CN101622556B - 在低声子能量玻璃介质中永久写入衍射光栅的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明显示了一种用于在低声子能量玻璃波导中永久写入衍射光栅的系统和方法。产生超短光脉冲，并且使其在波导中形成同步叠加的两束光束，从而形成对应于所需光栅的干涉图案。将光脉冲聚焦，使得波导内的光强度超过成丝阈值。在时间上和空间上控制波导对这些光脉冲的曝光，以限制由高强度脉冲在波导的玻璃介质中所引起的有害热效应。

Description

在低声子能量玻璃介质中永久写入衍射光栅的系统和方法

技术领域

本发明涉及通过利用干涉超短且强的激光脉冲，在包含低声子能量材料的光学器件中形成永久性折射率的图案或衍射光栅的方法。

背景技术

在硅酸锗波导中写入布拉格光栅的常规方法依赖于UV激光器和干涉术技术的应用，在波导中引入周期性折射率变化。利用Glenn等在美国专利4,807,950中所公开的双束干涉技术产生沿波导的折射率变化的空间调制。用于在硅酸锗波导中写入布拉格光栅的一种更方便的方法依赖于相位掩模(phase mask)技术，如Hill等在美国专利5,367,588中所公开的。在这种情况下，使用单一的UV光束，通过称为相位掩模的衍射元件产生干涉图案。不幸的是，如Williams等在J.Lightwave Technol.15，1357(1997)中所报道的，据报道这种方法在氟化物玻璃基波导中引起弱的折射率变化。

Taunay等在Opt.Lett.19，1269(1994)中首先报道了通过245nm的UV曝光的在Ce³⁺-掺杂的氟化物基玻璃中弱的永久性折射率变化。然而，还没有报道使用相同方法在未掺杂的氟化物玻璃中引起显著的折射率变化。如Moon等在美国专利6,195,483中所公开的，公开了使用双光束干涉方法在硫属元素化物和硫卤化物(chalcohalide)基红外线传输光纤中写入布拉格光栅。在这种现有技术中，约3分钟的曝光时间是必须的，以使硫属元素化物基光纤的折射率变化饱和。

如Askins等在美国专利5,400,422中所公开的，在波导中写入永久布拉格光栅的另一种方法基于干涉高强度UV束的使用，以局部破坏玻璃从而建立折射率变化图案。此方法的缺点是折射率变化起因于在光纤的芯-包覆界面处引起的周期性局部破坏。因而此方法紧密依赖于芯和包覆玻璃的组成。由于折射率变化仅影响要被反射的传播模式的一部分，所以得到的光栅还表现不良的光谱质量。在未掺杂的氟化物玻璃中产生折射率变化的第一种尝试中还使用了193nm辐射。Sramek等(J.Non-Cryst.Solids 277，39(2000))观察到，氟锆酸盐玻璃的感光性是在这种193nm的曝光下玻璃膨胀的结果。继续此工作，Zeller等(J.Lightwave Technol.23，624(2005))报道了氟锆-铝酸盐(fluorozirco-aluminate)(FZA)中约2×10^-4的折射率变化，而在氟铝酸盐(FA)和氟锆酸盐(FZ)中约2×10^-6的折射率变化。然而，折射率变化强烈依赖于玻璃组成，并且没有显示出可以应用于能够被拉伸成光学光纤的玻璃组成。实际上，由于其涉及如在硅石玻璃情况下的玻璃膨胀而不是涉及玻璃收缩，因而氟化物玻璃中折射率变化的机理似乎依赖于不同的玻璃重排。如Hisakuni等在Opt.Lett.20，958，(1995)中所报道的，在次能带隙(subbandgap)照明下的硫属元素化物玻璃中也观察到了相同的玻璃膨胀，并且将其用于制备凸面微透镜。

Davis等在Opt.Lett.21，1729，(1996)中报道了感光性的相对新的方法，其基于飞秒脉冲持续机理(duration regime)中的高强度红外线辐射的非线性吸收，以在玻璃中引发波导结构。尽管造成飞秒脉冲引发的折射率变化的精确物理过程还没有被完全理解并且似乎依赖于玻璃本身，但是其显然依赖于玻璃内局部等离子体的产生。为了达到合适的等离子体密度，写入束必须达到取决于各种因素的某些临界密度值，包括脉冲持续时间和能量以及聚焦条件。Miura等在美国专利5,978,538中公开了这种对于玻璃感光性的有前途的方法，并且发现其可用于在本体硅石玻璃和氟化物玻璃中写入波导。在此专利中作为实例使用的氟化物玻璃组成是氟锆酸盐玻璃(ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)，这是在光纤制备中使用的普通玻璃组成。Maznev等在美国专利6,204,926中还将此方法用在关于使用两个空间相关束获得的干涉飞秒条纹图案的形成中。Miller等在美国专利6,297,894中进一步扩展和公开了此方法，在此基于使用衍射元件获得了周期性折射率变化。Mihailov等在美国专利6,993,221中还公开了Miller的技术的备选方案，其中提出了高阶模式(high-order mode)的布拉格光栅结构。如Mihailov等在美国专利7,031,571中所公开的，此方法得到进一步扩展，允许抑制包覆模式损失。这些现有技术方法提供有用的功能，但是全部受困于实际限制。当然，尽管在这些专利中提到，所述方法可以成功地应用于任何至少部分透射或吸收的材料，但是相应的结果和实例仅限于硅石玻璃。由于低声子能量玻璃与硅石基玻璃相比具有明显不同的物理性质，特别是热性质，所以据证明，为了获得强而永久的折射率变化，不能在没有明显改善的情况下将前述飞秒方法同样地用于低声子能量玻璃，如氟化物、硫属元素化物和硫卤化物基玻璃。

