前言
近年来，随着科技的不断进步和创新，光纤作为一种卓越的光传导工具，已经在众多领域展现出了无可比拟的优势和广泛应用的潜力。其低损耗、轻质量、抗干扰能力强以及相对较低的成本等特点，使其不仅在传统的光通信领域取得了巨大成功，更迅速扩展至工业各个角落，在众多高端产业中发挥着不可替代的重要作用。
常见的光纤制备流程
光纤是由学名为二氧化硅（SiO2）的材料制备。一般光纤是由高折射率纤芯和低折射率包层组成。
纤芯一般添加掺杂剂锗元素增加石英的折射率，包层通过掺杂氟和硼元素来降低包层的折射率。
光纤制备的流程主要由制棒、拉丝和涂覆组成。
制棒光纤制备流程首先是将原材料提纯后制棒，它与石英棒的制备方法相似。预制棒的折射率分布应当与所需要制备的光纤的折射率分布相一致；
它其实就是等体积下大版的光纤，一般标准下的直径大约在10-20cm，长度为50-90cm的圆柱体硅化物。
目前工业上制备光纤预制棒的方法主要是气相沉积法和非气相沉积法两种。非气相沉积法有包括了凝胶法，机械成形法和多组分玻璃法三种。
由于气相沉积法制备的光纤纯度高，传输效果佳等优点是目前制备预制棒的方法。
它是将液态的四氯化硅掺杂剂气化，并与氧气发生化学反应生成氧化物粉尘，将其沉积在基底或者玻璃管壁，周而复始，层层沉积堆积成预制棒。
但其也有一定的缺陷，制备的工艺流程复杂且成本较高。为了寻求更好的制备方法，科研人员在粉尘沉积方式和融化堆积方法上进行工艺探索。
目前，气相沉积法主要包括棒外气相沉积法、改进气相沉积法、等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。
根据工艺改进效果来看，改进气相沉积法和等离子体气相沉积法的使用量更大一些化学气相沉积法(CVD)与改进化学气相沉积法(MCVD)是在1970年制备20db/km低损耗光纤所采用的基本工艺；
MCVD是探索并开发的渐变折射率光纤，MCVD法是在反应器内对光纤纤芯层和包层进行沉积，整个化学反应是在石英反应管内沉积光纤包层和芯层；
同时，该系统需要满足封闭且超精度提纯，可用于生产高质量的不同种类的光纤。PCVD法，也就是等离子气相沉积法在1975年开发。
它与MCVD的主要区别在于加热反应区的方法。是利用喷灯将四氯化硅掺杂剂气体预热，这种方法更易离子化,在微波区激活气体使其电离为等离子,带电的离子在重新结合时释放热量,使原料反应,光纤材料直接沉积熔化在基管上。
棒外气相沉积法(OVD)是在1972年研发并批量生产光纤的工艺，该工艺主要包括离子沉积和固化两大过程：
第一步首先将高纯度的硅物质与氯化硅气体放入高温喷灯内，喷灯所产生的高温使得其变成纤芯和包层所需要的氧化物粉尘，该物质沉积在旋转棒附近形成多孔的预制棒材。
我们通过改变掺杂物质的种类和掺杂物质的浓度来制备光纤纤芯和光纤包层，同时是先制备光纤纤芯，后制备光纤包层制备成预制棒。
第二步:取出制备好的预制棒,在温度为14000-16000℃内烧制成透明的预制棒。轴向气相沉积法，简称VAD法，它与OVD相似。
第一步：将碳化硅和掺杂物质送入高温喷灯中，石英粒子沉积堆落在种子棒的轴端。第二步：通常我们是先沉积光纤纤芯，在沿着轴向移动沉积光纤包层。
拉丝拉丝是利用我们制备的预制棒来进行关键一步。它是将大尺寸的光纤，在拉丝塔内高温加热环境下熔融拉丝后形成的，这是真正意义下的光纤。
在高温2000℃，掺杂的物质很难在加热炉内扩散，因此预制棒的折射率分布不会发生变化。通常拉丝主要是通过预制棒法，它是将预制棒等速送入高温加热炉内；
由于预制棒在2000℃下的粘粘度低，预制棒通过重力的作用向下变细形成光纤。其中光纤质量的好坏取决于预制棒的拉伸速率，而属于一般与光纤的直径大小有关。
