CN102778713A - 束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，包括飞秒激光器和光纤，飞秒激光器的激光束输出路径上依次设置有快门、偏振分光棱镜和分光镜，分光镜的一路输出光束进入光功率计，分光镜的另一路输出光束依次经过反射镜、柱透镜和物镜后垂直照射在光纤上，光纤安装在可三维移动的夹持装置上，夹持装置上连接有用以控制其运动的控制系统，控制系统的输入端连接有微机。本发明能将光束精确地聚焦到光纤芯部，使其光斑尺寸沿光纤轴向变小。

Description

束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统

技术领域

本发明属于光纤光栅制备技术领域，具体涉及一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统。

背景技术

光纤Bragg光栅（FBG）是最近十多年来发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。1978年，Hill等人首先用氩离子激光器通过驻波法写出了FBG。1989年，Meltz等人采用全息干涉法，制出第一支Bragg谐振波长位于通信波段的FBG，推动了FBG的巨大发展，开创了FBG应用的里程碑。1993年，Hill等人提出用相位掩模板法写FBG，使FBG的制作技术得到了极大改进和能够大批量生产。1993年，Malo等人提出了利用准分子激光逐点刻写FBG。

一直以来紫外激光是刻写FBG最常用的工具，但它有一定的缺陷。首先，FBG高度依赖于光纤纤芯中掺杂的材料性质；其次，在高温工作时，光栅中的折射率调制很容易被擦除（一般小于200°C）。

近几年的研究显示，当高强度飞秒激光脉冲作用在介质上时，介质材料内局部折射率能够发生改变。1999年，Yuki等人第一次报道了利用飞秒激光脉冲通过逐点写入法制作了长周期光纤光栅。接着利用飞秒激光脉冲制作FBG的方法层出不穷，主要有：全息干涉法、相位掩模板法、直接逐点刻写法。

Mihailov等人第一次利用800nm的红外飞秒激光与特殊的相位掩模板在标准SMF-28通信光纤上制作了高阶FBG。对于800nm飞秒激光，必须制作特殊的相位掩模板，不需要对光纤进行任何增敏，光纤折射率调制能够达到10^-3量级。光栅在高温下长时间退火实验折射率调制没有任何变化。随着入射飞秒脉冲数的增长，反射率线性增长，折射率调制没有饱和。利用光学显微镜观察，发现折射率调制并没有局限于纤芯与包层的分界面，而是扩展到光纤的整个纤芯，同时也能够观察到空气-包层表面的结构调制，这种大的结构改性在高温时非常稳定的，不易退化，因此具有较高的热稳定性。并且制作的光栅呈现低的偏振相关性，光谱质量也好，与标准紫外光刻写的FBG的光谱质量差不多。

Grobnic等人详细地研究了飞秒激光与相位掩模板刻写的FBG(SMF-28光纤)的热稳定性。经过几百小时的高温退火后，FBG仍然很稳定，保持了极高的反射率。当温度达到1050°C或更高时(硅玻璃的转变温度为1050°C)，才观察到光栅中心波长永久漂移，导致波长响应滞后效应的发生，同时伴随光栅强度的剧烈减少，光栅折射率调制被擦除，限制了光栅在1000°C以上的应用。Grobnic等人还利用该方法第一次在多模水晶蓝宝石光纤上制作了FBG，在1500°C高温应用中，没有发现FBG的反射率降低，没有发现布拉格波长的滞后作用，没有观察到光栅强度的退化。实验发现在2000°C左右(蓝宝石光纤的熔化温度为2050°C)光栅仍能正常工作，所以它特别适合于高温传感测量。

Martinez等人在实验上第一次采用红外飞秒激光器在非光敏标准通信光纤和色散位移光纤中直接逐点刻写了一到三阶FBG，刻写的速度达到1mm/s。光栅结构被局限在聚焦区域，由于飞秒激光刻写光栅的物理机制包括非线性吸收和多光子电离，因此刻写的光栅形貌并不是激光光束强度轮廓线的线性再生。用800nm飞秒激光能够产生大小为0.3μm的形貌，超出了衍射极限给出的分辨率，因此飞秒激光加工可以突破光束衍射极限的限制。

