CN102221727A

CN102221727A - 实现一次曝光的切趾装置及方法

Info

Publication number: CN102221727A
Application number: CN2011102003759A
Authority: CN
Inventors: 何伟
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-07-18
Also published as: CN102221727B

Abstract

本发明提供了实现一次曝光的切趾光纤光栅制作装置，此装置是在原有常规相位掩模板光纤光栅制作装置的基础上，加了一块特殊设计制作的凹形柱面反射镜。利用此装置可以一次同时完成切趾光纤光栅制作的两种曝光，具体方法是：具有切趾分布的紫外光经过聚焦柱透镜聚焦，透过相位掩模板在光敏光纤上写光纤光栅；越过光纤光栅的紫外光入射到凹形柱面反射镜后，由凹形柱面反射镜将一部分紫外光反射回去，反射回去的紫外光在光纤光栅处重新聚焦，并形成反切趾分布对光纤光栅进行折射率直流整形曝光，完成切趾光纤光栅的制作。本方法可以避免移动相位掩膜板和更换光阑，提高切趾光纤光栅的制作效率。

Description

实现一次曝光的切趾装置及方法

技术领域

本发明属于光纤光栅制作技术领域，特别是一种实现一次曝光的切趾装置及方法。

背景技术

光纤光栅已经在通信、传感等领域得到广泛地应用，光纤光栅的制作已经形成工业化生产规模，光纤光栅制作技术直接决定了光纤光栅生产的质量和效率。目前常用的规模化光纤光栅制作技术是采用普通相位掩模板（相对切趾掩模板而言），使用普通相位掩模板和均匀紫外光制作光纤光栅，其反射谱中存在较大的旁瓣，这被认为是源于光栅两端的F-P效应，为了消除反射旁瓣，可以采用切趾分布的光斑写光栅，切趾分布光斑写的光栅，其短波沿有次峰，这被认为是由于切趾分布光斑形成的光栅折射率直流变化不均匀所致，为消除这种不均匀，可使用与切趾分布共轭互补的反切趾分布光斑对写入的光纤光栅进行二次曝光，使光纤光栅的折射率直流变化均匀，这就是二次曝光切趾方法。所谓切趾分布如图1所示，是一种中间大，两边逐渐变小的钟形分布，典型的钟形分布有高斯分布、超高斯分布、升余弦分布、汉明分布以及柯西分布等。反切趾分布如图2所示，其为相对切趾分布共轭互补的分布。

目前用于写光纤光栅的准分子激光光斑，在短轴方向具有一定的钟形分布形态，为了得到更好的切趾分布，有一种方法是加特殊形状的光阑对光斑进行调制，如图3所示的菱型切趾光阑和图5所示高斯型切趾光阑；图4为菱型反切趾光阑，其对应图3的菱型切趾光阑；图6为高斯型反切趾光阑，其对应图5的高斯型切趾光阑。写光栅时，将菱型切趾光阑或高斯型切趾光阑置于光路中合适的位置，对激光光斑形态进行调制。光栅写好后，将菱型切趾光阑或高斯型切趾光阑移开，换上对应的菱型反切趾光阑或高斯型反切趾光阑，并移开相位掩模板4，对光栅写入位置进行二次曝光。

2003年公开的一项名为“任意切趾的光纤光栅制作方法及其系统”的发明专利（公开号：CN 1415981A），用计算机程序控制一个宽度与光斑相等的矩形光阑在光路中变速旋转，光阑的旋转轴与光斑中心轴正交，对透过的光斑分布进行调制，通过旋转速度的变化获得任意形状的切趾分布，调制过的光斑经掩模板在光敏光纤中写入光栅。光栅写好后，将光阑换成等宽度的挡板，同时移开掩模板，挡板在计算机程序控制下，作一种与光阑相同的变速旋转，形成反切趾分布，对写成的光栅进行二次曝光。

