CN103969741B - 一种正交错位光纤光栅的刻写装置和刻写方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种正交错位光栅的刻写装置和刻写方法，其结构包括：紫外光源、准直聚焦透镜、掩模板、平面镜镜组、分光镜、电机控制系统组成，其中平面镜镜组由第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜组成，电机控制系统主要由旋转电机和前进电机组成。本发明可以刻写短周期的布拉格型正交错位光纤光栅和长周期正交错位光纤光栅，利用刻写的正交错位光纤光栅能够产生涡旋光束和对光束的偏振控制。该发明的结构明晰，稳定性高，制作简单。

Description

一种正交错位光纤光栅的刻写装置和刻写方法

技术领域

本发明涉及刻写光纤光栅的技术领域，特别涉及一种正交错位光纤光栅的刻写装置和刻写方法，采用掩模板法单面曝光刻写的正交错位光纤光栅。

背景技术

涡旋光束的特性在于在光束横截面上相位具有空间非均匀分布，光束携带了一定的轨道角动量分布，其中心点位相具有奇异性。此光束在高数值孔径透镜聚焦下能产生特殊的场分布，在量子通信和微结构操控等领域有广泛应用。采用单面曝光技术将光纤刻写成正交错位型光栅，从而在光纤中激发出涡旋光束。随着光纤通信和光纤传感技术的快速发展,人们对全光纤型光波调制器件的功能及性能提出了更高要求,手征光纤光栅因其具有圆偏振选择特性而备受关注，采用单面曝光技术将光纤刻写成长周期正交错位型光栅，从而实现对光束的偏振控制。

目前国内外报道涡旋光束的产生大都在自由空间中产生，即使利用特殊结构的光纤产生的涡旋光束，其特殊结构的制作对机械加工要求也较高，在一般情况下也难以实现，本刻写装置结构简单。并且刻写好后的光栅可以根据输入光的形式，有多种实现涡旋光的输出，灵活方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：为了克服背景技术中所述缺陷，本发明提供一种正交错位光纤光栅的刻写装置和刻写方法，其实现方法简单，成本较低。本发明是利用相位掩模板，采用单面曝光技术在光栅横截面上产生非对称的横向折射率调制，单面曝光技术在光栅的写入过程中，纤芯区折射率随刻写深度的变化呈递减的指数函数形式，采用此技术可以制作短周期的布拉格正交错位光纤光栅。除此之外，也可以换用振幅型掩模板刻写长周期正交错位光纤光栅。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于包括：紫外光源、第一准直聚焦透镜、第二准直聚焦透镜、第一掩模板、第二掩模板、平面镜组、分光镜、电机控制系统，其中平面镜组包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜，电机控制系统包括旋转电机跟前进电机，紫外光源产生的紫外光，经过分光镜分为两束，一束直接通过第一准直聚焦透镜后，后照射到第一掩模板上，形成衍射能够产生±1级衍射，衍射光形成的干涉光对被刻写的光纤进行曝光，另一束光分别经过由第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜反射组成的平面镜组后，经第二准直聚焦透镜垂直照射到第二掩模板上，后对光纤在另一位置处进行曝光，通过调节第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜对光纤进行垂直曝光，并且两个曝光位置成90°，距离差Δz。

进一步的，紫外光源为氩离子激光器或准分子激光器。

进一步的，掩模板是刻写布拉格光纤光栅的相位掩模板，或者是刻写长周期的振幅型掩模板。

进一步的，前进电机带动被刻写的光纤沿轴向向前移动，旋转电机能够带动被刻写的光纤绕轴向旋转。

进一步的，分光镜为常用的分光镜，例如三棱镜等其它分光器件。

本发明的原理在于：

一种正交错位光纤光栅的刻写装置，包括：紫外光源、准直聚焦透镜、掩模板、平面镜组、分光镜、电机控制系统组成，其中平面镜组包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜，电机控制系统主要由旋转电机跟前进电机组成。常用的紫外光源有氩离子激光器、准分子激光器等。

所用的相位掩模板当紫外光透过后，能够产生±1级衍射，衍射光形成的干涉条纹对被刻写的光纤进行曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅。当光束通过刻写长周期正交错位光栅所用的振幅型掩模板时，透光部分对应的光纤会曝光，从而在纤芯中形成永久性的折射率调制，不透光部分对应的光纤不变化。

平面镜组由第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面镜组成，通过调节三个平面镜使光束通过三个平面镜后对光纤垂直进行曝光，并且两个曝光位置成90°，距离差Δz。

电机控制系统主要有两个电机组成：前进电机、旋转电机。旋转电机带动光纤绕轴向旋转，其可以实现两个方向的旋转，前进电机带动光纤沿轴向向前移动。所用的刻写光纤选用常用的光纤，如单模光纤、多模光纤，也可以是多层光纤等特殊光纤。紫外光照射到上面后能形成折射率调制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明利用掩模板，采用单面曝光刻写的方法，既可以刻写长周期正交错位光纤光栅，也可以刻写短周期的正交错位光纤光栅，可以直接利用目前所用的掩模板刻写技术，其结构简单，原理清晰，造价较低，容易实现。

附图说明

图1为本发明刻写系统装置示意图。

图2为图1的A处的具体光路示意图。

图3为采用单面曝光技术的示意图，其中一束光将光纤纤芯刻写成具有一定折射率调制深度的光栅，其中深色区域112为折射率调制，105为光纤包层，113为光纤纤芯。

图4为单面曝光光纤横截面的非对称折射率分布示意图。

图5为刻写好后的光纤光栅的分布情况示意图。

图中附图标记含义为：101为紫外光源，102为分光镜，将光束分成两束，103、108为第一准直聚焦透镜、第二准直聚焦透镜，104、109为第一掩模板、第二掩模板，105为光纤，106、107、114分别为第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜，110为旋转电机，111为前进电机，112为折射率调制深度，113为光纤纤芯。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明具体实施方式，以刻写布拉格正交错位光纤光栅为例。

