CN102699523A - 飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置。它利用设计的程控式控制系统实现飞秒激光对固定在高精度三维位移平台上光纤上长周期光纤光栅的写制，这样制作的长周期光纤光栅折射率调制均匀，通过控制三维位移平台的移动距离、往复次数可实现谐振波长和谐振峰值可调谐长周期光纤光栅的写制，且具有写入损耗小，飞秒激光利用率高的特点。通过上述程控式系统设计，可以利用飞秒激光实现谐振波长和谐振峰值均可调谐的长周期光纤光栅的写制。本发明制备的长周期光纤光栅具有噪声低、无后向反射、谐振波长易调谐、谐振峰值深度可控等优点，为其在科研、光纤通信及光纤传感技术领域的应用提供了一种高效且参数可调谐的制备方法。

Description

飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感和光纤光栅制备技术领域的长周期制备系统，具体是一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置。

背景技术

长周期光纤光栅是一种在光纤上制作的新型光学器件，它是指在光纤上的数十到数百微米的周期性折射率调制形成的透射式光学器件，这种光学器件在光纤通信和光纤传感上有着重要的用途。长周期光纤光栅具有易于制作、阻带宽度大，无后向反射、色散低，对外界变化敏感等特性，特别是与光纤系统良好的兼容性，使之成为光纤通信及传感领域的性能优越的无源光子器件之一。在光纤通信中，主要用作增益均衡器、滤波器、波长选择及耦合器、光分插复用器、光开关以及模式转换和色散补偿器等。在传感领域中，主要用于温度、应变、扭曲、振动等单参数或多参数的测量，近年来在化学、生物传感领域也获得了广泛的应用。

目前，国内外长周期光纤光栅的制备方法有以下几种：

一是紫外激光照射曝光法。曝光的激光通常是波长为193nm或248nm的紫外光，此法又有逐点曝光法和振幅淹模法之分，逐点曝光法的优点是灵活性高，可制作不同光谱特性的光栅，振幅掩模法的有点事可以实现光纤光栅的批量生产，但不同的光栅使用不同的掩模板，并且会遮挡准分子激光器的大部分激光，降低激光的能量效率。最重要的是采用紫外曝光法写制的长周期光纤光栅的透射谱不能保持长期稳定，长时间使用或处于高温环境下时，其利用光纤的氢载光敏性形成的光纤内的折射率调制深度会逐渐被擦除，直至无法满足长周期光纤光栅的耦合条件。

二是物理变形法，此法又有加热拉伸和周期性刻槽加压两个方面。在加热拉伸法中，光纤需除去外包层，用电弧加热光线的局部下斜区段，以电弧的持续时间控制该区段的微弯大小，其优点是长周期光纤光栅具有低的插入损耗和高的热稳定性（达800℃），缺点是光纤的机械性能下降，工艺条件不易控制，光谱参数不能准确写制，且不适宜批量生产；周期性刻槽加压法中，是将光纤放在一块平板和一块刻有周期性凹槽的面板之间，向刻有凹槽的底板施加压力，由于光弹效应，在压力点产生折射率变化而形成长周期光纤光栅，其缺点是光谱稳定性差，且在不同的温度下，写制结构由于温度变化施加的压力会产生波动，导致对光纤的折射率调制深度发生变化，光谱不稳定。

三是高频CO₂激光写入法。该方法只需普通光纤，不必氢载，并且可随意改变写入周期，从而可以写入不同周期的长周期光纤光栅，成本低，制作周期短。但由于存在热扩散，所以纤芯基模到包层模的耦合不彻底，存在较大的写入损耗。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置。它利用设计的程控式控制系统实现飞秒激光对固定在高精度三维位移平台上光纤上长周期光纤光栅的写制，这样制作的长周期光纤光栅折射率调制均匀，通过控制三维位移平台的移动距离、往复次数可实现谐振波长和谐振峰值可调谐长周期光纤光栅的写制，且具有写入损耗小，飞秒激光利用率高的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，它包括：超连续白光光源、光纤、三维位移台、光谱分析仪、监视器、CCD、聚焦透镜、高反射镜、显微物镜、泵浦光源、飞秒激光振荡器、激光放大器、全反射镜、圆形可调节衰减片、可控机械开关及光阑，光纤将超连续白光光源与光谱分析仪连接，监视器、CCD、聚焦透镜、高反射镜、显微物镜依次连接组成观察光路；泵浦光源、飞秒激光振荡器、激光放大器、全反射镜、圆形可调节衰减片、可控机械开关及光阑依次连接组成写制光路，光阑的光线经高反射镜进入显微物镜；所述光纤两端水平夹持在三维位移平台上；在写制过程中控制三维位移平台的水平移动；通过控制三维位移平台的水平移动次数，实现写制光栅折射率深度的调制；所述可控机械开关为半圆形遮光片，在程控驱动下匀速转动，实现对飞秒激光的周期性遮挡，控制占空比为50%，当飞秒激光被遮挡时，激光无法折射到光纤上，此时程控驱动高精度三位位移平台水平移动，实现写制光纤的周期性折射率调制。