因此存在对于在氟化物玻璃中写入永久性的布拉格光栅等的方法和系统的需要，所述方法和系统可以提供强的折射率变化并且可以用于各种氟化物玻璃组成。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统。

此系统包括光产生装置和光学组件，所述光产生装置用于产生超短光脉冲，所述光学组件用于在波导中同步地叠加这些光脉冲中的两束光束并且在其中形成对应于衍射光栅的干涉图案。光学组件还聚焦光脉冲，使得波导内的光强度超过成丝阈值(filamentation threshold)。

所述系统还包括控制装置，该控制装置用于在空间上和时间上控制波导对光脉冲的曝光，以限制由光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应(grating erasing thermal effect)。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统，所述系统包括：

-用于产生超短光脉冲的原光束(primary beam)的光源；

-光学组件，其包括：

■相位掩模，其被定位在接近波导的原光束的路径中，用于在波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在其中形成对应于衍射光栅的干涉图案；以及

■聚焦元件，其设置在光源和相位掩模之间，所述聚焦元件将光脉冲聚焦在波导上，使得所述波导中的光强度超过一个值，从而达到用于实现所述玻璃介质的永久改变的临界等离子体密度，对于ZBLAN此值为约10TW/cm²；以及

-控制装置，其用于在空间上和时间上控制波导对光脉冲的曝光，以限制由这些光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应，所述控制装置包括：

■扫描组件，其用于相对于聚焦元件和波导中的一个并且与光脉冲路径横向地扫描聚焦元件和波导中的另一个；

■调制元件，其设置在光脉冲的路径中，所述调制元件在时间上调制光脉冲，以形成光脉冲的至少一个脉冲串(burst)；

■中断机构，其用于中断波导对光脉冲的曝光；以及

■监控组件，其用于监控波导的光学性质，所述监控组件与中断机构通信，以根据光学性质启动所述中断机构。

根据本发明的又一方面，还提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的方法。所述方法包括以下步骤：

a)产生超短光脉冲；

b)在波导中同步地叠加这些光脉冲中的两束光束，并且在其中形成对应于衍射光栅的干涉图案；

c)聚焦光脉冲，使得波导中的光强度超过成丝阈值；以及

d)在空间上和时间上控制波导对光脉冲的曝光，以限制由光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应。

通过参照附图阅读其优选实施方案，本发明的其它特征和优点将被更好地理解。

附图说明

为了更好地理解本发明并且显示怎样可以实现本发明，现通过参照附图的实施例，其中：

图1示意性示出根据本发明的一个优选实施方案的用于写入布拉格光栅的系统。

图2A是显示在4秒的曝光时间之后，在单模未掺杂ZBLAN光纤中写入的99.9％反射光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating)的透射谱图；图2B(现有技术)是显示在35秒的曝光时间之后，在标准单模硅石无氢SMF28光纤中写入的99.9％反射光纤布拉格光栅的透射谱图的图。

图3是显示在标准(SMF28)硅石光纤中写入的布拉格光栅与在对有害热效应应用(方案2)和不应用(方案1)控制的情况下在未掺杂的单模ZBLAN光纤中写入的布拉格光栅相比，作为曝光时间的函数的峰值反射率的进展的曲线图。

图4A和4B是分别显示在2秒的曝光时间之后在单模未掺杂ZBLAN光纤中写入的光纤布拉格光栅以及在3秒的曝光时间之后在2000ppm铥掺杂的ZBLAN光纤中写入的光纤布拉格光栅的透射谱图的图。

图5是显示在加温退火的过程中在未掺杂的单模ZBLAN光纤中写入的光纤布拉格光栅的反射率的进展的曲线图。

图6显示横穿未掺杂的ZBLAN光纤的横截面引起的折射率变化的等高线图。

具体实施方式

根据本发明的优选实施方案，提供用于通过利用干涉的超短且强的激光脉冲，在由低声子能量玻璃介质如氟化物玻璃基光纤芯制成的波导中引起永久的折射率图案或衍射光栅的方法和系统。