二次曝光是目前使用最多、最有效的切趾方法。但这种方法的缺点是光纤光栅制作过程中要移动掩模板，换光阑，需要两次曝光，这样光纤光栅的生产效率大打折扣，同时激光能量消耗成倍增加。为了克服二次曝光的缺点，有人考虑一次曝光切趾方法，如2005年公开的一项名为“一次曝光实现光纤光栅多种函数切趾的方法”的发明专利（公开号：CN 1607406A），这一方法用了一块特制的振幅掩模板，这块特制振幅掩模板的中间是切趾分布的透射光阑，旁边是紫外全反镜，通过特殊振幅掩模板的均匀紫外光被分成两路，一路光透过特殊振幅掩模板，具有切趾分布，经柱透镜和相位掩模板聚焦到光敏光纤上写光栅；另一路光经特殊振幅掩模板反射，形成具有与透射光分布共轭互补的反切趾分布，反射光再经过三块紫外全反镜，被引到光纤光栅写入的另一面，从与透射光相反的方向聚焦到光纤光栅上，这样二次曝光的两种曝光同时完成，也就成了一次曝光。这种方法需要均匀紫外光斑，由于准分子激光器的光斑实际上是不均匀的，要获得均匀紫外光斑，激光能量的损耗是很大的。这一方法的最大问题是结构复杂，可变因素太多，要想将两路光的焦线调节到完全重合非常困难，所以难以实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单的能够实现一次曝光的切趾装置；还提供利用该装置实现一次曝光的切趾方法，该方法可以一次同时完成两种曝光，并且不需要均匀紫外光斑，只要光斑钟形分布的上下沿分别对于半程点对称，实现起来比较容易。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的实现一次曝光切趾装置，主要由紫外光、聚焦柱透镜、相位掩模板、光敏光纤和凹形柱面反射镜组成，它们依次排列在紫外光路上。

所述凹形柱面反射镜由基底和高反射膜组成。基底的凹形柱面需要光学表面，其上针对写光栅的紫外光镀高反射膜。

所述基底材料由玻璃制成，该玻璃为普通光学玻璃或石英玻璃。

所述凹形柱面反射镜的凹形柱面上镀高反射膜（反射率越高越好），针对写光栅的紫外光波长，高反射膜的材料可以是金属膜（如铝），或多层介质膜（如氧化锆和氧化硅）。

所述凹形柱面反射镜的凹形柱面曲率半径由写光栅的紫外光的波长

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE004

，相位掩模板的条纹周期

，以及所写光纤光栅的长度来决定，计算公式为：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE010

（1）

所述凹形柱面反射镜上的高反射膜长度

由所写光纤光栅的长度来决定，计算公式为：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE014

（2）

为了方便操作使用，实际制作中基底的凹形柱面长度可以大于

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE016

，但其上的高反射膜长度一定要等于

。

所述凹形柱面反射镜的凹形柱面高度

由平行紫外光高度

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE020

，聚焦柱透镜的焦距

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE022

，及凹形柱面的曲率半径

来决定，需满足以下关系：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE024

（3）

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE026

一般是一个很小的值。但实际上聚焦光斑不是理想的线，有一定的宽度。另外光敏光纤一般不是严格地处在焦线处，因此到达凹形柱面上的光斑高度不是严格等于

，到达凹形柱面上的光斑高度以实际测量为准。为了加工和操作方便，该凹形柱面的高度

可以稍微大一些，但不要太大，以免操作不方便。在凹形柱面高度方向上基底材料可以高一些，以方便凹形柱面反射镜的夹装。

所述基底的厚度

（图9）必须满足以下关系：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE030

（4）

实际制作中，基底的厚度

要做得稍微厚一些，以满足凹形柱面反射镜10的强度要求，太薄了凹形柱面反射镜容易损坏，但也不要做得太厚，以免浪费材料。

所述凹形柱面反射镜放置在紫外光入射到光敏光纤的后面；凹形柱面反射镜的柱面轴线与光敏光纤重合；凹形柱面反射镜的长度中点与光纤光栅长度中点的连线与入射紫外光光束中轴线重合。

本发明提供的实现一次曝光切趾方法，是利用上述一次曝光切趾装置来实现的，具体是：具有切趾分布的紫外光经过聚焦柱透镜聚焦，透过相位掩模板在光敏光纤上写光纤光栅；透过相位掩模板的紫外光形成的两束一级衍射光，入射到凹形柱面反射镜后，由凹形柱面反射镜分别将两束一级衍射光的一半反射回去，反射回去的两束反射光在光纤光栅上重新聚焦，其焦线在光纤光栅处正好首尾相连，连起来的焦线刚好将光纤光栅完全覆盖，并形成反切趾分布对光纤光栅进行折射率直流整形曝光，完成切趾光纤光栅的制作。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一，该装置结构简单，增加成本少，只需在原有常规相位掩模板光纤光栅制作装置的基础上，加上一块特殊设计的凹形柱面反射镜即可，容易实现。

其二，该方法避免了二次曝光，可以将二次曝光的两种曝光一次同时完成，充分利用了紫外激光能源。

其三，该方法不用移动相位掩膜板和更换光阑，一次曝光成功，提高了切趾光纤光栅的制作效率。

附图说明

图1是切趾分布示意图。

图2是反切趾分布示意图。

图3是菱型切趾光阑示意图。

图4是菱型反切趾光阑示意图。

图5是高斯型切趾光阑示意图。

图6是高斯型反切趾光阑示意图。

图7是基于凹形柱面反射镜的一次曝光切趾方法原理俯视示意图。

图8是基于凹形柱面反射镜的一次曝光切趾方法原理侧平视示意图。

图9是凹形柱面反射镜立体示意图。

图中：1.紫外光； 2.光斑调制光阑； 3.聚焦柱透镜； 4.相位掩模板； 5.光敏光纤；6.光纤光栅； 7.写光栅紫外光光斑分布； 8.光斑分布上下沿半程点； 9.一级衍射光； 10.凹形柱面反射镜； 11.反射光在光栅处的光斑分布； 12.反射光； 13.基底； 14.高反射膜。

