CN102096143B - 一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置及方法，属于光通信-光纤传感技术领域。采用了一种基于掩模法的利用激光光斑与光纤夹持具相互垂直并同步扫描的装置，主要由激光器101、透镜组108、水平扫描平台105，反7型相位掩模板夹持具109、1/4圆弧型光纤夹持架111、升降移动台112、光谱仪113、控制电脑组成116，所述的水平扫描平台105实现激光光斑的水平扫描，升降移动台112实现与水平移动台105同步的升降扫描，水平移动速度与升降速度的关系由所写闪耀角度θ决定。

Description

一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置及方法

技术领域

本发明涉及一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置及方法，属于光通信-光纤传感技术领域。具体地说是一种基于掩模法的利用激光光斑与光纤夹持具相互垂直并同步扫描的具有任意倾斜角度特别是大角度(倾斜角度大于10度)闪耀光纤制作装置。

背景技术

近几年来，随着光纤传感技术的进步与光栅写制技术的提高，闪耀光纤光栅逐渐引起了研究人员的重视。闪耀光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，它与一般光纤布喇格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴线方向有一定的夹角。闪耀光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还能将基模耦合到包层模中形成辐射模，利用辐射模，即可将不同波长的光以不同角度从光纤中耦合出来，经会聚光学系统后形成空间光强分布。闪耀光纤光栅的这一特性可以用作分光器件，完成相应波段光波长解调的功能。经过研究人员的研究发现，闪耀光纤光栅由于能够将光纤芯中的特定波段的光通过辐射模的形式辐射出光纤，具备与一般布喇格光栅和长周期光纤光栅不同的滤波特性。同时闪耀光纤光栅与普通的光纤具有良好的接续性和兼容性，这使得闪耀光纤光栅在光纤传感方面具备巨大的应用潜力。

目前，常用的利用相位掩模法制作闪耀光纤光栅的方法如下：将相位掩模板倾斜固定、光纤水平放置，使掩模板与光纤成一定角度，让激光光斑沿光纤水平扫描。设掩模板的掩模长度为L，宽度为D，则可以得到利用上述方法制出的最大倾斜角度为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{D}{L}$

通常掩模的长度L远大于宽度D，可知这种方法虽然能够成功写出闪耀光栅，但是写出的闪耀光栅的倾斜角度受到掩模板掩模尺寸的限制，只能写出倾斜角度很小的闪耀光栅，这种局限让闪耀光纤特别是大角度的闪耀的深入研究以及实际应用遭遇了瓶颈式的障碍。

发明内容

本发明提供一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置及方法，基于掩模法的利用激光光斑与光纤夹持具相互垂直并同步移动的任意倾斜角度的闪耀光纤的制作装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于步进扫描的任意角度闪耀光纤光栅的制作装置，激光器水平放置在防震台上，在激光器输出激光端约15cm处放置光衰减透镜，再在光衰减透镜的激光输出端顺次安置全反射镜和光聚焦镜，全反射镜和光聚焦镜安装在水平位移平台上，水平移动平台的可来回移动方向与激光器输出激光方向平行，全反射镜的反射端面与激光输入方向呈45度角，在距光聚焦镜输出端约50cm处放置相位掩模板夹持具，相位掩模板放置在相位掩模板夹持具上且保持水平，在相位掩模板夹持具的激光输出方向安置升降移动台，1/4圆弧型的光纤夹持具装在升降移动平台上面，1/4圆弧型的光纤夹持具可通过旋钮调节与掩模板之间的水平距离，水平移动台、相位掩模板夹持具、升降移动台均安装在同一个防震平台上；

水平移动平台与升降移动台的驱动电机均与控制计算机连接，由控制计算机分别给出水平移动平台、升降移动台的移动速度信号；

宽带光源的输出尾纤与光环形器的1口接，待制作光栅的光纤一端与光环形器的2口熔接、另一端与一根光纤跳线熔接，光环形器的3口与一根光纤跳线熔接，在制作光栅的过程中可通过插接这两个光纤跳线检测光栅的透射谱与反射谱；