如示意图1、图2所示：刻写装置由紫外光源101、第一准直聚焦透镜102、第二准直聚焦透镜108、第一掩模板103、第二掩模板109、第一平面反射镜106、第二平面反射镜107、第三平面反射镜114，分光镜102、电机控制系统110、111组成。110为旋转电机，111为前进电机。紫外光源101产生的紫外光，经过分光镜102分为两束，一束直接通过第一准直聚焦透镜103后，后照射到第一掩模板104上，形成衍射能够产生±1级衍射，衍射光形成的干涉光对被刻写的光纤105进行曝光。另一束光分别经过第一平面反射镜106、第二平面反射镜107、第三平面反射镜114反射后，经第二准直聚焦透镜108垂直照射到第二掩模板109上，后对光纤105在另一位置处进行曝光，通过调节第一平面反射镜106、第二平面反射镜107、第三平面反射镜114，使光垂直照射到光纤上,并且两个曝光位置成90°，距离差Δz。刻写采用的是单面曝光技术，刻写具有一定的深度112。刻写的过程中，首先单面照射光纤的一面，并且前进电机109带动光纤向前移动，当这一面刻写到所需的光纤光栅长度L后，如图3所示，关闭紫外光源101，这时光纤在前进电机111带动下继续向前移动Δz的距离后，关闭前进电机111，这时启动旋转电机110，光纤105在旋转电机110带动下旋转光纤旋转180°，这时关闭旋转电机110，启动紫外光源101跟前进电机111继续单面刻写光纤105。重复上述操作，直到将光纤从4个方向都被刻写成如图5所示。当刻写好后的光纤光栅用输入光是线偏振光来产生涡旋光时，Δz跟光纤光栅周期Λ的关系是：

当刻写好后的光纤光栅用输入光是圆偏振光来产生涡旋时时，Δz跟光纤光栅周期Λ的关系是：

当刻写长周期正交错位光纤光栅时，只要把刻写布拉格正交错位光纤光栅的相位掩模板换成振幅型掩模板，刻写过程类似。

本发明的创新之处在于：利用掩模板，采用单模曝光刻写的技术，既可以刻写长周期正交错位光纤光栅，也可以刻写短周期的正交错位光纤光栅，可以直接利用目前所用的掩模板刻写技术，其结构简单，原理清晰，造价较低，容易实现；稳定性高。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (6)

1.一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：包括：紫外光源(101)、第一准直聚焦透镜(102)、第二准直聚焦透镜(108)、第一掩模板(103)、第二掩模板(109)、分光镜(102)、平面镜组、电机控制系统，其中平面镜组包括第一平面反射镜(106)、第二平面反射镜(107)和第三平面镜(114)，电机控制系统包括旋转电机(110)跟前进电机(111)；紫外光源(101)产生的紫外光，经过分光镜(102)分为两束，一束直接通过第一准直聚焦透镜(103)后，后照射到掩模板(104)上，形成衍射能够产生±1级衍射，衍射光形成的干涉光对被刻写的光纤(105)进行曝光，另一束光经过平面镜组后经第二准直聚焦透镜(108)垂直照射到第二掩模板(109)上，后对光纤(105)在另一位置处进行曝光；

所述平面镜组由第一平面反射镜(106)、第二平面反射镜(107)和第三平面镜(114)组成，通过调节三个平面镜使光束通过三个平面镜后对光纤垂直进行曝光，并且两个曝光位置成90°，距离差△z。

2.根据权利要求1所述的一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：紫外光源(101)为氩离子激光器或准分子激光器。

3.根据权利要求1所述的一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：第一掩模板(103)、第二掩模板(109)是刻写布拉格光纤光栅的相位掩模板，或者是刻写长周期的振幅型掩模板；其中第一掩模板(103)跟第二掩模板(109)两者完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：前进电机(111)带动被刻写的光纤沿轴向向前移动，旋转电机(110)能够带动被刻写的光纤绕轴向旋转。

5.根据权利要求1所述的一种正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：分光镜(102)可选三棱镜或其它分光器件，其可将光束分为两束。

6.一种正交错位光纤光栅的刻写方法，利用权利要求3所述的正交错位光纤光栅的刻写装置，其特征在于：刻写采用的是单面曝光技术，刻写具有一定的深度(112)，刻写的过程中，首先单面照射光纤的一面，并且前进电机(111)带动光纤向前移动，当这一面刻写到所需的长度后，关闭紫外光源(101)，这时光纤在前进电机(111)带动下继续向前移动△z的距离后，关闭前进电机(111)，这时启动旋转电机(110)，光纤(105)在旋转电机(110)带动下旋转光纤旋转180°，这时关闭旋转电机(110)，启动紫外光源(101)跟前进电机(111)继续单面刻写光纤(115)，重复上述操作，直到将光纤从4个方向都被垂直刻写，当刻写好后的光纤光栅用输入光是线偏振光来产生涡旋光时，△z跟光纤光栅周期Λ的关系是：

$\mathrm{\Δ}z=\frac{(2n+1)\mathrm{\Λ}}{4}$

其中，n＝1，2，3....

当刻写好后的光纤光栅用输入光是圆偏振光来产生涡旋时时，△z跟光纤光栅周期Λ的关系是：

$\mathrm{\Δ}z=\frac{n\mathrm{\Λ}}{2}$

其中，n＝1，2，3....。