CN104076435B - 取样光纤布拉格光栅sfbg的飞秒激光制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置及方法，将两个直径不同，其它参数均相同的光学斩波器叶片叠加，这两个叶片的相对位置可连续调节，对飞秒激光的强度进行调制，将调制后的飞秒激光聚焦后照射在光纤的纤芯上，光纤固定在一高精度的微位移平台上，并沿与激光束垂直的方向匀速移动，通过改变微位移平台的移动速度和光学斩波器的调制频率及占空比可制作出取样周期和占空比均连续可调的SFBG。本制作方法和装置具有操作方便、制作效率高等优点，适用于制作复杂结构的SFBG，可广泛应用于多波长光纤滤波器和光纤激光器系统中。

Description

取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置及方法

技术领域

本发明属于非均匀光纤光栅的制作领域，涉及一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置及方法。

背景技术

随着光纤通信技术的迅猛发展，多波长光纤滤波技术在密集波分复用系统和可调谐光纤激光器中发挥着越来越重要的作用。取样光纤光栅(SampledfiberBragggrating，SFBG)由于其较低的插入损耗、多波长输出等特性逐渐得到广泛的应用。SFBG是由多段具有相同参数的均匀光纤光栅等间隔级联而成，是一种非均匀光纤光栅，其反射光谱呈现梳状滤波的等间距尖峰，除了用作梳状滤波器外，还可用于波分复用系统中的光分插复用器和可调谐光纤激光器中的反射器，因此制作高质量的SFBG对光纤通信和光纤激光器的发展具有积极的促进作用。

通常人们在相位掩模板前增加一振幅掩模板来制作SFBG，该方法的缺点是制作的光栅周期由相位掩模板的周期唯一确定，取样周期和占空比分别由振幅掩模板的周期和占空比唯一确定，均不可调节。近年来，飞秒激光凭借优异的特性以点对点(Point-by-point，PbP)方式可在光纤中写入复杂结构的光纤光栅。2010年G.D.Marshall等将飞秒激光器内部的时钟源改造成可切换的两个触发器——主触发器和可延迟的触发器对飞秒激光的强度和相位进行调制，写入具有π/2相移50％占空比的SFBG，虽然该方法可写入复杂结构的光纤光栅，但需对飞秒激光器进行改造，难度较大，且占空比不易调节。2011年李玉华等公开了一种SFBG的制作方法，该方法先用飞秒激光和相位掩模板在光纤上刻写均匀的光纤布拉格光栅(FiberBragggrating，FBG)，再将飞秒激光聚焦后利用PbP方式在FBG上间隔一定长度逐点制作SFBG，该方法的优点是可通过改变逐点写入的距离调节SFBG的取样周期，缺点是FBG的光栅周期依然由相位掩模板的周期唯一确定，且需要搭建两套飞秒激光写入系统，写入过程复杂，SFBG的占空比不可调。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置及方法，利用一占空比连续可调的光学斩波器对飞秒激光进行强度调制，再将调制后的飞秒激光聚焦后用逐点写入的方式在光纤中一次制作SFBG，解决当前SFBG的制作方法中其取样周期和占空比不能连续调节的问题。

技术方案

一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于飞秒激光系统1、1/2波片2、偏振片3、半透半反镜4、光功率计5、CCD6、光学斩波器7、显微物镜9、光纤10、微位移平台11和照明光源12；在飞秒激光系统1与照明光源12的光路上依次设有1/2波片2、偏振片3、半透半反镜4、光学斩波器7、显微物镜9和光纤10，其中半透半反镜4与光路呈45度设置；光功率计5和CCD6相对飞秒激光系统1与照明光源12的光路呈90度，且设置在半透半反镜4反射光路的轴线上；所述光纤10固定在微位移平台11上，以垂直光路左右移动；所述的光学斩波器是由两个叶片叠加而成，两个叶片的占空比均为50％，对飞秒激光束进行调制。

所述两个叶片的直径不同，其余参数均相同；小直径叶片边沿设有一指针，大直径的叶片边沿刻有角度，两个叶片的直径大小差值为大直径叶片边沿角度刻线的长度。

所述光学斩波器7受控于光学斩波器控制器8，光学斩波器控制器8控制两个叶片的斩波频率，通过调整两个叶片的相对叠加位置，使得调制信号的占空比在0％～50％范围内连续可调。