所述三维位移平台是微米量级的可控电动位移平台，它使待写制的光纤与飞秒激光对准，飞秒激光垂直照射光纤的中心位置，利用CCD成像，并利用监视器观察。

所述三维位移平台的水平移动与可控机械开关相结合，使光纤在飞秒激光下的周期性均匀折射率调制，通过控制光纤的水平移动速率，实现不同周期光栅的写入，实现长周期光纤光栅写真波长的调谐。

通过控制三维位移平台的水平移动次数，实现写制光栅折射率深度的调制，实现长周期光纤光栅谐振峰值调制深度的调谐和选择。

在三维位移平台移动过程中，设定三维位移平台的移动长度，即通过调节三维位移平台的水平移动距离，改变长周期光纤光栅的写入长度。

当三维位移平台移动一个周期即满足长周期光纤光栅写入长度后，控制可控机械开关使飞秒激光处于遮挡状态，当高精度三位位移平台回复至初始位置时，再进行重复操作。并且，重复深度的选择通过光谱仪观察长周期光纤光栅的谐振峰值调制深度确定。

所述超连续白光光源和光谱仪用于构建长周期光纤光栅写制过程中的光谱观测，采用的光源波长范围为500～2400nm，光谱仪波长范围为1200nm~1700nm。

所述泵浦光源、飞秒激光振荡器及激光放大器产生功率为650mW、脉宽为200fs，脉冲重复频率为250kHZ、中心波长为800nm飞秒激光。

本发明中，飞秒激光经可控机械开关和高精度三维位移平台的同时程控，实现周期可选择，写入次数可选择（即决定长周期光纤光栅谐振波长和谐振峰值深度）的长周期光纤光栅写制。飞秒激光照射光纤取决于可控机械开关的遮挡，长周期光纤光栅的写入周期取决于三维位移平台的运行速度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明装置简单有效，使用了高性能飞秒激光器，写制长周期光纤光栅具备良好的性能，写入损耗低、温度稳定性高，能够灵活实现长周期光纤光栅光谱参数的调谐。写制长周期光纤光栅的谐振峰值深度可达-20dB。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2光纤由水平方向移动与飞秒激光对准CCD示意图；

图3有背景光条件下光纤由水平方向移动CCD-Z监测图；

图4光纤由垂直方向移动与飞秒激光对准CCD示意图；

图5周期375μm的长周期光纤光栅写制过程中透射谱变化；

图6写制过程中各谐振峰随写入次数（折射率调制深度）变化情况；

图7为光纤透射谱图。

其中，1、超连续白光光源2、光纤3、三维位移台4、光谱分析仪5、监视器6、CCD 7、聚焦透镜8、高反射镜9、显微物镜10、泵浦光源11、飞秒激光振荡器12、激光放大器13、全反射镜14、圆形可调节衰减片15、可控机械开关及16、光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：超连续白光光源1、光纤2、高精度三维位移台3、光谱分析仪4、监视器5、CCD6、聚焦透镜7、高反射镜8、显微物9镜、Verdi5泵浦光源10、Mirra900飞秒激光振荡器11、Legend Elite激光放大器12、全反射镜13、圆形可调节衰减片14、可控机械开关15及光阑16等。待写入光栅的光纤2两端水平固定于高精度三维位移平台3上。

所述Verdi5泵浦光源10、Mirra900飞秒激光振荡器11及Legend Elite激光放大器12产生功率为650mW、脉宽为200fs，脉冲重复频率为250kHZ、中心波长为800nm飞秒激光。

所述监视器5和CCD6的作用为用于使飞秒激光光束对准待写制光纤2的中心位置，监视器5和CCD6各为两个，分别监测水平和垂直两个方向。

所述可控机械开关15为自行设计的飞秒激光遮挡装置，通过控制实现对飞秒激光的周期性遮挡，控制占空比为50%，其转动周期为长周期光纤光栅的写制时间周期。

所述高精度三维位移平台3一方面用于夹持待写制光纤2，通过程控调节和实现待写制光纤2与飞秒激光光束的对准，另一方面在写制过程中通过程控调节，使其能使光纤2水平移动，逐点写入长周期光纤光栅，移动次数决定长周期光纤光栅的谐振峰值调制深度。