掩模板卡槽分为上下两部分，卡槽挡板与卡槽底部垂直，位于下边的卡槽固定不动，上边的卡槽由螺母控制可以上下垂直移动，上下卡槽内底部均有消应力橡胶垫块；

掩模板夹持具的主体部分呈反7型，旋钮用于不同掩模板长度时调节相位掩模板夹持具的间距。

一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作方法，含有以下步骤：

步骤1.零点的校正：

进行零点校正；这里先设定1/4圆弧光纤夹持架的圆心点为初始零点位置，零点校正采用以下步骤实现：

步骤1.1：将相位掩模板夹持具和1/4圆弧型的光纤夹持具的0度线调整到水平，且让光纤与掩模板的掩模宽度D的中心位置处于水平线；

步骤1.2：让水平移动平台走到1/4圆弧光纤夹持架的圆心点同一边的某一位置，此位置为能让激光光斑以正常情况通过掩模板的掩模打到光纤上，且此时激光光斑应该尽可能地靠近掩模的端点；

步骤1.3：测量激光光斑位置与初始零点位置的距离，设为C；

步骤1.4：判断此时的激光光斑是否符合要求；如果满足要求，则可将此时的距初始零点位置为C的点为零点，同时将水平移动台此时的位置定为零点；如果不满足要求，则重复步骤1.2、步骤1.3直到满足要求；

步骤2.任意角度的闪耀光纤光栅的制作：

采用激光光斑水平扫描的方向从圆形可任意转动光纤夹持具的圆心到1/4圆弧架；当需要制作的闪耀光纤的闪耀角度为θ时，采用如下几个步骤来实现：

步骤2.1：将弧形光纤夹持具固定在1/4圆弧架对应的θ角角度位置；

步骤2.2：将升降台向下位移H_θ，其具体表达式为：

H_θ＝C×tanθ

其中C为零点的位置与1/4圆弧光纤夹持架圆心点的距离；

步骤2.3：利用激光光斑水平扫描，同时使夹持光纤的升降位移台与水平扫描同步扫描，水平扫描速度与升降速度的关系仅由光纤与水平线所成夹角θ决定，具体关系式为：

$\frac{V_2}{V_1}=\tan \mathrm{\θ}$

V₁为激光光斑水平扫描速度；V₂为升降平台扫描速度，即光纤扫描轨迹的速度。

本发明的有益效果：本发明利用了写制普通光纤光栅的相位掩模板来写制具有任意角度的闪耀光纤光栅，这为研究人员深入研究闪耀光纤光栅提供了一次机遇，也为闪耀光纤光栅(特别是大角度闪耀光纤光栅)广泛实用化提供了一种可能。

附图说明

图1为本发明的具有任意角度的闪耀光纤光的栅制作装置整体示意图；

图2为本发明的相位掩模板示意图；

图3为本发明的1/4圆弧型光纤夹持具示意图；

图4为本发明的相位掩模板夹持具侧面示意图。

图中，激光器101、光衰减透镜102、全反射镜103、光聚焦镜104、水平移动平台105、相位掩模板110、反7型相位掩模板夹持具109、1/4圆弧型的光纤夹持具111、升降移动台112、光谱分析仪113、光环形器115、宽带光源114、控制计算机116、掩模板的掩模201、刻有0-90度角刻度的1/4圆弧架301、圆形可任意转动的光纤夹持具302、弧形光纤夹持具303、待写制光栅的光纤304、掩模板卡槽402、消应力橡胶垫块403、旋钮404。

具体实施方式

实施例1：

一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作装置，主要包括：激光器101、光衰减透镜102、全反射镜103、光聚焦镜104、相位掩模板110、相位掩模板夹持具109、水平移动平台105、1/4圆弧型的光纤夹持具111、升降移动台112、光谱分析仪113、光环形器115、宽带光源114、控制计算机116

这些装置的特点如下：

激光器101水平放置在防震台上，在激光器101输出激光端约15cm处放置光衰减透镜102，再在光衰减透镜102的激光输出端顺次安置全反射镜103和光聚焦镜104，全反射镜103和光聚焦镜104安装在水平位移平台105上，水平移动平台105的可来回移动方向与激光器101输出激光方向平行，全反射镜103的反射端面与激光输入方向呈45度角，在距光聚焦镜104输出端约50cm处放置相位掩模板夹持具109，相位掩模板110放置在相位掩模板夹持具上且保持水平，在相位掩模板夹持具109的激光输出方向安置升降移动台112，1/4圆弧型的光纤夹持具111安装在升降移动平台112上面，1/4圆弧型的光纤夹持具111可通过旋钮调节与掩模板之间的水平距离，水平移动台105、相位掩模板夹持具109、升降移动台112均安装在同一个防震平台上。