具体实施方式

本发明在常规的光纤光栅写入装置中，增加一块特殊设计制作的凹形柱面反射镜，凹形柱面反射镜放置在紫外光路上，位于写入光纤光栅的光敏光纤后面，即相对相位掩模板的一面。写光栅的平行紫外光束，通过光斑调制光阑（光斑分布比较好的紫外光不需调制光阑）形成切趾分布光斑，切趾分布光斑经过柱透镜聚焦，透过相位掩模板在光敏光纤上写光栅。透过相位掩模板的紫外光形成一定衍射角的两束一级衍射光，两束一级衍射光入射到凹形柱面反射镜上，凹形柱面反射镜分别将两束一级衍射光的一半反射回去，两反射光光斑在光纤光栅上重新聚焦，两反射光光斑焦线在光纤光栅处正好首尾相连，连起来的焦线刚好将光纤光栅完全覆盖，并形成反切趾分布对光纤光栅进行折射率直流整形曝光。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的实现一次曝光切趾装置，是在常规的光纤光栅写入装置中增加一块凹形柱面反射镜10，凹形柱面反射镜放置在紫外光路上，位于写入光纤光栅的光敏光纤后面，即相对相位掩模板的一面。该装置的结构如图7和图8所示：由依次排列的紫外光1、聚焦柱透镜3、相位掩模板4、光敏光纤5和凹形柱面反射镜10组成。如果紫外光光斑分布不理想，可在聚焦柱透镜3的前方加一块光斑调制光阑2对光斑分布进行调制。

所述凹形柱面反射镜10，其凹形柱面需要光学表面，在凹形柱面上镀高反射膜14。

所述写光栅紫外光光斑分布7，如图7所示，为紫外光1聚焦到光敏光纤5上沿光纤轴线的光强分布，其形态为中间光强大，两边光强逐渐变小的切趾分布。

所述写光栅紫外光光斑分布7的光斑分布上下沿半程点8如图7所示，此点的位置为写光栅紫外光光斑分布7的两边最小光强处到中间光强最大处的两个中点，此两点的光强等于写光栅紫外光光斑分布7中间最大光强减去边上最小光强值的一半。

所述写光栅紫外光光斑分布7的光斑分布分别对于半程点对称，其上下沿为写光栅紫外光光斑分布7的光强由小变大和由大变小，光强由小变大，称上升沿，光强由大变小，称下降沿；其所谓对于半程点对称，即在上升沿或下降沿中，光斑分布上下沿半程点8两边离半程点8距离（

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE032

）相等的任意两点，这两点的光强与所述半程点8处的光强之差的绝对值相等。

所述反射光在光栅处的光斑分布11如图7所示，为紫外光1经过相位掩模板4形成的两束一级衍射光，经凹形柱面反射镜10反射，重新聚焦到光纤光栅6上，沿光纤轴线的光强分布，其形态为中间光强小，两边光强逐渐变大的反切趾分布。

所述凹形柱面反射镜10的结构如图9所示：由基底13和高反射膜14组成。所述基底13的材料为玻璃（如普通光学玻璃或石英玻璃），该基底的凹形柱面需要光学表面，其上针对紫外光1镀高反射膜14（反射率越高越好）。高反射膜14的材料可以是金属膜（如铝），或多层介质膜（如氧化锆和氧化硅）。

所述基底13的凹形柱面曲率半径

由紫外光1的波长

，相位掩模板4的条纹周期

，以及所写光纤光栅6的长度

（图7）来决定，计算公式为：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE034

（1）

所述基底13的凹形柱面上高反射膜14的长度

（图7）由所写光纤光栅6的长度来决定，计算公式为：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE036

（2）

为了方便操作使用，实际制作中基底13的凹形柱面长度可以大于

，但其上高反膜14的长度

一定要等于

。

所述基底13的凹形柱面高度

（图7）由紫外光1的高度

，聚焦柱透镜3的焦距

，及所述凹形柱面的曲率半径

来决定，需满足以下关系：

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE038

（3）

一般是一个很小的值。但实际上聚焦光斑不是理想的线，有一定的宽度。另外光敏光纤5一般不是严格地处在焦线上，因此到达基底13的凹形柱面上的光斑高度不是严格等于，到达该凹形柱面上的光斑高度以实际测量为准。为了加工和操作方便，该凹形柱面的高度