贯穿本说明书，应当将措辞“布拉格光栅”或“衍射光栅”理解为是指在目标介质中永久引起的任何周期性或非周期性折射率图案。本领域的技术人员应当理解衍射光栅可以是单道或多道的，并且可以是啁啾的、倾斜的、采样的，或涉及一种以上这些特征的。

优选地，低声子能量玻璃介质是氟化物、硫属元素化物或硫卤化物玻璃，但是其也可以是具有类似物理性质的任何低声子能量玻璃。样品可以是光纤，但是其还可以是通过可以利用布拉格光栅的平面波导或任何其它玻璃结构实现的。本发明的有利方面是，低声子能量玻璃介质可以含有各种组成，例如但不限于：掺杂或未掺杂的氟化物玻璃，比如ZBLA、ZBLAN、ZBLALi，硫属元素化物玻璃，比如As₂S₃或As₂Se₃，或硫卤化物玻璃。

低声子能量玻璃典型地具有与熔凝硅石的物理性质明显不同的物理性质，包括但不限于高得多的热膨胀系数、低得多的玻璃化转变温度和更低的热传导率。它们特别的粘度-温度关系还使得它们易于在等离子体-诱导条件如激光-诱导成丝下不同地反应。这些特征导致热效应，如果不采取特别的措施以控制这些有害效应，则不像在熔凝硅石中所看到的那样，该热效应阻碍折射率调制规则地增加到大的值。本发明描述这些措施，并且显示可以如何应用它们以在氟化物光纤中引起强而永久的折射率调制。

参照图1，显示根据本发明的一个实施方案，用于在低声子能量玻璃的波导22中写入衍射光栅的系统20。

系统20首先包括用于产生超短光脉冲的光产生装置。光学组件24在波导22中同步地叠加这些光脉冲中的两束光束，以这样的方式在波导中形成对应于要引起的衍射光栅的干涉图案。光学组件24还聚焦光脉冲，使得波导22内的光强度超过成丝阈值，这将在下面进一步说明。

措辞“超短且强的激光脉冲”可以指具有约为500fs量级或以下的持续长度和足够高强度的激光脉冲，以通过多声子吸收在玻璃介质中诱导等离子体，从而可以发生激光诱导成丝。例如，利用本发明，使用在光纤处约110fs的脉冲在氟化物玻璃中写入布拉格光栅。干涉光束之间的角度可以是0至180度之间的任何角度。

优选地，光产生装置包括产生原光束28的单光源26，然后所述原光束28被光学组件24分成两个激光束30。所述光源可以是例如固态激光器、光纤激光器、半导体激光器、染料激光器、气体激光器、放大系统、光学参数放大系统或这些激光器和放大系统中之一的组合。光学组件24可以包括相位掩模31，以将原光束28分成两个干涉束30，并且形成干涉图案，小心地将波导22平行于相位掩模31排列在±1衍射级的干涉区中。作为选择，可以出于相同的目的使用干涉仪组件。在另一个备选方案中，可以使用两个不同的光源来产生光脉冲的相干光束，相干光束可以通过适当的干涉仪组件在波导内叠加。

如本领域的技术人员易于理解的，如系统20的特性可能要求的，光学组件可以包括用于导向、聚焦、放大或另外作用于由光脉冲形成的一个或多个光束的任何适当的部件。在示出的实施方案中，原光束28例如被由两个透镜29形成的圆柱形望远镜放大。光学组件24还优选包括聚焦元件34，所述聚焦元件34在此通过圆柱形透镜实现，被安置在原光束28的路径中，介于光源26和相位掩模31之间，并且将光脉冲聚焦在波导22上。

在本发明的优选实施方案中，由叠加的光束30形成的干涉图案具有对应于波导中所需的反射器的基频布拉格谐振(fundamental Braggresonance)的周期，其使用如下布拉格关系式计算：

mλ_B＝2·Λ_BG·n_eff，

其中m＝1对应于基频布拉格谐振，λ_B为布拉格波长，Λ_BG为布拉格光栅的周期，而n_eff为波导中的传播模式在布拉格波长处的有效折射率。在使用适当的干涉仪光学组件产生干涉图案的情况下，两个叠加的光束之间的干涉角θ如下这样计算：

$\mathrm{\θ}=2\·\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_I}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{BG}}}\right),$

其中λ_I对应于用于产生干涉图案的激光的波长。使用称为相位掩模的衍射元件，通常将±1衍射级的干涉用于产生干涉图案。为了在波导中得到基频布拉格谐振，如下这样计算相位掩模周期：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{m\·{\mathrm{\λ}}_B}{n_{\mathrm{eff}}},$