水平移动平台105与升降移动台112的驱动电机均与控制计算机116连接，由控制计算机116分别给出水平移动平台105、升降移动台112的移动速度信号。

宽带光源114的输出尾纤与光环形器115的1口熔接，待制作光栅的光纤一端与光环形器的2口熔接、另一端与一根光纤跳线熔接，光环形器115的3口与一根光纤跳线熔接，在制作光栅的过程中可通过插接这两个光纤跳线检测光栅的透射谱与反射谱。

光环形器115的1口、2口、3口均为现有产品接口的通用称谓。

相位掩模板夹持具109的侧视图如图2所示，掩模板卡槽402分为上下两部分，卡槽挡板与卡槽402底部垂直，位于下边的卡槽402固定不动，上边的卡槽402由螺母401控制可以上下垂直移动，上下卡槽402内底部均有消应力橡胶垫块403；

掩模板夹持具109的主体部分405呈反7型，旋钮404用于不同掩模板长度时调节相位掩模板夹持具109的间距。

1/4圆弧型光纤夹持具111如图3所示，包括刻有0-90度角刻度的1/4圆弧架301，此圆弧架的半径可以根据实际需求改变，且圆弧架须固定在升降移动台上；

圆形可任意转动的光纤夹持具302的圆心点与1/4圆弧架301的圆心点重合；

圆形可任意转动的光纤夹持具302的光纤夹持槽通过圆心且通过吸合来固定光纤；

弧形光纤夹持具303的弧度与1/4圆弧架301的弧度相同。

一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作方法，含有以下步骤：

步骤1.零点的校正：

进行零点校正；这里先设定1/4圆弧光纤夹持架111的圆心点为初始零点位置，零点校正可以采用以下步骤实现：

步骤1.1：将相位掩模板夹持具109和1/4圆弧型的光纤夹持具111的0度线调整到水平，且让光纤与掩模板110的掩模201宽度D的中心位置处于水平线。

步骤1.2：让水平移动平台105走到1/4圆弧光纤夹持架111的圆心点同一边的某一位置，此位置为能让激光光斑以正常情况通过掩模板110的掩模201打到光纤上，且此时激光光斑应该尽可能地靠近掩模201的端点；

步骤1.3：测量激光光斑位置与初始零点位置的距离，设为C；

步骤1.4：根据经验判断此时的激光光斑是否符合要求；如果满足要求，则可将此时的距初始零点位置为C的点为零点，同时将水平移动台此时的位置定为零点；如果不满足要求，则重复步骤1.2、步骤1.3直到满足要求；

步骤2.任意角度的闪耀光纤光栅的制作：

采用激光光斑水平扫描的方向从圆形可任意转动光纤夹持具302的圆心到1/4圆弧架301；当需要制作的闪耀光纤的闪耀角度为θ时，采用如下几个步骤来实现：

步骤2.1：将弧形光纤夹持具303固定在1/4圆弧架301对应的θ角角度位置；

步骤2.2：将升降台向下位移H_θ，其具体表达式为：

H_θ＝C×tanθ

其中C为实例1中所确定的零点的位置与1/4圆弧光纤夹持架111圆心点的距离。

步骤2.3：利用激光光斑水平扫描，同时使夹持光纤的升降位移台与水平扫描同步扫描，水平扫描速度与升降速度的关系仅由光纤与水平线所成夹角θ决定，具体关系式为：

$\frac{V_2}{V_1}=\tan \mathrm{\θ}$

V₁为激光光斑水平扫描速度；V₂为升降平台扫描速度，即光纤扫描轨迹的速度。

相位掩膜板夹持具中，为了实现光纤在写制过程中成功扫描采用的反7型结构。

一种基于步进扫描的任意角度闪耀光纤光栅的制作方法，有采用掩模板夹持具固定掩模板，在整个光纤写制过程中固定不动，由1/4圆弧型光纤夹持架做与水平移动平台同步的垂直升降移动的步骤。

有掩模板固定不动，光纤夹持具扫描轨迹与掩膜板中掩模的模线平行的扫描方式的步骤。

有采用掩膜板固定不动，由光纤夹持具夹持光纤扫描的方式的步骤。

采用圆弧状光纤夹持具任意调整光纤夹角的方式的步骤。

Claims (2)

1.一种基于步进扫描的任意角度闪耀光纤光栅的制作装置，其特征是：

激光器水平放置在防震台上，在激光器输出激光端约15cm处放置光衰减透镜，再在光衰减透镜的激光输出端顺次安置全反射镜和光聚焦镜，全反射镜和光聚焦镜安装在水平位移平台上，水平移动平台的可来回移动方向与激光器输出激光方向平行，全反射镜的反射端面与激光输入方向呈45度角，在距光聚焦镜输出端约50cm处放置相位掩模板夹持具，相位掩模板放置在相位掩模板夹持具上且保持水平，在相位掩模板夹持具的激光输出方向安置升降移动台，1/4圆弧型的光纤夹持具装在升降移动平台上面，1/4圆弧型的光纤夹持具可通过旋钮调节与掩模板之间的水平距离，水平移动台、相位掩模板夹持具、升降移动台均安装在同一个防震平台上；

