CN102540323A - 一种基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置及应用 - Google Patents

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本发明提供了一种基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，该装置主要由平行紫外光、聚焦柱透镜、相位掩模板、平行六面体棱镜和光敏光纤组成，它们依次排列在紫外光路上。该装置应用于光纤光栅制作时，通过平行六面体棱镜使相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线。本发明使相位掩膜板远离光敏光纤，避免了光敏光纤对相位掩模板的污染，同时也避免了相位掩模板可能对光纤造成的损伤；使相位掩模板远离紫外光焦线，大大减轻了紫外光对相位掩膜板的损坏，延长了相位掩膜板的使用寿命，提高了光纤光栅的制作质量；具有相位掩模板光纤光栅制作方法的所有优点；还具有装置结构简单，增加成本少，容易实现等优点。

Description

一种基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置及应用
技术领域
本发明涉及光纤光栅制作技术领域，尤其是涉及一种相位掩模板结合平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置及应用。
背景技术
光纤光栅在通信、传感等领域得到了广泛地应用，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。光纤光栅的制作方法有许多种，例如干涉法、相位掩模板法、逐点写入法等，但最常用、最成熟的方法是相位掩模板法。相位掩模板法的优点是稳定、可靠、重复性好，这种方法对光源的相干性要求不高，光学系统比较简单，易于操控，适合光纤光栅的工业化生产，其缺点是一块相位掩模板只能写一种中心波长的光栅，而且相位掩模板的价格比较昂贵。
相位掩模板是一种特殊设计和制作的衍射光栅，它能使所产生的衍射光能量绝大部分集中在±1级两束衍射光上，而其它级衍射光的能量很小，尤其是0级衍射光的能量得到很好地抑制。两束±1级衍射光在重叠区可形成干涉，产生空间周期性光强分布。在光纤光栅制作中，写光栅的紫外光经柱透镜聚焦在光敏光纤上，在紫外光到达光敏光纤之前，经过相位掩模板，在光敏光纤上沿光纤轴线形成周期性的光强分布，从而在光敏光纤中写入光栅。
由于相位掩模板两束±1级衍射光的重叠区域在贴近相位掩模板的一个比较小的三角区域，加上写光栅所使用的紫外光一般是由准分子激光器发出的，而准分子激光器紫外光的相干长度都比较短，所以要写出高质量的光纤光栅，相位掩模板和光敏光纤必须靠得很近。这样就产生了问题：光敏光纤容易对相位掩模板产生污染，同时相位掩模板也可能对剥去涂覆层的光敏光纤造成损伤；因为紫外光聚焦在光敏光纤上，相位掩模板离光敏光纤近，也就意味着离紫外光焦线近，这样作用在相位掩模板上的紫外光强非常强，稍有污染，相位掩模板就非常容易被紫外光损坏。即便没有污染，相位掩模板在强紫外光的照射下，质量会下降，使用寿命也会缩短。解决这一问题，对于提高光纤光栅的制作质量，降低制作成本是非常有意义的。
光敏光纤远离相位掩模板有一种方法，叫做Talbot干涉法，这种方法使用相位掩膜板，但不用两束±1级衍射光贴近相位掩膜板的重叠区域，而是用两块反射镜分别将±1级衍射光反射后再重叠写光栅，这样相位掩膜板就可以离光敏光纤和紫外光焦线比较远。Talbot干涉法虽然使用相位掩膜板，但实质上是分光干涉法，相位掩膜板只是起到一个分光的作用。这样Talbot干涉法就存在干涉法的缺点：1. 对光源的相干性要求比较高； 2. 对光路要进行精确控制调整； 3. 对隔振要求比较高。这些要求使得Talbot干涉法在实际应用中非常困难，因此在光纤光栅制作中很少用到此方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置及应用，在制作光纤光栅时，使相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线，从而起到保护相位掩模板和光敏光纤的作用。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案： 
本发明提供的基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，是一种相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线的光纤光栅制作装置，该装置主要由平行紫外光、聚焦柱透镜、相位掩模板、平行六面体棱镜和光敏光纤组成，它们依次排列在紫外光路上。
所述平行六面体棱镜可以由折射率为                                               的熔融石英制成。
所述平行六面体棱镜，有垂直于光路的两个面，分别是靠近相位掩模板的面和靠近光敏光纤的面；有平行于光路的四个面，其中垂直于光敏光纤的两个面，分别是对+1级衍射光全反射的面和对－1级衍射光全反射的面。
所述平行六面体棱镜中，垂直光路的两个面和垂直光敏光纤的两个面需要光学表面。
所述平行六面体棱镜垂直于光路的两个面中，平行于光敏光纤的边长
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE004
需满足：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE008
，
式中：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE010
为相位掩膜板处，平行于光敏光纤的紫外光光斑长度；
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE012
为平行于光敏光纤的相位掩膜长度；
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE014
为紫外光波长；
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE016
为平行六面体棱镜和相位掩模板之间的距离（一般可设计
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE018
）； 
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE020
为相位掩模板的光栅常数。
垂直于光敏光纤的长度
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE022
需满足：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE024
或
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE026
，
式中：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE028
为相位掩膜板处，垂直于光敏光纤的紫外光光斑长度；
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE030
为垂直于光敏光纤的相位掩膜长度。
所述平行六面体棱镜平行于光路的四个面，其平行于光路的长度
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE032