其中m＝1对应于波导中的基频布拉格谐振。

将干涉激光束聚焦在玻璃介质上，并且调节两光束之间的延迟，使得其脉冲在玻璃介质处同步。可以指出，通过使用相位掩模，如果将相位掩模和波导彼此平行地设置，则脉冲被自动地同步。将两个相干激光光束在玻璃介质处干涉的强度设定为略高于10TW/cm²量级的成丝阈值，因而产生引起玻璃介质中折射率的永久变化的机理。

当将强度高于某些阈值的高强度的激光束聚焦在透明材料中时，由于由克尔非线性(Kerr nonlinearity)导致的聚焦效应与相抗衡的等离子体离焦效应之间的平衡产生细丝。在这些条件下，等离子体达到使得出现永久玻璃改变(modification)的密度。如Becker等在Appl.Phys.B，73，287(2001)中论证的，此成丝过程显示自控的额外益处，因而导致在玻璃中传播的光束的峰值强度的箝位(clamping)。这种强度箝位在脉冲能量方面提供方便的写入窗，其中可以产生具有最小损失的折射率变化，即，不损坏玻璃。用于成丝过程的开始的最佳条件取决于脉冲参数、聚焦条件以及材料本身。然而，更易于在相对宽松的聚焦条件下发生，即，典型地对于比30-40mm长的焦距。还伴随发生(并且可以这样辨别)沿写入激光束的传播轴发射的宽带光(或超连续谱(supercontinuum))的开始。

关于导致玻璃变形的物理过程，应当理解的是，这是必须小于光栅周期的一半的空间范围的局部效应。同样，不应当与由于热效应而产生的折射率变化相混淆，所述热效应与可用于光学波导写入的在数百kHz范围以上的更高重复率的激光脉冲串有关。

在现有技术中，发现为了避免损伤，应当将干涉激光脉冲的强度限制在已经与非线性自聚焦过程相关的超连续谱产生的阈值以下。本发明通过支持以下实施例克服了上述的这种限制，在下面的实施例中，在获得低损失和高反射率的布拉格光栅所必须的足够长时间曝光的情况下，观察到没有可测损伤的超连续谱产生。实际上，对实施例1和2中描述的布拉格光栅测量了与在玻璃介质中出现的这些损伤有关的透射损失，并且发现小于约0.3dB。在腔内损失是关键问题的应用如光纤激光器中，这样低的透射损失并不是一种限制。

根据本发明的优选实施方式，发现为了获得写入过程所导致的在波导中的传播损失最小的高反射率光栅，在涉及低声子能量玻璃的光学器件中使用基频布拉格谐振是有利的。这些传播损失是由高能脉冲与低声子能量材料的相互作用导致的。低声子能量玻璃中的干涉高强度脉冲导致如在背景技术中详述的玻璃的热膨胀。这种玻璃膨胀防止折射率变化被局限在所形成的周期性结构中，从而导致类似正弦形状的光栅。如Hongzhi等在Opt.Comm.178，339，(2000)中所解释的，具有n级的周期性结构的光栅反射率与代表周期性结构的第n个傅里叶系数的值紧密相关。据此论文中报道，为了在饱和正弦布拉格光栅的第一和第二衍射级之间获得相同的约50％的反射率，与第一阶所必需的能量密度(fluence)相比，第二阶需要的能量密度要大50倍。在硅石波导中，发现折射率变化局限在所形成的周期性结构中，从而导致高度非正弦形状的光栅。这是由玻璃中强度依赖性的多声子吸收导致的，并且确保在高阶布拉格谐振处的高反射率。然而，即使在所得到结构的调和性(harmonicity)导致的大的折射率调制的情况下，低声子能量玻璃中高阶布拉格光栅的反射率也保持低的。在这种情况下，为了从基阶(fundamental)和高阶布拉格谐振获得相同的反射率，在高阶情况下曝光时间将长得相当多，并且最大反射率将保持是低的。然而，我们的试验表明，如果曝光时间大于约30s，则在波导中产生至少高达0.5dB的传播损失。因此，在低声子能量玻璃中，优选光栅为基阶而非高阶。通过使用如图2A和2B中所示的基频布拉格谐振，在氟化物基和硅石基光纤中均获得了反射率大于99.9％的光栅。

为了在短曝光时间后获得高反射性布拉格光栅，在低声子能量材料中使用高强度脉冲和基频布拉格谐振是重要的。然而，高强度脉冲与低声子能量玻璃的相互作用还导致热效应，如果不采取特别的措施以控制这些有害效应，则不像在熔凝硅石中所看到的那样，所述热效应阻碍了折射率调制规则地增加到大的值。因此，本发明涉及用于在空间上和时间上控制波导对这些光脉冲曝光的控制装置，以限制在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应。

