣泛的應(yīng)用前景，如螺旋光纖濾波器、螺旋光纖渦旋光發(fā)生器，為高質(zhì)量螺旋光纖器件的制備，提供了技術(shù)支撐。