Martinez等人还第一次利用红外飞秒激光直接通过光纤的涂覆层(涂覆层不用剥除)逐点刻写FBG，可增加光栅的机械强度，使它能够承受更大的应变。但刻写时需要的脉冲能量近似为相同裸光纤(除掉涂覆层)的两倍，以弥补聚合物涂覆层的功率损耗。

Kaiming Zhou等人提出用飞秒红外激光逐线（line-by-line）刻写光纤光栅。相对于逐点刻写，具有低插入损耗（0.5dB）和低偏振相关损耗，折射率调制达7×10^-3，湮灭温度达800°C。

张玲等人采用聚焦的红外飞秒激光对紫外激光刻写的Ⅰ型光纤布拉格光栅分别进行了单点和扫描式曝光实验，研究了飞秒激光脉冲能量远低于光纤的损伤阈值情况下，脉冲激光对光栅光谱的影响。朱学华等人采用800nm钛宝石飞秒激光器，在Hi1060光纤内写入一支8mm长的布拉格光栅,光纤光栅的周期为2.9μm,这是中心波长为1042nm的8阶光纤布拉格光栅。

国内的华中科技大学和哈尔滨工业大学也对红外飞秒激光刻写FBG作了很多研究。

由上面综述，红外飞秒激光逐点刻写FBG具有的优点有：(1)使用普通光纤，不需要对光纤进行任何增敏；(2)耐高温，1000°C左右能稳定地工作，能够构造高温传感器；(3)光栅的折射率调制比紫外光刻写的要大很多，能达10^-3；(4)短脉冲只需要较少的能量就能够达到产生光分解所需要的强度，导致更精确的材料切除或材料改性。但是，现有的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅技术只能刻写长周期光纤光栅或高阶光纤光栅。

发明内容

本发明的目的是提供一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，能将光束精确地聚焦到光纤芯部，使其光斑尺寸沿光纤轴向变小。

本发明所采用的技术方案是，一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，其特征在于，包括飞秒激光器和光纤，飞秒激光器的激光束输出路径上依次设置有快门、偏振分光棱镜和分光镜，分光镜的一路输出光束进入光功率计，分光镜的另一路输出光束依次经过反射镜、柱透镜和物镜后垂直照射在光纤上，光纤安装在可三维移动的夹持装置上，夹持装置上连接有用以控制其运动的控制系统，控制系统的输入端连接有微机。

光纤上还连接有ASE光源和光谱仪。

夹持装置包括二维移动平台，二维移动平台上安装有两个三维移动平台，光纤被夹持安装在两个三维移动平台上，二维移动平台和两个三维移动平台均与控制系统相连接。

夹持装置上设置有用于监视光纤刻写位置的显微镜。

本发明的有益效果是：采用柱透镜和物镜组合聚焦，而不是只用物镜聚焦，使得光纤纤芯内的束斑得到了优化。因此，本发明通过束斑优化，就可以刻写低阶光纤光栅。

附图说明

图1是本发明束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统的结构示意图；

图2是现有技术的光纤内束斑状态示意图，其中，图a为x-z方向平面图，图b为y-z方向平面图。

图3是现有技术的光纤内束斑尺寸示意图。

图4是本发明的光纤内束斑状态示意图，其中，图a为x-z方向平面图，图b为y-z方向平面图。

图5是本发明的光纤内束斑尺寸示意图。

其中，1.飞秒激光器，2.快门，3.偏振分光棱镜，4.分光镜，5.光功率计，6.反射镜，7.柱透镜，8.物镜，9.光纤，9-1.包层，9-2.纤芯，10.夹持装置，11.ASE光源，12.光谱仪，13.显微镜，14.控制系统，15.计算机。