与在熔凝硅石波导中观察到的相反，低声子能量玻璃中的光栅形成过程显示为更快且以不规则形式发生。实际上，光栅甚至可以在约0.5至可能数秒的时间量程上突然被完全擦除。此性质归因于在低声子能量玻璃内部出现的有害热效应，所述低声子能量玻璃具有与熔凝硅石明显不同的物理性质，主要包括低玻璃化转变温度、低热传导率、高热膨胀系数和陡峭的粘度-温度关系。必须采取一组措施以限制这些有害热效应的影响，并且允许写入强光栅。这些措施的重要性可以在图3中清楚地看出。实施例1中详述的设置被用于在单模氟化物基和硅石基光纤这两者中写入布拉格光栅。图3显示作为曝光时间函数的这种布拉格光栅的反射率的进展。对于硅石光纤，没有应用以下描述的对有害效应的控制，但是在约30秒的曝光时间后，所得到的布拉格光栅的反射率规则地增加至达到约99.9％的最大反射率。在氟化物基光纤中进行相同的试验，得到的反射率显示在图3中(方案1)，在该方案中，发现反射率以不规则方式生长，并且在35秒的曝光时间后达到不大于20％。当应用有害效应的控制时，在图3的方案2中所显示的在氟化物基光纤中写入的布拉格光栅迅速地生长，在约4秒的曝光时间后达到99.9％的反射率。此论证清楚地显示出控制这些有害效应的重要性，以在短曝光时间后获得高反射率布拉格光栅。

已确认了通过在空间上和时间上控制波导对光脉冲的曝光来控制有害热效应的不同方式，并且下面对它们进行解释。本领域的技术人员应当理解，取决于本发明的特定应用的参数，这些特征中的一些可以作为选择或组合地使用。

必须仔细选择脉冲能量和持续时间，尤其是脉冲串的重复率，使得在不过分加热波导的情况下，达到用于写入的强度阈值。再次参照图1，控制装置优选包括安置在光脉冲的路径中的调制元件32。调制元件32可以用于将原光束或两个干涉束时间调制成光脉冲串。在以下详述的实施例1中，从激光器直接控制脉冲持续时间和能量，同时通过调制元件32控制占空比，所述调制元件32可以通过机械断路器(mechanical chopper)、声光调制器或任何其它等同的方式实现。

发现必须非常精确地控制波导周围的曝光区域。实际上，观察到横向束自压缩产生折射率变化的窄道。1微米量级宽的这种窄道或所谓的丝明显小于例如光纤芯的典型尺寸。为了补偿此效应以及横跨波导均匀地分布折射率变化，优选将聚焦透镜34安装在压电台36上，从而沿波导22扫描光束。据观察，在某些情况下即使扫描的振幅和频率略微偏离最佳写入条件，也将阻碍光栅的形成或甚至将其消除。因此，这些参数对于写入过程可能是重要的。应当指出，尽管在此描述的方法基于对透镜扫描，但是任何其它等同方法都是有效的，比如相对于激光束移动波导，因此本发明的系统的控制装置可以包括任何扫描组件，所述任何扫描组件易于相对于聚焦元件或波导中的一个并且与光脉冲横向地扫描聚焦元件或波导中的另一个。

由于光栅形成非常迅速地发生，使用一旦所需光栅形成就停止曝光的快速计算机控制设置可能是有利的。因此图1的系统20的控制装置包括用于中断光脉冲对波导的曝光的中断机构，和与这种机构通信的监控组件，以监控波导的光学性质，并且当这些性质显示光栅形成时启动所述中断机构。在图1的系统中，监控组件包括宽带光源38和快速光电检测器40，所述快速光电检测器40测量透射的光从而实时地监控光栅强度。窄带通滤光器42用于去除带外光，从而允许光电检测器40提供光栅强度的精确值。将光电检测器信号发送到只要获得所需光栅强度就关闭电机械的快门46的计算机(未显示)。在此实施方案中，快门46因而起到中断机构的作用。当出现不能被有效控制的热效应在快门关闭后部分擦除光栅的情况时，所述设置优选以反馈回路操作，以保持快门46再次打开，直至达到所需光栅强度。应当理解，在不离开本发明的范围的情况下，还可以使用具有相同目的的任何类似设置。

由于高热膨胀系数，发现在波导为光纤的情况下，如果固定不够紧，则此光纤可能在写入过程中移动。为了避免此情况，可以设置光纤固定器44以在光束焦点的两侧固定光纤，所述光纤固定器44允许向光纤施加张力。作为选择，可以使用某些特别固定装置将光纤固定在适当位置上。光纤的暴露区域被空气包围以允许其有效地冷却。张力必须足够高，从而在玻璃的热膨胀将其拉伸的时候，保持光纤直且相对于激光束静止。另一方面，过高的张力将使光纤在其被激光束加热的时候断裂。可以使用补偿玻璃热膨胀的任何其它备选方案。

