CN104698531B - 利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置和方法 - Google Patents

Abstract

利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置和方法，属光纤传感器的制作技术领域，该装置包括飞秒激光光源、第一、第二准直光阑、消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一、第二凸透镜、柱面透镜、第一、第二精密移动平台、位相光栅、待加工光纤、电控三维精密移动平台、宽带光源、光谱仪、计算机。该发明基于泰伯效应，利用飞秒激光照射位相光栅在光栅后面预定分数泰伯距离处形成稳定的明暗相间光强分布，经柱面透镜线聚焦辐照在待加工光纤上，待加工光纤与飞秒激光相互作用发生非线性吸收，折射率发生周期性改变，从而实现长周期光纤光栅的制备。本发明具有结构简单、飞秒激光利用率高、加工时间短、制作成本低的优点。

Description

利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置和方法

技术领域

本发明属于光纤光栅的制作领域，特别是一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置和方法。

背景技术

光纤光栅由于具有易于微型化和集成化、易于实现多参数传感测量、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布式测量等优点，已经成为最具有发展前景、应用最为广泛的光纤无源器件之一。长周期光纤光栅是近十几年才出现的一种新型的光纤光栅，现已在光纤通信和光纤传感等方面发挥越来越重要的作用。传统的利用紫外激光制备的长周期光纤光栅温度稳定性较差，特别在高温条件下可能会导致光纤的光栅特性的完全消失，不能在高温条件下使用。由于飞秒激光具有超快时间特性和超高峰值功率特性，在与材料相互作用时它能快速，准确地将能量作用在某特定的区域内，引起了材料结构的永久损伤，实现对材料折射率的调制。利用飞秒激光制备的长周期光纤光栅不存在温度稳定性差的缺点。利用飞秒激光制备长周期光纤光栅的方法大致分为两种，一种方法是利用飞秒激光直写技术加工长周期光纤光栅，如作者为Y.Kondo、K.Nouchi、T.Mitsuyu、M.Watanabe、P.G.Kazansky和K.Hirao、文献名称为"Fabrication of long-period fiber gratings by focused irradiation ofinfrared femtosecond laser pulses"(Optics Letters,Vol.24,No.10,pp646-648,1999)的文献中记载了这种方法，该方法通过聚焦飞秒激光光束，在固定飞秒激光焦点不动的情况下，利用计算机编程控制待加工光纤移动，从而制备长周期光纤光栅。此方法虽然灵活，但该方法非常耗时，而使用飞秒激光光源的成本十分昂贵，因此这种方法不利于批量生产和工业应用。另一种方法利用了飞秒激光照射振幅掩模板(参见文献"Femtosecond UVlong-period fibre grating fabrication with amplitude mask technique"OpticsCommunications,Vol.284,No.24,pp5650-5654,2011，作者为B.J.O'Regan和D.N.Nikogosyan)，即利用掩模板周期性遮挡入射飞秒激光辐照区域，实现长周期光纤光栅的制备。但该方法存在一个缺点，飞秒激光照射振幅掩模板时，部分飞秒激光能量被掩膜板遮挡住，飞秒激光的利用效率不高。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置和方法。本发明基于泰伯阵列照明器原理，利用飞秒激光照射一维纯位相光栅，在光栅后面预定分数泰伯距离处实现阵列照明，形成稳定的明暗相间光强分布，经柱面透镜线聚焦辐照在待加工光纤上，待加工光纤与飞秒激光相互作用发生非线性吸收实现对材料折射率的调制，从而制备长周期光纤光栅。本发明是利用纯位相二阶光栅分数泰伯效应获得明暗相间光强分布，该过程衍射效率为100％，克服了现有技术飞秒激光能量利用率不高的缺点；同时，本发明在制备长周期光纤光栅时一次性完成曝光，相比利用飞秒激光直写技术加工长周期光纤光栅的技术大大缩减了加工时间，降低了制作成本。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，包括飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜、第一精密移动平台、位相光栅、第二精密移动平台、待加工光纤、电控三维精密移动平台、宽带光源、光谱仪、计算机；其特征在于飞秒激光光源位于第一准直光阑之前，第一准直光阑之后顺序放置第二准直光阑、消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门和反射镜，反射镜与光路呈45度角放置，反射镜后面依次放置第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅，待加工光纤置于位相光栅之后；柱面透镜和位相光栅分别固定在第一精密移动平台和第二精密移动平台上，待加工光纤固定在电控三维精密移动平台上，其一端通过尾纤连接到宽带光源，另一端通过尾纤连接到光谱仪上；电控三维精密移动平台和计算机相连接，通过计算机可对电控三维精密移动平台连同待加工光纤进行三维精密移动 调节。