需满足：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE034
。
或
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE036
。
所述相位掩模板离光敏光纤的最佳距离
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE038
为：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE040
。
本发明提供上述相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线制作光纤光栅的装置，是在常规相位掩模板制作光纤光栅的装置中增加一块特殊设计制作的平行六面体棱镜。
本发明提供上述相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线制作光纤光栅的装置，在制作光纤光栅时，其方法是：利用紫外光在平行六面体棱镜中的全反射，将相位掩膜板形成的±1级两束衍射光引导到远离相位掩膜板的地方重新重叠，从而在光敏光纤中写入光栅。
本发明提供的上述光纤光栅制作装置，在制作光纤光栅时，其方法是：平行紫外光经柱透镜聚焦到光敏光纤上，在紫外光汇聚到光敏光纤之前，经相位掩模板形成±1级衍射的两束光，两束衍射光以一定的角度从平行六面体棱镜垂直于光路的一个面入射进平行六面体棱镜，两束衍射光的入射角相对于平行六面体棱镜在光路方向上的中轴线对称，两束衍射光分别在平行六面体棱镜平行于光路的两个相对面上全反射，两反射光从平行六面体棱镜垂直于光路的另一个面射出，在光敏光纤处重叠并且聚焦，从而在光敏光纤中写入光栅。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
其一，可以使相位掩膜板远离光敏光纤，避免了光敏光纤对相位掩模板的污染，同时也避免了相位掩模板可能对光纤造成的损伤。
其二，可以使相位掩模板远离紫外光焦线，大大减轻了紫外光对相位掩膜板的损坏，延长了相位掩膜板的使用寿命，提高了光纤光栅的制作质量。
其三，具有相位掩模板光纤光栅制作方法的所有优点：稳定、可靠、重复性好，这种方法对光源的相干性要求不高，光学系统比较简单，易于操控，适合光纤光栅的工业化生产。
其四，所提供的装置结构简单，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，加上一块特殊设计制作的平行六面体棱镜即可，容易实现。 
附图说明
图1是相位掩模板结合平行六面体棱镜光纤光栅制作方法的光路示意图。
图2是平行六面体棱镜立体示意图。
图中：1.平行紫外光；  2.聚焦柱透镜；  3.相位掩模板； 4.贴近相位掩模板处的±1级衍射光重叠区域； 5.平行六面体棱镜； 6. +1级衍射光束；7. －1级衍射光束； 8.光敏光纤； 9.远离相位掩模板处的±1级衍射光重叠区域； 10.靠近相位掩模板的面； 11.靠近光敏光纤的面； 12.对+1级衍射光全反射的面； 13.对－1级衍射光全反射的面。
具体实施方式
本发明提供的基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，是在常规的光纤光栅写入装置中，增加一块特殊设计制作的平行六面体棱镜，平行六面体棱镜置于相位掩模板和光敏光纤之间，平行六面体棱镜中，有两个相对面与光路垂直，另有两个相对面与光敏光纤垂直。该装置利用紫外光在平行六面体棱镜中的全反射，将相位掩膜板形成的±1级两束衍射光引导到远离相位掩膜板的地方重新重叠，从而在光敏光纤中写入光栅。具体是：写光栅的平行紫外光束通过柱透镜聚焦到光敏光纤上，在紫外光汇聚到光敏光纤之前，经相位掩模板形成±1级衍射的两束光，两束衍射光以一定的角度从平行六面体棱镜垂直于光路的一个面入射进平行六面体棱镜，两束衍射光的入射角相对于平行六面体棱镜在光路方向上的中轴线对称，两束衍射光分别在平行六面体棱镜平行于光路的两个相对面上全反射，两反射光从平行六面体棱镜垂直于光路的另一个面射出，在光敏光纤处重叠并且聚焦，从而在光敏光纤中写入光栅。
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。 
本发明提供的基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，是一种相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线的光纤光栅制作装置，其结构如图1和图2所示，主要由平行紫外光1、聚焦柱透镜2、相位掩模板3、平行六面体棱镜5和光敏光纤8组成，它们依次排列在紫外光路上，其中平行六面体棱镜5由折射率为
Figure 322426DEST_PATH_IMAGE002
的熔融石英制成。
所述平行六面体棱镜5由折射率为
Figure 14438DEST_PATH_IMAGE002
的熔融石英制成，其结构如图2所示：有垂直于光路的两个面，分别是靠近相位掩模板的面10和靠近光敏光纤的面11；有平行于光路的四个面，其中垂直于光敏光纤的两个面分别是对+1级衍射光全反射的面12和对－1级衍射光全反射的面13。
所述平行六面体棱镜5的尺寸由平行紫外光1的参数、相位掩模板3的参数、及所要求相位掩模板3离光敏光纤8的距离来定。设：紫外光波长为
Figure 274836DEST_PATH_IMAGE014
，相位掩膜板3处的紫外光光斑，平行于光敏光纤8的长度为
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE042
，垂直于光敏光纤8的长度为
Figure 891631DEST_PATH_IMAGE028
；相位掩模板3的光栅常数为
Figure 133256DEST_PATH_IMAGE020
，平行于光敏光纤8的掩膜长度为，垂直于光敏光纤8的掩膜长度为。
所述平行六面体棱镜5垂直于光路的两个面即靠近相位掩模板的面10和靠近光敏光纤的面11，其平行光敏光纤8的长度
Figure 324700DEST_PATH_IMAGE004
需满足：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE044
或
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE046
，
其垂直光敏光纤8的长度
Figure 243502DEST_PATH_IMAGE022
需满足：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE048
或
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE050
  。
所述平行六面体棱镜5靠近相位掩模板的面10，如果离相位掩模板3的距离设计为
Figure 260000DEST_PATH_IMAGE016
（一般可设计
Figure 757977DEST_PATH_IMAGE018
），则平行光敏光纤8的长度需满足：
Figure 480262DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 549718DEST_PATH_IMAGE008
，
所述平行六面体棱镜5平行于光路的四个面，其平行于光路的长度
Figure 902202DEST_PATH_IMAGE032
需满足：
Figure 844751DEST_PATH_IMAGE034
；
或
           