具体实施方式

飞秒逐点刻写法是将一定强度的飞秒激光脉冲聚焦到光纤纤芯内，光纤沿轴向以一定速度平移，在纤芯内形成一系列沿光纤轴分布的周期性微爆区域，由于飞秒激光与介质的相互作用改变了该区域内的折射率，从而形成FBG。逐点法刻写的参数主要有平移台移动速度和所用飞秒激光的能量，其中激光能量是能够在光纤纤芯中形成永久折射率调制所需的单脉冲能量。

实施例1

如图2所示，现有技术采用一个物镜8实现激光束的聚焦。由于光纤9为圆柱形，可看成棒透镜，由此在光纤9的轴方向（x方向）满足Snell定律，孔径半角和光纤侧面的折射角满足：

${\mathrm{\θ}}_1={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{NA}}{n_1}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_2={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{NA}}{n_2}\right),$

式中，n₁为空气折射率，n₂为光纤的折射率，NA为物镜的数值孔径。

从光纤侧面到焦点的距离l为：

$l=\frac{d_1}{\tan {\mathrm{\θ}}_2},$

d₁=Rtanθ₁，

式中，R为光纤半外径，2d₁为光纤侧面处光束直径。

由此，在光纤纤芯轴向光束直径为：

2d₂=2(l-R)tanθ₂，

如果使用的物镜NA=0.8，纤芯轴方向光束直径为84μm。

而光纤纤芯9-2处光束另一个方向（y轴方向），物镜8起透镜作用，束斑直径为：

$W=\frac{4\·\mathrm{\λ}\·f}{\mathrm{\π}\·W_0},$

物镜8的孔径为8mm，我们取W₀=8mm，f为透镜焦距(3.6mm)，λ为激光波长(800nm)。由此得y轴方向的直径为W=0.45μm。

由图3可知，光纤包括包层9-1和纤芯9-2。通常使用的NA=0.8的物镜，纤芯9-2的轴向束斑直径为84μm，使用该系统制作μm周期的光纤光栅几乎不可能。

实施例2

如图1所示，本发明束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，包括飞秒激光器1和光纤9，飞秒激光器1的激光束输出路径上依次设置有快门2、偏振分光棱镜3和分光镜4，分光镜4的一路输出光束进入光功率计5，分光镜4的另一路输出光束依次经过反射镜6、柱透镜7和物镜8后垂直照射在光纤9上以完成刻写过程。光纤9上还连接有ASE光源11和光谱仪12。

光纤9安装在可三维移动的夹持装置10上，夹持装置10上连接有用以控制其运动的控制系统14，控制系统14的输入端连接有微机15。具体是：夹持装置10包括二维移动平台，二维移动平台上安装有两个三维移动平台，光纤9被夹持安装在两个三维移动平台上，二维移动平台和两个三维移动平台均与控制系统相连接。夹持装置10上设置有用于监视光纤9刻写位置的显微镜13。

飞秒激光器1激光束的波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz，飞秒激光器1激光束通过快门2后，由偏振分光棱镜3（PBS）调节照射强度，并用分光镜4（BS）分出一部分由光功率计5监测功率。光纤9选用一般通信用光纤去掉涂覆层。在微机15和控制系统14的控制下光纤9随着夹持装置10以特定速度精确地移动。飞秒激光器1激光束最终经柱透镜7和物镜8聚焦进光纤纤芯9-2中。通过两个三维移动平台来调准直，仔细调节使光束焦点定位在纤芯9-2的位置，用显微镜13来监视调准直，并在线监视刻写过程，用ASE光源11和光谱仪12来动态监视刻写过程中光栅的反射谱。当夹持装置10以一个恒定的速度沿着光纤轴移动时，改变光纤9与光束焦点接触的部位，每个脉冲在纤芯9-2产生一个光栅沟痕。光栅周期能够通过改变各平台移动速度与脉冲重复率之间的比率来设定，当以不同速度移动时，一到三阶FBG都能够被刻写，刻写的速度达到1mm/s左右。