水平移动平台与升降移动台的驱动电机均与控制计算机连接，由控制计算机分别给出水平移动平台、升降移动台的移动速度信号；

宽带光源的输出尾纤与光环形器的1口熔接，待制作光栅的光纤一端与光环形器的2口熔接、另一端与一根光纤跳线熔接，光环形器的3口与一根光纤跳线熔接，在制作光栅的过程中可通过插接这两个光纤跳线检测光栅的透射谱与反射谱；

掩模板卡槽分为上下两部分，卡槽挡板与卡槽底部垂直，位于下边的卡槽固定不动，上边的卡槽由螺母控制可以上下垂直移动，上下卡槽内底部均有消应力橡胶垫块；

掩模板夹持具的主体部分呈反7型，旋钮用于不同掩模板长度时调节相位掩模板夹持具的间距；

1/4圆弧型光纤夹持具包括刻有0-90度角刻度的1/4圆弧架，此圆弧架的半径可以根据实际需求改变，且圆弧架须固定在升降移动台上；

圆形可任意转动的光纤夹持具的圆心点与1/4圆弧架的圆心点重合；

圆形可任意转动的光纤夹持具的光纤夹持槽通过圆心且通过吸合来固定光纤；

弧形光纤夹持具的弧度与1/4圆弧架的弧度相同；

水平移动平台的移动速度V1与垂直升降移动台的移动速度V2通过控制计算机给出，其关系由光纤夹持角度θ决定，其具体表达式为

2.一种具有任意倾斜角度的闪耀光纤光栅制作方法，含有以下步骤：

步骤1．零点的校正：

进行零点校正；这里先设定1/4圆弧光纤夹持架的圆心点为初始零点位置，零点校正采用以下步骤实现：

步骤1.1：将相位掩模板夹持具和1/4圆弧型的光纤夹持具的0度线调整到水平，且让光纤与掩模板的掩模宽度D的中心位置处于水平线；

其中，所述的相位掩膜板夹持具中，为了实现光纤在写制过程中成功扫描,采用的反7型结构；

步骤1.2：让水平移动平台走到1/4圆弧光纤夹持架的圆心点同一边的某一位置，此位置为能让激光光斑以正常情况通过掩模板的掩模打到光纤上，且此时激光光斑应该尽可能地靠近掩模的端点；

步骤1.3：测量激光光斑位置与初始零点位置的距离，设为C；

步骤1.4：判断此时的激光光斑是否符合要求；如果满足要求，则可将此时的距初始零点位置为C的点为零点，同时将水平移动台此时的位置定为零点；如果不满足要求，则重复步骤1.2、步骤1.3直到满足要求；

步骤2．任意角度的闪耀光纤光栅的制作：

采用激光光斑水平扫描的方向从圆形可任意转动光纤夹持具的圆心到1/4圆弧架；当需要制作的闪耀光纤的闪耀角度为θ时，采用如下几个步骤来实现：

步骤2.1：将弧形光纤夹持具固定在1/4圆弧架对应的θ角角度位置；

步骤2.2：将升降台向下位移H_θ,其具体表达式为：

H_θ=C×tanθ

其中C为零点的位置与1/4圆弧光纤夹持架圆心点的距离；

步骤2.3：利用激光光斑水平扫描，同时使夹持光纤的升降位移台与水平扫描同步扫描，水平扫描速度与升降速度的关系仅由光纤与水平线所成夹角θ决定，具体关系式为：

$\frac{V_2}{V_1}=\tan \mathrm{\θ}$

V₁为激光光斑水平扫描速度；V₂为升降平台扫描速度，即光纤扫描轨迹的速度；

采用掩模板夹持具固定掩模板，在整个光纤写制过程中固定不动，由1/4圆弧型光纤夹持架做与水平移动平台同步的垂直升降移动；

掩模板固定不动，光纤夹持具扫描轨迹与掩膜板中掩模的模线平行的扫描方式；

或采用掩膜板固定不动，由光纤夹持具夹持光纤扫描的方式；

采用圆弧状光纤夹持具任意调整光纤夹角的方式。

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