CN101359067A - 一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法及装置 - Google Patents

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王先华
杨青
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Abstract

本发明公开了一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法及装置，利用飞秒激光瞬态相干技术在光纤内部制备布拉格光栅的方法。光纤布拉格光栅制备时，先将去除掉包层的光纤纤芯固定在三维精密移动平台上，然后将两束飞秒激光分别经透镜聚焦，并使之产生干涉后作用于光纤纤芯上，通过光致折射率变化在光纤纤芯内部产生布拉格光栅结构。本发明具有制备效率高、稳定性好、设备装置简单，且制得的光纤布拉格光栅不会消退等优点。

Description

一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法及装置
技术领域
本发明属于微纳器件制备和飞秒激光微加工技术领域，特别涉及利用飞秒激光瞬态相干技术在光纤内部制备布拉格光栅的方法及其装置。
背景技术
光纤布拉格光栅是用特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的，能对波长满足布拉格反射条件的入射光产生反射，是一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤布拉格光栅目前的制作工艺主要为相位掩模法，即先在计算机控制下精密刻蚀成的位相衍射元件，正入射的紫外光经过掩模板衍射后零级受抑制，±1级分别达最大且相互作用的近场干涉条纹对紧贴其后的掺杂光纤纤芯进行曝光，形成周期为位相模板周期的1/2的光纤布拉格光栅。位相掩模技术具有稳定、灵活、重复性好等特点，但也存在一些不足，例如：方法复杂、只能在掺杂光纤中加工、紫外光曝光形成的光栅不能永久保存等，难以满足今后光纤布拉格光栅迅速发展和广泛使用的需要。
与上述工艺相比，飞秒激光以其峰值功率极高(接近1020W/cm2)和脉冲宽度极短(1fs＝10-15s)的特点，能够在很短的时间内将很大的能量注入到材料中，实现受热影响很小的超微细材料加工；同时，由于阈值效应的存在，能被加工的区域远小于光斑，因而能够突破衍射极限的限制；此外，当两个飞秒激光脉冲在时间上和空间上重叠时，所形成的干涉条纹图样可以直接在材料上诱导周期微结构，而不论该种材料是否具有光敏性。因此，飞秒激光瞬态相干技术具有的无需掩模、无需光刻胶、加工材料的广泛性，以及单步、高效、周期可控等特点，使其在制备光纤布拉格光栅方面具有得天独厚的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法及装置，该方法不仅光路简单、易于实现，而且只要改变两束光的夹角就可以实现大范围内对光栅周期的调控，此外光纤无须掺杂，形成的光栅为永久结构，不易消失。
本发明的技术解决方案是：
将两束飞秒激光经透镜聚焦并相干后辐照光纤纤芯，产生微纳周期结构，
具体步骤如下：
1)选用脉冲宽度为20～120fs、波长为325～1200nm的飞秒激光脉冲，经分束镜分为两路，下行光路经过光学延迟线后由聚焦透镜聚焦至样品，上行光路经直接经聚焦透镜聚焦至样品；
2)通过精细调节光学延迟线和观察倍频晶体的二次谐波效应来确保两束飞秒激光发生干涉；
3)选用石英光纤作为样品，并事先去除表面涂覆包层；
4)通过控制飞秒激光单脉冲能量10μJ～1mJ、脉冲频率10Hz～100kHz、脉冲宽度20～120fs、光束夹角15°～165°，使激光干涉后作用于光纤纤芯上，从而在聚焦光束重叠区域内诱导出微纳周期结构。
所说的光纤纤芯为石英光纤，但不仅限于石英光纤，任何透明介质均可。
所说的光纤纤芯直径为12.5～125μm。
实现装置由激光加载系统和样品装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器和光开关、可变衰减器、分束镜、光学延迟线、反射镜和聚焦透镜组成，由飞秒激光器输出的飞秒激光经过光开关、可变衰减器、分束镜后，下行光路经过光学延迟线后由聚焦透镜聚焦至样品，上行光路经直接经聚焦透镜聚焦至样品。
在光开关、可变衰减器之间依次设置倍频晶体、滤光片。
在飞秒激光器和光开关之间设置光学参量放大系统。
所述的样品装夹系统由光纤纤芯、三维精密移动平台和控制计算机组成。光纤纤芯固定在三维精密移动平台上，控制计算机与三维精密移动平台相连。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用飞秒瞬态相干技术制备光纤布拉格光栅，制备工艺简单、原材料消耗和成本低、制备效率高，制备出的光纤布拉格光栅稳定性好、不易消失，光栅周期易于调控，适用范围广。
(2)本发明利用三维精密移动平台均匀移动光纤纤芯，使飞秒激光焦点在其上逐点扫描，可实现大面积光纤布拉格光栅阵列的制备。
(3)本发明可诱导产生周期为400nm～2.5μm的光纤布拉格光栅，可以满足在光电、通讯、传感等领域的需要。
附图说明
图1为本发明800nm、夹角为20°的两束飞秒激光在光纤纤芯上制备光纤布拉格光栅结构的方法的示意图。
图2为本发明400nm、夹角为90°的两束飞秒激光在光纤纤芯上制备光纤布拉格光栅结构的方法的示意图。
图3为本发明325nm、夹角为160°的两束飞秒激光在光纤纤芯上制备光纤布拉格光栅结构的方法的示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，由飞秒激光器1产生的飞秒激光，脉冲宽度为30fs、波长为800nm、脉冲频率为1kHz、单脉冲能量为10μJ的激光束，通过光开关2、可变衰减器3后由分束镜4分为两束，上行光路经过光学延迟线5、反射镜6后由聚焦透镜7聚焦至样品，上行光路直接由反射镜8反射后经聚焦透镜9聚焦至样品。光纤纤芯13固定在三维精密移动平台14上，光纤纤芯的运动由计算机15控制三维精密移动平台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100μm。这样在激光辐照区逐步形成了光纤布拉格光栅结构。
参照图2所示，由飞秒激光器1产生的飞秒激光，脉冲宽度为30fs、波长为800nm、脉冲频率为1kHz、单脉冲能量为30μJ的激光束，通过光开关2、倍频晶体10后转换为脉冲宽度为50fs、波长为400nm、脉冲频率为1kHz、脉冲能量为10μJ的飞秒激光，再通过滤光片11、由分束镜4分为两束，下行光路经过光学延迟线5、反射镜6后由聚焦透镜7聚焦至样品，上行光路直接由反射镜8反射后经聚焦透镜9聚焦至样品。光纤纤芯13固定在三维精密移动平台14上，光纤纤芯的运动由计算机15控制三维精密移动平台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100μm。这样在激光辐照区逐步形成了光纤布拉格光栅结构。
参照图3所示，由飞秒激光器1产生的飞秒激光，脉冲宽度为30fs、波长为800nm、脉冲频率为1kHz、单脉冲能量为1mJ的激光束，通过光学参量放大系统12后转换为脉冲宽度为30fs、波长为325nm、脉冲频率为1kHz、脉冲能量为100μJ的飞秒激光，再通过光开关2、可变衰减器3后由分束镜4分为两束，下行光路经过光学延迟线5、反射镜6后由聚焦透镜7聚焦至样品，上行光路直接由反射镜8反射后经聚焦透镜9聚焦至样品。光纤纤芯13固定在三维精密移动平台14上，光纤纤芯的运动由计算机15控制三维精密移动平台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100μm。这样在激光辐照区逐步形成了光纤布拉格光栅结构。
实施例1：
由飞秒激光器产生的飞秒激光，脉冲宽度为30fs、波长为800nm、脉冲频率为1kHz、脉冲能量为10μJ的激光束，由分束镜分为两束，下行光路经过光学延迟线后由聚焦透镜聚焦至光纤纤芯样品，上行光路经直接经聚焦透镜聚焦至光纤纤芯样品。两束光的夹角约为20°，两个聚焦透镜的焦距均为150mm，聚焦光斑约为100μm。石英光纤纤芯固定在三维精密移动平台上，石英光纤纤芯的运动由计算机控制三维精密移动平台完成。这样在激光辐照区逐步形成了石英光纤布拉格光栅结构。
实施例2：
选用脉冲宽度为50fs、波长为400nm、脉冲频率为1kHz、脉冲能量为10μJ的激光束，由分束镜分为两束，下行光路经过光学延迟线后由聚焦透镜聚焦至石英光纤纤芯样品，上行光路经直接经聚焦透镜聚焦至石英光纤纤芯样品。两束光夹角约为90°两个聚焦透镜的焦距均为150mm，聚焦光斑约为100μm。石英光纤纤芯固定在三维精密移动平台上，石英光纤纤芯的运动由计算机控制三维精密移动平台完成。这样在激光辐照区逐步形成了光纤布拉格光栅结构。
实施例3：
选用脉冲宽度为40fs、波长为325nm、脉冲频率为1kHz、脉冲能量为10μJ的激光束，由分束镜分为两束，下行光路经过光学延迟线后由聚焦透镜聚焦至石英光纤纤芯样品，上行光路经直接经聚焦透镜聚焦至石英光纤纤芯样品。两束光的夹角约为160°，两个聚焦透镜的焦距均为150mm，聚焦光斑约为100μm。石英光纤纤芯固定在三维精密移动平台上，石英光纤纤芯的运动由计算机控制三维精密移动平台完成。这样在激光辐照区逐步形成了石英光纤布拉格光栅结构。