涂敷、塑封和成筒拉丝过程中一般所产生的应力都集中在光纤表面上，裸光纤的强度比较低，通常要对刚拉制的光纤进行涂覆，涂覆是由光纤涂覆器完成，在拉丝结束后进行的。
目前工业上常用紫外固化灯固化烯酸酯或者热固化硅树脂对光纤进行涂覆。常用的涂覆方式有压力涂覆器和无压的开口形式。压力涂覆主要是英语高速拉丝过程中，涂覆的材料中不易搅起气泡。
无压的方式是在模口粘附涂覆材料进行涂覆的。外层往往采用普通硅酮树脂，具有高强度和耐磨的特征。
固化方式:据材料种类,可分为热固化和紫外灯固化。塑封:为便于操作和提高光纤的抗张力、强度,在涂敷层上再套尼龙、聚乙烯或聚酯等塑料(塑封)。
过程:光纤穿过模具向管,在出口处涂敷上熔化的尼龙,再经冷却水槽而被冷却固化,再到收丝的转轮上。
塑封有紧套和松套两种。紧套型是塑料紧贴涂敷层,光纤不活动。松套型是在涂敷层外包上塑料套管,光纤可活动。
光纤经涂敷、塑封后,并经强度筛选后可绕到光纤盘上成筒,成筒光纤经性能测试合格后，入库待成缆用。
孔助少模光纤制备
基于空气孔辅助的少模光纤器件制备过程可分为以下两个步骤：步骤1、光纤预制棒制作如图2-1所示：
在纯石英包层预制棒8中加工多个微孔9，然后嵌入纤芯预制棒插件10，形成微孔光纤预制棒11。步骤2、光纤拉制如图2-2所示：
将制备好的微孔光纤预制棒11放置在光纤拉丝塔上，并固定在预制棒夹具12上，微孔光纤预制棒11经过加热炉13加热熔融并在垂直牵引力14的作用下拉丝。最后拉制成包层内具有空气孔的孔助光纤2。
精确的把握加热炉内的温度，光纤拉制时的拉丝速度和预制棒孔内部的压力对制备成性能优异的孔助光纤极为重要。
并且，这种光纤制备方法具有工艺简单、易于实现的优点。通常采用在标准光纤预制棒的基础上，进行二次超声打孔的方式来实现预制棒的制备。
为了得到性能优异的光纤，一方面，需要对预制棒内加工孔的内壁进行抛光和清洗等预处理工艺；另一方面，在光纤的拉制过程中，要精确控制炉温、拉丝数度和预制棒空气孔内部的平衡压力。
孔助少模光纤是一种新型的微结构光纤，可通过空气孔对传输光的束缚将光限制在纤芯内传输，能扩展成不同功能的光纤器件。
我们主要通过研究包层内空气孔的尺寸和与纤芯的距离进而分析纤芯限制光强的能力，同时分析其纤芯-空气孔间距离和空气孔尺寸大小对于制备结构型长周期光纤光栅的影响。
周期性折射率调制机理
以具有三个空气孔的包层带有微孔的光纤为例，如图2-4（a）所示：
在图中，纤芯半径、空气孔半径、包层半径和纤芯与空气孔的间距分别表示为：rc、rh、rcl、dh，纤芯和包层的折射率分别表示为：nco和ncl。
在柱坐标中，其三孔包层带有微孔的光纤横截面折射率分布可等效表示如下：
当ks=0并且kt≠0示，光纤为周期性塌缩或者膨胀结构，其等效折射率分布为：
当ks≠0并且kt=0时，光纤为周期性螺旋结构，其等效折射率分布为：
此外，ρ和w分布表示三个空气孔结构轮廓函数的常数项和三阶微绕项。这里，其轮廓函数的傅里叶级数展开如下：
这里：
利用公式就可以算出该光纤轮廓形状的傅里叶级数展开系数，如图5（b）所示。
长周期光纤光栅匹配条件
在标准单模光纤中，光纤成圆柱直波导结构严格对称，纤芯模式和包层模式之间不发生干扰，光信号信息在纤芯内稳定传输。
若光纤结构被外界环境所改变，这种平衡就会被打破，光波在包层和纤芯内会相互传递，这就是通常意义下的光纤模式耦合。
光栅是一种纤芯发生折射率调制或者光纤的几何结构发生形变的理想波导，故其折射率分布可由下式表达：
对于光纤光栅来说，折变量微扰一般低于10-2，因此光波导中各个传输模式都可以用理想光波导中各个本征模式的线性叠加来表示：