可以稍微大一些，但不要太大，以免加工和使用不方便。在凹形柱面高度方向上基底13材料可以高一些，以方便凹形柱面反射镜10的夹装。

所述基底13的厚度

（图9）必须满足以下关系：

（4）

实际制作中，基底13的厚度

要做得稍微厚一些，以满足凹形柱面反射镜10的强度要求，太薄，凹形柱面反射镜10容易损坏，但也不要做得太厚，以免浪费材料。

所述凹形柱面反射镜10放置在紫外光1入射到光敏光纤5的后面。凹形柱面反射镜10的柱面轴线与光敏光纤5重合；凹形柱面反射镜10的高反射膜14长度

中点与光纤光栅6长度

中点的连线与入射紫外光1的光束中轴线重合。

本发明提供的实现一次曝光切趾方法是基于凹形柱面反射镜的一次曝光切趾方法，该方法由上述一次曝光切趾装置实现的，具体是：写光栅的平行紫外光束即紫外光1，通过光斑调制光阑2（光斑分布比较好的紫外光不需调制光阑）形成切趾分布光斑，切趾分布光斑经过聚焦柱透镜3聚焦，然后透过相位掩模板4在光敏光纤5上写光纤光栅6。透过相位掩模板4的紫外光1形成一定衍射角（衍射角角度是由紫外光1的波长

，相位掩模板4的条纹周期决定的，为

Figure 2011102003759100002DEST_PATH_IMAGE040

）的两束一级衍射光9，两束一级衍射光9入射到凹形柱面反射镜10上，凹形柱面反射镜10分别将两束一级衍射光9的一半反射回去，两束反射光12在光纤光栅6上重新聚焦，其焦线在光纤光栅6处正好首尾相连，连起来的焦线刚好将光纤光栅6完全覆盖，并形成反切趾分布对光纤光栅6进行折射率直流整形曝光，完成切趾光纤光栅的制作。

Claims

1. 实现一次曝光切趾装置，其特征是主要由紫外光（1）、聚焦柱透镜（3）、相位掩模板（4）、光敏光纤（5）和凹形柱面反射镜（10）组成，它们依次排列在紫外光路上。

2. 根据权利要求1所述的实现一次曝光切趾装置，其特征是所述凹形柱面反射镜（10）由基底（13）和高反射膜（14）组成，基底（13）的凹形柱面需要光学表面，其上针对写光栅的紫外光（1）镀高反射膜（14）。

3. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征是所述基底（13）由玻璃制成，该玻璃为普通光学玻璃或石英玻璃。

4. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征是所述高反射膜（14）由金属膜制成，该金属膜的材料包括铝。

5. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征是所述的高反射膜（14）由多层介质膜制成，该多层介质膜的材料包括氧化锆和氧化硅。

6. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征在于所述的凹形柱面反射镜（10）的凹形柱面曲率半径

由紫外光（1）的波长

，相位掩模板（4）的条纹周期

，以及所写光纤光栅（6）的长度

来决定，计算公式为：

（1）。

7. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征在于所述凹形柱面反射镜（10）上的高反射膜（14）的长度由所写光纤光栅（6）的长度

来决定，计算公式为：

（2）。

8. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征在于所述的凹形柱面反射镜（10）的凹形柱面高度

由平行紫外光（1）的高度

，聚焦柱透镜的焦距，及凹形柱面的曲率半径来决定，需满足以下关系：

（3）。

9. 根据权利要求2所述的实现一次曝光切趾装置，其特征在于所述的凹形柱面反射镜（10）的柱面轴线与光敏光纤（5）重合；高反射膜（14）的长度

的中点与光纤光栅（6）的长度

的中点的连线与入射的紫外光（1）光束中轴线重合。

10. 实现一次曝光切趾方法，其特征是利用权利要求1至9中任一权利要求所述一次曝光切趾装置，来实现基于凹形柱面反射镜的一次曝光切趾方法，具体是：具有切趾分布的紫外光（1）经过聚焦柱透镜（3）聚焦，透过相位掩模板（4）在光敏光纤（5）上写光纤光栅（6）；透过相位掩模板（4）的紫外光（1）形成的两束一级衍射光（9），入射到凹形柱面反射镜（10）后，由凹形柱面反射镜（10）分别将两束一级衍射光（9）的一半反射回去，反射回去的两束反射光（12）在光纤光栅（6）上重新聚焦，其焦线在光纤光栅（6）处正好首尾相连，连起来的焦线刚好将光纤光栅（6）完全覆盖，并形成反切趾分布对光纤光栅（6）进行折射率直流整形曝光，完成切趾光纤光栅的制作。