Claims (7)

1、一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于，将两束飞秒激光经透镜聚焦并相干后辐照光纤纤芯，产生微纳周期结构，具体步骤如下：
1)选用脉冲宽度为20～120fs、波长为325～1200nm的飞秒激光脉冲，经分束镜分为两路，下行光路经过光学延迟线后由透镜聚焦至样品，上行光路经直接经透镜聚焦至样品；
2)通过精细调节光学延迟线和观察倍频晶体的二次谐波效应来确保两束飞秒激光发生干涉；
3)选用光纤作为样品，并事先去除表面涂覆包层；
4)通过控制飞秒激光单脉冲能量10μJ～1mJ、脉冲频率10Hz～100kHz、脉冲宽度20～120fs、光束夹角15°～165°，使激光干涉后作用于石英光纤纤芯上，从而在聚焦光束重叠区域内诱导出微纳周期结构。
2、根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于，所述的光纤纤芯为石英光纤或者任何透明介质。
3、根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于，所说的光纤纤芯直径为12.5～125μm。
4、实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，由激光加载系统和样品装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器(1)和光开关(2)、可变衰减器(3)、分束镜(4)、光学延迟线(5)、反射镜(6、8)和聚焦透镜(7、9)组成，由飞秒激光器(1)输出的飞秒激光依次经过光开关(2)、可变衰减器(3)、分束镜(4)后，下行光路依次经过光学延迟线(5)、反射镜(6)后由聚焦透镜(7)聚焦至样品，上行光路直接由反射镜(8)反射后经聚焦透镜(9)聚焦至样品(13)。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在光开关(2)、可变衰减器(3)之间依次设置倍频晶体(10)、滤光片(11)。
6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在飞秒激光器(1)和光开关(2)之间设置光学参量放大系统(12)。
7、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的样品装夹系统由光纤纤芯(13)、三维精密移动平台(14)和控制计算机(15)组成，光纤纤芯(13)固定在三维精密移动平台(14)上，控制计算机(15)与三维精密移动平台(14)相连。
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