所述两个叶片上各个槽片的透过率对入射激光具有函数分布，实现对SFBG进行切趾，减小SFBG反射光谱中的旁瓣，提高信道隔离度。

所述函数为高斯函数、汉明函数、Sinc函数或超高斯函数。

所述飞秒激光系统为掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

一种利用所述装置在光纤中制作出SFBG的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：飞秒激光系统输出的飞秒激光束经一1/2波片和偏振片组合来调节飞秒激光束的能量；

步骤2：能量调节后的飞秒激光束透过半透半反镜再经光学斩波器调制，

步骤3：调制后的飞秒激光束经显微物镜聚焦，使聚焦光束的焦点位于垂直于光路左右移动光纤的纤芯上，在光纤中制作出SFBG；

所述SFBG的光栅周期为：其中：f为飞秒激光束的重复频率，v为微位移平台的移动速度；

SFBG反射谱的中心波长λ_B为：其中：n_eff为纤芯的有效折射率，m为光纤光栅的阶数；

SFBG反射谱中，中心波长λ_B两侧各次级反射峰的波长为：

${\mathrm{\λ}}_{+n}=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{+n}}{\text{m}}$

${\mathrm{\λ}}_{-n}=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{-n}}{\text{m}}$

其中：正负号分别表示右、左两侧，n为反射峰的级次，且有

${\mathrm{\Λ}}_{+n}=\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{lf}}{\mathrm{lf}-\mathrm{nv}}$

${\mathrm{\Λ}}_{-n}=\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{lf}}{\mathrm{lf}+\mathrm{nv}}$

其中：l为SFBG的取样周期，F为光学斩波器的斩波频率；

SFBG反射谱各反射峰的波长间隔，即信道间隔为：

SFBG的占空比T为：T＝P，其中：P为光学斩波器的占空比。

有益效果

本发明提出的一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置及方法，将两个直径不同，其它参数均相同的光学斩波器叶片叠加，这两个叶片的相对位置可连续调节，对飞秒激光的强度进行调制，将调制后的飞秒激光聚焦后照射在光纤的纤芯上，光纤固定在一高精度的微位移平台上，并沿与激光束垂直的方向匀速移动，通过改变微位移平台的移动速度和光学斩波器的调制频率及占空比可制作出取样周期和占空比均连续可调的SFBG。

本发明用调制后的飞秒激光以PbP方式在光纤中制作SFBG，SFBG的折射率调制度由飞秒激光的强度决定，光栅长度由微位移平台的移动量决定，光栅周期由微位移平台的移动速度和飞秒激光的重复频率决定，取样周期由光学斩波器的斩波频率和微位移平台的移动速度决定，SFBG的占空比由光学斩波器的占空比决定。通常飞秒激光器的重复频率固定，通过调节光学斩波器的斩波频率、占空比和微位移平台的速度可以很方便地调节SFBG的参数。另外，可将光学斩波器叶片的不透明槽片设计成其透过率对入射激光具有一定的函数分布，实现对SFBG进行切趾，减小SFBG反射光谱中的旁瓣，提高信道隔离度。因此该制作方法和装置具有操作方便、制作效率高等优点，适用于制作复杂结构的SFBG，可广泛应用于多波长光纤滤波器和光纤激光器系统中。

附图说明

图1为取样光纤光栅的飞秒激光制作实验装置结构示意图。

图2为两个光学斩波器的叶片叠加示意图。

图3为制作的SFBG结构示意图。

其中：1.飞秒激光系统；2.1/2波片；3.偏振片；4.半透半反镜；5.光功率计；6.CCD；7.光学斩波器；8.光学斩波器控制器；9.显微物镜；10.光纤；11.微位移平台；12.照明光源；13.光纤的包层；14.光纤的纤芯。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例：从掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出的飞秒激光经一1/2波片和偏振片组合来调节其能量，再由一半透半反镜分束，从半透半反镜反射的激光由一光功率计接收，用于监测飞秒激光的能量。透过半透半反镜的激光经一光学斩波器调制，调制后的飞秒激光由一高倍率的显微物镜聚焦，使聚焦光束的焦点位于光纤的纤芯上，光纤由两个光纤夹具固定在一高精度的三维微位移平台上，并以一定的速度使光纤沿纵向(垂直激光束方向)匀速移动。被光学斩波器遮挡的光纤由于没有受到飞秒激光照射，其折射率未发生变化，形成非光栅区，而未被光学斩波器遮挡的光纤则受光照，每个飞秒激光脉冲在光纤上形成一个折射率调制点，形成光栅区，此结构在光纤移动过程中交替出现，最终在光纤中制作出SFBG。