Figure 220368DEST_PATH_IMAGE036
 。
所述相位掩模板3离光敏光纤8的最佳距离
Figure 640985DEST_PATH_IMAGE038
为：
，
取
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 351638DEST_PATH_IMAGE038
有最大值：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE056
为聚焦柱透镜的的焦距。可以通过增大
Figure 401503DEST_PATH_IMAGE004
来增大
Figure 625811DEST_PATH_IMAGE038
，但是
Figure 877188DEST_PATH_IMAGE004
过大，耗费材料，占用空间，也没有必要，只要能满足应用就行了。
所述平行六面体棱镜5靠近光敏光纤的面11，其离光敏光纤8的距离
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE058
为：
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE060
 ，
所述平行六面体棱镜5的尺寸在满足以上条件和应用要求的前提下，应尽可能地小，以便节省材料和空间。
所述平行六面体棱镜5中，垂直光路的两个面（即靠近相位掩模板的面10和靠近光敏光纤的面11），以及垂直光敏光纤8的两个面（即对+1级衍射光全反射的面12和对－1级衍射光全反射的面13），需要光学表面，以减少紫外光经过平行六面体棱镜时的损耗。
本发明是利用紫外光在平行六面体棱镜中的全反射，将相位掩膜板形成的±1级两束衍射光引导到远离相位掩膜板的地方重新重叠，从而在光敏光纤中写入光栅。具体如下：
写光栅的平行紫外光1通过聚焦柱透镜2聚焦到光敏光纤8上，在平行紫外光1汇聚到光敏光纤8之前，先经相位掩模板3形成+1级衍射光束6和－1级衍射光束7的两束衍射光，然后该两束衍射光以一定的角度（入射角
Figure 2012100171932100002DEST_PATH_IMAGE062
）从平行六面体棱镜5垂直于光路的一个面即靠近相位掩模板的面10入射进平行六面体棱镜5，该两束衍射光的入射角相对于平行六面体棱镜5在光路方向上的中轴线对称，所述两束衍射光分别在平行六面体棱镜5平行于光路的两个相对面即对+1级衍射光全反射的面12和对－1级衍射光全反射的面13上全反射，此两反射光从平行六面体棱镜5垂直于光路的另一个面即靠近光敏光纤的面11射出，在光敏光纤8中重叠并且聚焦，从而在光敏光纤8中写入光栅。
参见图1，所述两束衍射光有贴近相位掩模板处的重叠区域4，所述两反射光有远离相位掩模板处的重叠区域9。
本实施例提供的基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，可以使相位掩膜板远离光敏光纤，避免了光敏光纤对相位掩模板的污染，同时也避免了相位掩模板可能对光纤造成的损伤。相位掩膜板远离光敏光纤也就意味着远离紫外光焦线，这样大大减轻了紫外光对相位掩膜板的损坏，延长了相位掩膜板的使用寿命，提高了光纤光栅的制作质量。该装置具有相位掩模板光纤光栅制作方法的所有优点，并且装置结构简单，增加成本少，容易实现。