为了在光纤9的纤芯9-2制作高效的光纤光栅，在光纤9的轴向（横向，x方向）的束径应很小，纵向（y方向）应适当变大。

如图4和图5所示，首先，在x-z坐标上柱透镜7对光的没有影响，仅有物镜8聚焦。为了使焦点位置在光纤9中心，激光束应进入光纤9内，这时激光束插入光纤9内的距离为：

$z=R\·\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_2}{{\tan \mathrm{\θ}}_1},$

式中，R为光纤半外径，θ1为集光角，θ2为光纤侧面的折射角。集光直径为：

$W_x=\frac{4\·\mathrm{\λ}\·f_2}{\mathrm{\π}\·W_0},$

得z=30μm,W_x=0.9μm。

在y-z面上，柱透镜7和物镜8的合成焦距为：

$f=\frac{f_1\·f_2}{f_1+f_2-L},$

式中，f₁为柱透镜的焦距，f₂为物镜的焦距，L为两镜间的距离。从物镜8第二主点到透镜组（指柱透镜7和物镜8组成的透镜组）的焦点的距离为：

$S=\frac{f_2\·(f_1-L)}{f_1+f_2-L},$

透镜组的集光角为

${\mathrm{\θ}}_3={\tan }^{-1}\left(\frac{W_0/2}{f}\right),$

在没有光纤9情况下，横方向的焦点位置处纵方向的束斑直径为：

w_y=2tanθ₃·(S-f₂)。

如将光纤9看着柱透镜，其焦距f_F由可表示为

$\frac{1}{f_F}=(n_2-1)[\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}+\frac{t\·(n_2-1)}{R_1\·R_2\·n_2}],$

式中，R₁和R₂为光纤的曲率半径，t为光纤的厚度，R₁=62.5μm，R₁=-62.5μm，t=125μm。

而透镜组与光纤9的合成焦距为：

$f^{\′}=\frac{f\·f_F}{f+f_F-d},$

式中，d为透镜组与光纤之间的距离：

d=(f₂-R+z)-(S-f)，

从光纤的第二主点到整个透镜组的焦点的距离为：

$S^{\′}=\frac{f_F\·(f-d)}{f+f_F-d},$

整个透镜组的集光角为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left(\frac{w_y/2}{S^{\′}+R-z}\right).$

由此，纤芯9-2处光束直径为：

W_y=2tanθ'·S'。

得W_y=37.6μm。

通过以上分析，使用柱透镜和物镜构成组合的透镜聚焦，激光束在横方向直径为0.9μm，纵方向直径为37.6μm。横方向的尺寸得到压缩，光束得到优化。

Claims (4)

1.一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，其特征在于，包括飞秒激光器（1）和光纤（9），所述飞秒激光器（1）的激光束输出路径上依次设置有快门（2）、偏振分光棱镜（3）和分光镜（4），所述分光镜（4）的一路输出光束进入光功率计（5），所述分光镜（4）的另一路输出光束依次经过反射镜（6）、柱透镜（7）和物镜（8）后垂直照射在光纤（9）上，所述光纤（9）安装在可三维移动的夹持装置（10）上，所述夹持装置（10）上连接有用以控制其运动的控制系统（14），所述控制系统（14）的输入端连接有微机（15）。

2.按照权利要求1所述的束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，其特征在于，所述光纤（9）上还连接有ASE光源（11）和光谱仪（12）。

3.按照权利要求1所述的束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，其特征在于，所述夹持装置（10）包括二维移动平台，所述二维移动平台上安装有两个三维移动平台，所述光纤（9）被夹持安装在两个三维移动平台上，所述二维移动平台和两个三维移动平台均与控制系统相连接。

4.按照权利要求1所述的束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统，其特征在于，所述夹持装置（10）上设置有用于监视光纤（9）刻写位置的显微镜（13）。

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