根据本发明的另一方面，还提供用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的一种方法。此方法包括以下步骤。应当理解，这些步骤并非要以依次顺序进行，并且所列举操作以任何合理顺序的任何实施都被理解为是在本发明的范围内。

所述方法首先包括步骤a)产生超短光脉冲，和步骤b)在波导中同步叠加这些光脉冲中的两束，从而在波导内部形成对应于所需衍射光栅的干涉图案。这些步骤优选通过产生光脉冲的原光束，和在接近波导的原光束的路径中设置相位掩模而完成。相位掩模优选具有选定的有利于所述衍射光栅的基频布拉格谐振的节距(pitch)。

如上所述，所述方法还包括步骤c)，即，聚焦光脉冲，使得波导内的光强度超过成丝阈值。出于此目的，可以在光源和相位掩模之间设置聚焦元件，该聚焦元件将光脉冲聚焦在波导上。

所述方法还包括步骤d)，即，在空间上和时间上控制光脉冲对波导的曝光，以限制这些光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应。此控制可以通过以下子步骤中的一个或数个完成。

步骤d)的控制可以首先包括：相对于聚焦元件和波导中的一个并且与光脉冲路径横向地扫描聚焦元件和波导中的另一个。步骤d)的控制还可以包括在时间上调制光脉冲以形成至少一个脉冲串。其还可以包括监控波导的光学性质，并且根据这些光学性质中断光脉冲对波导的曝光。步骤d)的控制还可以包括：将波导固定在固定的位置上并且任选地在其上施加张力。

实施例

以下和附图中显示使用上述方法和图1的示例性系统制备的衍射光栅的实例。

在用于这些实施例的设备中，飞秒激光源26是发射波长800nm和重复率1kHz的飞秒(fs)脉冲的Ti-蓝宝石再生放大器系统(Spectra-Physics)。在激光输出处产生45fs的傅里叶变换受限脉冲，但是当到达光纤时被加宽到115fs。在此实施方案中，在放大器系统的输出处使用1.2mJ的脉冲能量。计算机控制的电机械快门46被用于控制曝光时间。由两个透镜29形成的圆柱形望远镜被用于提供～5mm×7.5mm(强度1/e处的直径)的放大光束。为了避免阻碍光栅形成过程的加热效应，在950Hz使用50％占空比的机械断路器32，以降低光束的平均光功率，提供脉冲串。将焦距112mm的圆柱形透镜34用于通过第一阶硅石相位掩模31将光束聚焦在光纤芯23上。假设高斯束光学装置(optics)，光纤上的焦线(focal line)的宽度为2w～12μm。因此细长的焦斑的尺寸为12μm×7500μm。具有0.1nm分辨率的压电转换台(piezo translation stage)36被用于以恒定速率和8Hz的频率在10μm范围扫描圆柱形透镜34。仍在此优选实施方案中，使用由Le Verre Fluoré提供的包覆直径125μm、芯直径分别为6.8μm和5.0μm以及数值孔径分别为0.16和0.12的未掺杂和2000ppm铥掺杂ZBLAN光纤，但是可以使用任何类似光纤。在曝光之前将光纤的聚合物外壳去除，并且将光纤精确地平行于光束焦点排列。使用允许向光纤施加张力的光纤固定器44将光纤固定在光束焦点任一侧的两点上。在写入过程中向光纤施加的张力为约12MPa。使用两种在不同的UV级熔凝硅石基底上的相位掩模31，它们具有1070nm和992nm的均一节距，对应的基频布拉格谐振分别在约1.6μm和1.48μm波长处。由于相位掩模节距接近于写入波长(λ～0.8μm)，零级不能被抑制并且透射入射功率的～25％，从而对于每个±1级剩余35％的衍射效率。将光纤定位在距掩模320μm处，这离光束焦点足够远，从而避免相位掩模中的损伤和由于与零级光束干涉所产生的任何有害效应。监控设置由基于超连续谱的宽带光源38和分光器装置39构成，所述分光器装置39将透射光在光谱分析仪41和快速光电检测器40之间分开，以实时监控光栅形成。窄带通滤光器42被用于去除带外光，使得光电检测器40可以提供光栅强度的精确值。将光电检测器信号被发送到只要获得所需光栅强度就关闭电机械快门46的计算机。