所述超连续白光光源1和光谱仪4用于构建长周期光纤光栅写制过程中的光谱观测，采用的光源波长范围为500～2400nm，光谱仪波长范围为1200nm~1700nm。

所述聚焦透镜7、高反射镜8、显微物镜全反射镜9、圆形可调节衰减片14及光阑16用于写制光路的构建，激光聚焦等功能。

所述可控机械开关15及高精度三维位移平台3可同步进行程控控制，实现长周期光纤光栅写入周期的控制。如图2所示为光纤2由水平方向移动与飞秒激光对准CCD6监视示意图，通过控制高精度三维位移平台实现待写制光纤与飞秒激光光束的准确对准。

如图3和图4所示为待写制光纤2与飞秒激光光束水平和垂直方向的CCD6监视图像，当光纤与飞秒激光光束完全重合时，在水平方向上两点消失，在垂直方向上亮点完整。

如图5所示为写制过程中，长周期光纤光栅透射谱的变化，写制周期为375μm。

如图6所示随着写制次数即高精度三维位移平台3水平方向移动次数的增加，折射率调制深度增加，在一定范围内，长周期光纤光栅谐振峰值随着写制次数的增加而增加。光谱写入损耗低、噪声小，并呈现良好的规律性。

实施实例：

实验采用800nm钛蓝宝石（Ti:Sapphire）飞秒激光器，其发射带宽为700~980nm。采用波长为527nm的二极管泵浦掺钕氟化锂钇（ND:YLF）固体激光器Evolution-15/30作为泵浦源。实验使用的超宽带光源是丹麦NKT photonics公司生产的SuperK Compact超连接谱光源，可以产生500~2400nm的超连续光谱。利用光谱分析仪是日本横河公司的AQ6331光谱分析仪，最小解析精度为0.05nm，工作波长为1200~1700nm。当设置脉冲激光能量1.3mW，光纤周期为375μm，移动速度25μm/s，激光遮挡时间15s，利用设计的程控系统将飞秒激光与待写制光纤进行对准设计，刻写100周期时的光纤透射谱如下图7所示。深度最高的两个谐振峰峰值深度分别为-17dB和-14dB。

Claims (8)

1.一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，它包括：超连续白光光源、光纤、三维位移台、光谱分析仪、监视器、CCD、聚焦透镜、高反射镜、显微物镜、泵浦光源、飞秒激光振荡器、激光放大器、全反射镜、圆形可调节衰减片、可控机械开关及光阑，光纤将超连续白光光源与光谱分析仪连接，监视器、CCD、聚焦透镜、高反射镜、显微物镜依次连接组成观察光路；泵浦光源、飞秒激光振荡器、激光放大器、全反射镜、圆形可调节衰减片、可控机械开关及光阑依次连接组成写制光路，光阑的光线经高反射镜进入显微物镜；其特征是：所述光纤两端水平夹持在三维位移平台上；在写制过程中控制三维位移平台的水平移动；通过控制三维位移平台的水平移动次数，实现写制光栅折射率深度的调制；所述可控机械开关为半圆形遮光片，在程控驱动下匀速转动，实现对飞秒激光的周期性遮挡，控制占空比为50%，当飞秒激光被遮挡时，激光无法折射到光纤上，此时程控驱动高精度三位位移平台水平移动，实现写制光纤的周期性折射率调制。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，所述三维位移平台是微米量级的可控电动位移平台，它使待写制的光纤与飞秒激光对准，飞秒激光垂直照射光纤的中心位置，利用CCD成像，并利用监视器观察。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，所述三维位移平台的水平移动与可控机械开关相结合，使光纤在飞秒激光下的周期性均匀折射率调制，通过控制光纤的水平移动速率，实现不同周期光栅的写入，实现长周期光纤光栅写真波长的调谐。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，通过控制三维位移平台的水平移动次数，实现写制光栅折射率深度的调制，实现长周期光纤光栅谐振峰值调制深度的调谐和选择。

5.根据权利要求1或4所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，在三维位移平台移动过程中，设定三维位移平台的移动长度，即通过调节三维位移平台的水平移动距离，改变长周期光纤光栅的写入长度。

6.根据权利要求1、3或4所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，当三维位移平台移动一个周期即满足长周期光纤光栅写入长度后，控制可控机械开关是飞秒激光处于遮挡状态，当高精度三位位移平台回复至初始位置时，再进行重复操作；重复深度的选择通过光谱仪观察长周期光纤光栅的谐振峰值调制深度确定。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，所述泵浦光源、飞秒激光振荡器及激光放大器产生功率为650mW、脉宽为200fs，脉冲重复频率为250kHZ、中心波长为800nm飞秒激光。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置，其特征是，所述超连续白光光源和光谱仪用于构建长周期光纤光栅写制过程中的光谱观测，采用的光源波长范围为500～2400nm，光谱仪波长范围为1200nm~1700nm。

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