Claims (10)

1.一种基于平行六面体棱镜的光纤光栅制作装置，其特征是相位掩模板远离光敏光纤和紫外光焦线的光纤光栅制作装置，该装置主要由平行紫外光、聚焦柱透镜、相位掩模板、平行六面体棱镜和光敏光纤组成，它们依次排列在紫外光路上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述平行六面体棱镜由折射率为                                                
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE001
的熔融石英制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述平行六面体棱镜，有垂直于光路的两个面，分别是靠近相位掩模板的面和靠近光敏光纤的面；有平行于光路的四个面，其中垂直于光敏光纤的两个面，分别是对+1级衍射光全反射的面和对－1级衍射光全反射的面。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征是所述平行六面体棱镜中，垂直光路的两个面和垂直光敏光纤的两个面需要光学表面。
5.根据权利要求1或3所述的装置，其特征是所述平行六面体棱镜垂直于光路的两个面中，平行于光敏光纤的边长需满足：
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE003
或，
式中：
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE005
为相位掩膜板处，平行于光敏光纤的紫外光光斑长度；
Figure 624654DEST_PATH_IMAGE006
为平行于光敏光纤的相位掩膜长度；
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE007
为紫外光波长；
Figure 957546DEST_PATH_IMAGE008
为平行六面体棱镜和相位掩模板之间的距离（一般可设计
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE009
）； 为相位掩模板的光栅常数；
垂直于光敏光纤的长度
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE011
需满足：
Figure 719015DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE013
，
式中：
Figure 986048DEST_PATH_IMAGE014
为相位掩膜板处，垂直于光敏光纤的紫外光光斑长度；为垂直于光敏光纤的相位掩膜长度。
6.根据权利要求1或3所述的装置，其特征是所述平行六面体棱镜平行于光路的四个面，其平行于光路的长度
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE017
需满足：
Figure 374829DEST_PATH_IMAGE018
；
或
Figure 2012100171932100001DEST_PATH_IMAGE019
。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述相位掩模板离光敏光纤的最佳距离
Figure 981391DEST_PATH_IMAGE020
为：
。
8.权利要求1至8中任一权利要求所述装置的应用，其特征是该装置使用相位掩模板结合平行六面体棱镜制作光纤光栅。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征是使用相位掩模板结合平行六面体棱镜制作光纤光栅时，其方法是：利用紫外光在平行六面体棱镜中的全反射，将相位掩膜板形成的±1级两束衍射光引导到远离相位掩膜板的地方重新重叠，从而在光敏光纤中写入光栅。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征是所述方法是：平行紫外光经柱透镜聚焦到光敏光纤上，在紫外光汇聚到光敏光纤之前，经相位掩模板形成±1级衍射的两束光，两束衍射光从平行六面体棱镜垂直于光路的一个面入射进平行六面体棱镜，两束衍射光的入射角相对于平行六面体棱镜在光路方向上的中轴线对称，两束衍射光分别在平行六面体棱镜平行于光路的两个相对面上全反射，两反射光从平行六面体棱镜垂直于光路的另一个面射出，在光敏光纤处重叠并且聚焦，从而在光敏光纤中写入光栅。
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CN111221070A (zh) * 2020-01-21 2020-06-02 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 制作光纤光栅的装置及方法

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