实施例1

将上述设置用于在未掺杂单模ZBLAN光纤中写入布拉格光栅，并且为了对比，在无氢标准单模硅石光纤(SMF28)中写入布拉格光栅。对硅石光纤在图2A中，对氟化物光纤在图2B中，显示根据所描述的方法的优选实施方案所写入的布拉格光栅的透射光谱。对于硅石光纤，没有应用前述对有害热效应的控制，但是如图3(硅石光纤)中所示，所得到的布拉格光栅的反射率显示为规则生长，在约30秒的曝光时间后达到约99.9％的最大反射率。在未掺杂的氟化物基光纤中进行相同的试验，并且在图3(方案1)中显示所得到的峰值反射率的时间进展，在这种情况下，发现峰值反射率以不规则的方式生长，并且在35秒的曝光时间后达到不大于20％。当根据所描述的方法和系统的优选实施方案应用对有害效应的控制时，图3(方案2)中显示的在未掺杂的氟化物基光纤中写入的布拉格光栅的峰值反射率迅速地生长，在约4秒的曝光时间后达到约99.9％。

实施例2

还将上述设置用于在未掺杂的单模ZBLAN光纤和2000ppm铥掺杂单模ZBLAN光纤中写入布拉格光栅。将未掺杂光纤的曝光时间设定为约2秒，并且均一的相位掩模节距为1070nm。根据所描述的方法的优选实施方案得到的布拉格光栅的透射光谱显示在图6(a)中。对应光栅参数的数值模拟表明，1598.5nm处-17dB的透射倾斜对应于折射率调制(indexmodulation)Δn_AC为3.2×10^-4、反射率为95％的4.5mm长的均一光栅。通过截断法(cutback method)测量带外介入损失为小于0.3dB。将铥掺杂的光纤的曝光时间设定为约3秒，并且均一相位掩模节距为992nm。根据所描述的方法的优选实施方案得到的布拉格光栅的透射光谱显示在图4B中。1479.3nm处-20dB的透射倾斜对应于99％的光栅峰值反射率。因此，光纤芯中活性离子的存在似乎并未明显干扰感光过程。

从实用考虑，氟化物光纤中光栅的热稳定性是重要的问题。微型炉(ASP-500C)被用于将光栅退火和测量指数调制随温度的变化。在约3秒的过程中在相同的光纤中写入的与上述光栅类似的光栅的退火行为显示在图5中，其中每个点代表在恒温下退火30分钟后的Δn_AC。注意该光栅在低温下被部分擦除。在硅石光纤中写入的类似光栅在室温下相对较不易被擦除。此行为的主要原因是与熔凝硅石的玻璃化转变温度(Tg～1000℃)相比，ZBLAN的玻璃化转变温度(Tg～250℃)低。如图5中所示，所引起的折射率调制在125℃减小约50％。图中的插图还显示，在175℃的恒温下，折射率调制相对于退火时间指数级地下降，在～30分钟后达到渐近值。

为了确定折射率变化是正还是负，将光纤在另一个类似地写入的光栅的中心被分开，并且在657nm处通过折射近场(RNF)技术测量折射率分布。发明人使用获自EXFO的NR-9200HR光纤分析仪，该分析仪的空间分辨率为0.4μm并且折射率的分辨率为5×10^-5。然后将这样测量的光栅的横向折射率分布从对未曝光的光纤部分所测量的分布中减去。所得到的折射率变化分布显示在图6中(注意：折射近场设备提供在～500μm的深度上的平均dc折射率变化)。看起来所引起的折射率变化实际上是由平均Δn_(DC)为9.5×10^-4、在包覆区域和芯区域二者中延伸的16×10μm的大致矩形的区域组成的。在光纤横截面上横向扫描光束的效果易于显现，因为图(box)的高度对应光束焦点的10μm扫描范围。此测量实际上显示引起的折射率变化在曝光区域中基本上为负，而在沿对应于曝光边界的矩形周边为正。至于处于沿芯-包覆界面的正指数变化的环，发明人相信这是由该区域中突然的变化所产生的数学假象，尽管其也可能是产生于曝光之后芯玻璃材料的轻微膨胀或某些玻璃组分的扩散。这些测量与Sramek等在J.Non-Cryst.Solids 277，39(2000)中所报道的氟锆酸盐玻璃中的玻璃膨胀一致，导致负折射率变化。

如本领域技术人员应当认识到的，本发明提供有效且简便的方法在可用于许多应用中的低声子能量玻璃光学波导中写入布拉格光栅。特别重要的是，在上变频(upconversion)光纤激光器中用光纤布拉格光栅代替大体积的谐振腔反射镜(bulk cavity mirror)，从而提供具有精密线宽的、在所需波长处更有效率和凹凸不平的(rugged)的激光器件。可能更重要的是，这允许构造在熔凝硅石是不透明的且大于2μm的波长处工作的光纤激光器。这还允许设计各种全氟化物光纤部件和系统，它们可以在应用如光纤传感器、红外光谱学、激光烧蚀和组织的生物医学治疗的用途。由于折射率变化至少在本文中详述的方法的说明中显示为负，所以可以设想在色散补偿和干涉仪等中有意义的应用。

当然，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对上述实施方案进行许多变化。

Claims (11)