设光学斩波器的斩波频率为F，占空比为P，飞秒激光的重复频率为f，微位移平台的移动速度为v，则SFBG的光栅周期为

$\mathrm{\Λ}=\frac{v}{f}---\left(1\right)$

根据耦合模理论，SFBG反射谱的中心波长λ_B为

${\mathrm{\λ}}_B=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}}{m}---\left(2\right)$

式中，n_eff为纤芯的有效折射率，m为光纤光栅的阶数。

由式(1)和(2)可得

${\mathrm{\λ}}_B=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{mf}}---\left(3\right)$

由傅里叶变换理论，SFBG反射谱中中心波长λ_B两侧各次级反射峰的波长为

${\mathrm{\λ}}_{+n}=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{+n}}{m}---\left(4\right)$

${\mathrm{\λ}}_{-n}=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{-n}}{m}---\left(5\right)$

式中，+为右侧，-为左侧，n为反射峰的级次，且有

${\mathrm{\Λ}}_{+n}=\mathrm{\Λ}\frac{l}{l-\mathrm{n\Λ}}=\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{lf}}{\mathrm{lf}-\mathrm{nv}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\Λ}}_{-n}=\mathrm{\Λ}\frac{l}{l+\mathrm{n\Λ}}=\mathrm{\Λ}\frac{\mathrm{lf}}{\mathrm{lf}+\mathrm{nv}}---\left(7\right)$

则由式(4)～(7)可知，各反射峰的波长间隔，即信道间隔为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^2}{2n_{\mathrm{eff}}l}---\left(8\right)$

式中，l为SFBG的取样周期，可表示为

$l=\frac{v}{F}---\left(9\right)$

可见，SFBG的取样周期可通过改变微位移平台的移动速度和光学斩波器的斩波频率来调节。

设SFBG各取样周期中，受光照的长度为a，未受光照的长度为b，则

$a=\frac{v}{F}P---\left(10\right)$

$b=\frac{v}{F}(1-P)---\left(11\right)$

则SFBG的占空比T可表示为

$T=\frac{a}{l}=P---\left(12\right)$

可见，SFBG的占空比可通过改变光学斩波器的占空比来调节。

具体实施例如图1所示，由飞秒激光系统1产生中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为1KHz的飞秒激光，用1/2波片2和偏振片3组合来调节其光强，再由半透半反镜4分束，从半透半反镜反射的激光由光功率计5接收，用于监测飞秒激光的光强。

透过半透半反镜的激光由光学斩波器7进行调制，如图2所示，该光学斩波器是由两个叶片叠加而成，这两个叶片的占空比均为50％，除直径不同外，其余参数均相同，直径较大的叶片7-1边沿刻有角度，直径较小的叶片7-2边沿有一指针，用于精确调节两叶片之间的相对位置，相对位置确定后紧紧固定，实现对飞秒激光强度的调制，该调制信号的占空比在0％～50％范围内连续可调。本实施例中两个叶片的槽数均为6，实际操作中可根据所需的斩波频率增加或减少。

调制后的飞秒激光由显微物镜9聚焦，显微物镜的倍率为40以上，使聚焦光束的焦点位于光纤10的纤芯上，该光纤可以是普通单模光纤、光子晶体光纤和保偏光纤等，也可以是纯硅光纤、掺杂增益光纤、硫化物光纤、氟化物光纤和塑料光纤等。

光纤10由两个光纤夹具固定在一高精度的三维微位移平台11上，并以一定的速度使光纤沿纵向(垂直激光束方向)匀速移动。对于普通单模光纤和1KHz的飞秒激光，由式(3)可知，在1550nm波长处要形成一阶、二阶和三阶光栅所对应的速度分别为0.535mm/s、1.078mm/s和1.605mm/s。