公式中，Aj和Bj是光纤中正向和反向传输的j阶模式场的慢变幅度；etjhtj表示没有微扰时的光纤波导j模式电磁场，Aj，jB满足的耦合模方程为：
另外均匀LPFG的耦合主要发生在纤芯模和同向传输的包层模之间，反向耦合以及包层模式之间的耦合很弱，因此耦合模方程可以简化为：
将公式代入横向耦合系数表达式得到：
其耦合常数表达式为：
在耦合模方程中，只有该项的指数为0时，才会使两个模式之间发生较强的耦合。经简化后得到如下的耦合模方程：
为了简化上述方程，引入如下变换：
则耦合方程为：
解该微分方程，并对一段长为L的均匀长周期光纤光栅，设其分布在0~L，在光纤光栅的起始端，包层模的振幅为0：
得到长周期光纤光栅的透射率和损耗率分别为：
由色散方程，求出光纤纤芯模和包层模的有效折射率，代入对应的模式场表达式及耦合系数表达式，便可以求出与波长及模式对应的耦合系数；
代入长周期光纤光栅的透射率表达式，便可以得到长周期光纤光栅的透射峰。
利用耦合模微扰理论来分析光波在包层带有微孔的光纤长周期光栅中的传输情况。根据微扰理论，微扰耦合方程可表示为：
其表达式为：
可由公式得：
对于长周期光纤光栅，由角动量和能量守恒可得到，如下的光栅条件公式：
塌缩型长周期光纤光栅的制备
利用CO2激光器（藤仓LZM-110）制备塌缩型长周期光纤光栅的实验过程示意图如图4-1所示,该系统主要包括激光系统和压力辅助系统：
一个精密位移平台、激光器和气压控制系统组成。位移台固定在可控道轨上，其上固定有两个光纤夹具，将一段包层带有微孔的光纤穿过中央的加热子并被固定在这两个光纤夹具上;
该光纤一端的空气孔与普通单模光纤进行熔接，使空气孔完全坍塌闭合。同时孔助光纤另一端与气压控制系统相连接，调制气压控制系统使得包层带有微孔的光纤的空气孔中处于小于外界环境气压的负压状态。
当CO2激光放光热熔光纤时，由于空气孔内处于小于周围环境压力的负压情况下，加热区域的空气孔就会塌陷，形成栅区，从而在塌缩区域形成一段无孔光纤区。
如果同步控制激光器的加热温度和滑轨的移动，就会在包层带有微孔的光纤上制备出周期性的塌缩区域，形成长周期光纤光栅。
二氧化碳激光器藤仓LZM-110CO2激光工作站是一种CO2气体激光器，采用二氧化碳CO2激光器（LZM-110）为热源的熔接机，光纤加工机。
使用CO2激光热源加热光纤，确保了可重复的性能和低维护，消除了电极或灯丝的维护和不稳定性。
二氧化碳激光加热也消除了使用灯丝或电极可能在纤维表面产生的任何沉积。
同时，二氧化碳激光器的输出功率稳定，波动保持在正负5%，从而使激光光束对光纤进行热熔加工时获得稳定的温度场。
精密压力泵系统为了保持光纤在加热区域塌缩完整，我们采用ConST162台式气压泵来调节光纤空气孔内的压力大小。
如图4-3所示台式气压泵的造压范围在-0.095-14MPa，调节细度为0.01kPa:
气压泵上装有精密的压力表，我们可以通过显微镜观察不同压力下制备的光纤光栅的空气孔的塌缩程度。
实时监测为了观察塌缩型光纤光栅在制备时塌缩状况，我们利用二氧化碳激光器自带的显微镜实时监测激光加热后光纤的变化，观察光纤是否塌缩完全或未发生塌缩现象。
同时，我们在刻写完光栅后利用高倍显微镜再次观察光栅刻写状况。
结语
主要工作是从理论和实验两方面分析和研究了基于包层内含有空气孔的少模光纤制备的结构型长周期光纤光栅的传感特性，简单介绍了包层内含有空气孔的光纤的制备方法，详细介绍通过调整CO2激光器的实验参数来制备塌缩型长周期光纤光栅和膨胀型光纤光栅两种不同的光纤光栅类型。论文通过理论分析少模光纤内空气孔对于光纤有效折射率的影响，同时分析了结构型长周期光纤光栅的耦合机制。