1.一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统，所述系统包括：

-光产生装置，用于产生超短光脉冲，其中所述光产生装置包括产生原光束的光源；

-光学组件，用于在所述波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在所述波导中形成对应于所述衍射光栅的干涉图案，所述光学组件聚焦所述光脉冲，使得所述波导内的光强度超过成丝阈值，所述光学组件包括相位掩模，所述相位掩模被设置在接近所述波导的所述原光束的路径中，其中所述光学组件还包括设置在所述光源和所述相位掩模之间的聚焦元件，所述聚焦元件将所述光脉冲聚焦在所述波导上；和

-控制装置，用于在空间上和时间上控制所述光脉冲对所述波导的曝光，以限制由所述光脉冲在所述玻璃介质中引起的光栅擦除热效应，其中所述控制装置择一或组合地包括以下各项：

i)扫描组件，所述扫描组件用于相对于所述聚焦元件和所述波导中的一个并且与所述光脉冲路径横向地扫描所述聚焦元件和所述波导中的另一个；

ii)设置在所述光脉冲的路径中的调制元件，所述调制元件在时间上调制所述光脉冲以形成所述光脉冲的至少一个脉冲串；和

iii)中断机构和用于监控所述波导的光学性质的监控组件，所述中断机构用于中断所述光脉冲对所述波导的所述曝光，所述监控组件与所述中断机构通信，以根据所述光学性质启动所述中断机构。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述相位掩模具有选定的有利于所述衍射光栅的基频布拉格谐振的节距。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制装置包括波导固定器，所述波导固定器用于将所述波导固定在固定的位置上。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述波导固定器在所述波导上施加张力。

5.一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统，所述系统包括：

-光源，用于产生超短光脉冲的原光束；

-光学组件，所述光学组件包括：

■相位掩模，所述相位掩模被设置在接近所述波导的所述原光束的路径中，用于在所述波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在所述波导中形成对应于所述衍射光栅的干涉图案；以及

■聚焦元件，所述聚焦元件被设置在所述光源和所述相位掩模之间，所述聚焦元件将所述光脉冲聚焦在所述波导上，使得所述波导中的光强度超过一个值，以使得达到永久改变所述玻璃介质的临界等离子体密度；以及

-控制装置，所述控制装置用于在空间上和时间上控制所述光脉冲对所述波导的曝光，以限制由所述光脉冲在所述玻璃介质中引起的光栅擦除热效应；所述控制装置包括：

■扫描组件，用于相对于所述聚焦元件和波导中的一个并且与所述光脉冲路径横向地扫描所述聚焦元件和波导中的另一个；

■调制元件，所述调制元件被设置在所述光脉冲的路径中，所述调制元件在时间上调制所述光脉冲，以形成所述光脉冲的至少一个脉冲串；

■中断机构，所述中断机构用于中断所述光脉冲对所述波导的所述曝光；以及

■监控组件，用于监控所述波导的光学性质，所述监控组件与所述中断机构通信，以根据所述光学性质启动所述中断机构。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述控制装置包括波导固定器，所述波导固定器将所述波导固定在固定的位置上，所述波导固定器在所述波导上施加张力。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述波导中的光强度值为10TW/cm²的量级。

8.一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的方法，所述方法包括以下步骤：

a)产生超短光脉冲；

b)在所述波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在所述波导中形成对应于所述衍射光栅的干涉图案；

c)聚焦所述光脉冲，使得所述波导中的光强度超过成丝阈值；以及

d)在空间上和时间上控制所述光脉冲对所述波导的曝光，以限制由所述光脉冲在所述玻璃介质中引起的光栅擦除热效应，

其中步骤a)所述的产生步骤包括产生所述光脉冲的原光束，并且步骤b)所述的叠加步骤包括在接近所述波导的所述原光束的路径中设置相位掩模，

其中步骤c)所述的聚焦步骤包括在所述光源和所述相位掩模之间设置聚焦元件，所述聚焦元件将所述光脉冲聚焦在所述波导上，

其中所述在空间上和时间上控制所述光脉冲对所述波导的曝光择一或组合地包括以下各项：

i)相对于所述聚焦元件和所述波导中的一个并且与所述光脉冲路径横向地扫描所述聚焦元件和所述波导中的另一个；

ii)在时间上调制所述光脉冲以形成所述光脉冲的至少一个脉冲串；和

iii)监控所述波导的光学性质，并且根据所述光学性质中断所述光脉冲对所述波导的所述曝光。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述相位掩模具有选定的有利于所述衍射光栅的基频布拉格谐振的节距。

10.根据权利要求8所述的方法，其中步骤d)所述的控制步骤包括将所述波导固定在固定的位置上。

11.根据权利要求8所述的方法，其中步骤d)所述的控制步骤包括在所述波导上施加张力。

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