被光学斩波器遮挡的光纤由于没有受到飞秒激光照射，其折射率未发生变化，形成非光栅区，未被光学斩波器遮挡的光纤则受光照，每个飞秒激光脉冲在光纤上形成一个折射率调制点，形成光栅区，此结构在光纤移动过程中交替出现，最终在光纤中制作出SFBG，如图3所示。

用一照明光源12侧面照射光纤10，透射的照明光依次经显微物镜9、光学斩波器7和半透半反镜4后由CCD6接收，用于整个制作过程中光纤的调节和监测。

在实际应用中，可以根据需要选择不同斩波频率和占空比的光学斩波器对飞秒激光的强度进行调制，以实现所需取样周期和占空比的SFBG。因此，本发明具有广泛的应用价值。

Claims (7)

1.一种取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述飞秒激光制作装置包括飞秒激光系统(1)、1/2波片(2)、偏振片(3)、半透半反镜(4)、光功率计(5)、CCD(6)、光学斩波器(7)、显微物镜(9)、光纤(10)、微位移平台(11)和照明光源(12)；在飞秒激光系统(1)与照明光源(12)的光路上依次设有1/2波片(2)、偏振片(3)、半透半反镜(4)、光学斩波器(7)、显微物镜(9)和光纤(10)，其中半透半反镜(4)与光路呈45度设置；光功率计(5)和CCD(6)相对飞秒激光系统(1)与照明光源(12)的光路呈90度，且设置在半透半反镜(4)反射光路的轴线上；所述光纤(10)固定在微位移平台(11)上，以垂直光路左右移动；所述的光学斩波器是由两个叶片叠加而成，两个叶片的占空比均为50％，对飞秒激光束进行调制。

2.根据权利要求1所述取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述两个叶片的直径不同，其余参数均相同；小直径叶片边沿设有一指针，大直径的叶片边沿刻有角度，两个叶片的直径大小差值为大直径叶片边沿角度刻线的长度。

3.根据权利要求1或2所述取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述光学斩波器(7)受控于光学斩波器控制器(8)，光学斩波器控制器(8)控制两个叶片的斩波频率，通过调整两个叶片的相对叠加位置，使得调制信号的占空比在0％～50％范围内连续可调。

4.根据权利要求1或2所述取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述两个叶片上各个槽片的透过率对入射激光具有函数分布，实现对SFBG进行切趾，减小SFBG反射光谱中的旁瓣，提高信道隔离度。

5.根据权利要求4所述取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述函数为高斯函数、汉明函数、Sinc函数或超高斯函数。

6.根据权利要求4所述取样光纤布拉格光栅SFBG的飞秒激光制作装置，其特征在于：所述飞秒激光系统为掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

7.一种利用权利要求1～6所述任一项装置在光纤中制作出SFBG的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：飞秒激光系统输出的飞秒激光束经一1/2波片和偏振片组合来调节飞秒激光束的能量；

步骤2：能量调节后的飞秒激光束透过半透半反镜再经光学斩波器调制，

步骤3：调制后的飞秒激光束经显微物镜聚焦，使聚焦光束的焦点位于垂直于光路左右移动光纤的纤芯上，在光纤中制作出SFBG；

所述SFBG的光栅周期为：其中：f为飞秒激光束的重复频率，v为微位移平台的移动速度；

SFBG反射谱的中心波长λ_B为：其中：n_eff为纤芯的有效折射率，m为光纤光栅的阶数；

SFBG反射谱中，中心波长λ_B两侧各次级反射峰的波长为：

${\mathrm{\λ}}_{+n}=\frac{2n_{eff}{\mathrm{\Λ}}_{+n}}{m}$

${\mathrm{\λ}}_{-n}=\frac{2n_{eff}{\mathrm{\Λ}}_{-n}}{m}$

其中：正负号分别表示右、左两侧，n为反射峰的级次，且有

${\mathrm{\Λ}}_{+n}=\mathrm{\Λ}\frac{lf}{lf-nv}$

${\mathrm{\Λ}}_{-n}=\mathrm{\Λ}\frac{lf}{lf+nv}$

其中：l为SFBG的取样周期，F为光学斩波器的斩波频率；

SFBG反射谱各反射峰的波长间隔，即信道间隔为：

SFBG的占空比T为：T＝P，其中：P为光学斩波器的占空比。