所述的飞秒激光光源是由振荡级、放大级组成的重复频率为1KHz、中心波长为800nm的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

所述的第一准直光阑、第二准直光阑为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的消色差二分之一波片与所述的偏振分光棱镜构成激光功率连续调节系统，可以实现飞秒激光光束功率的连续改变。

所述的快门是用来控制飞秒激光的辐照时间。

所述的反射镜是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。

所述的第一凸透镜、第二凸透镜构成扩束系统用来扩大光束直径。

所述柱面透镜为平凸柱面透镜。

所述的位相光栅为能在预定分数泰伯距离处实现泰伯照明的一维纯位相光栅。

所述的待加工光纤为去除涂覆层的石英光纤。

所述的宽带光源通过尾纤与待加工光纤和所述的光谱仪相连构成长周期光纤光栅加工过程中的实时透射光谱监测系统。宽带光源波长范围为800-2000nm，光谱仪测量范围为1200-1700nm。

一种利用上述装置制备长周期光纤光栅的方法，步骤如下：

(1)将上述装置中各光学器件按光路顺序搭建光路；

(2)开启飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为1.0毫瓦；

(3)打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅到达待加工光纤处，其中飞秒激光以与反射镜面呈45度角方向入射到反射镜，之后改变方向又入射到第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅，调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

(4)调整柱面透镜的母线方向与位相光栅栅线方向垂直、与待加工光纤放置方向平行,柱面透镜沿平行于位相光栅栅线方向对光斑进行线聚焦，提高辐照到待加工光纤上飞秒激光光的功率密度；

(5)开启计算机并利用计算机控制电控三维精密移动平台继续调节待加工光纤位置，用第一精密移动平台调节柱面透镜位置，用第二精密移动平台位调节相光栅位置，使待加工光纤纤芯在柱面透镜的焦线上且位于位相光栅后面能实现泰伯阵列照明的预定分数泰伯距离处；调节过程中一方面通过第一、第二移动平台及电控三维精密移动平台的精密调节，另一方面观察从待加工光纤出射的衍射条纹，当衍射条纹为相对于待加工光纤对称的平行衍射条纹时，此时光斑聚焦于待加工光纤纤芯；

(6)关闭快门，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率在1.0-1.5瓦之间；

(7)开启宽带光源、光谱仪，通过观察光谱仪屏幕上的实时光谱曲线实现对待加工光纤透射光谱的监测；

(8)开启快门，飞秒激光辐照到待加工光栅上，实时观察光谱仪屏幕上的待加工光纤透射光谱分布，经20-40秒时间得到长周期光纤光栅；

(9)关闭快门，关闭飞秒激光光源，关闭光谱仪及宽带光源，结束。

本发明利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的原理如下：

当光波照射一光栅时，在光栅后的某些位置会出现该周期物体的像，这种无需透镜而使周期物体成像的现象称为泰伯效应，出现的像称为泰伯图像。对周期为d的光栅，发生泰伯效应的距离是在光栅后面Z_T＝2Nd²/λ处，其中N＝1，2，3，…，λ为光波长，Z_T称为泰伯距离。进一步的研究还证明，在整数泰伯图像之间的某些分数泰伯距离z＝NZ_T+Z_T/n处的光场分布 也呈现相似原周期性物体的像，其中N＝0，1，2，…，n为自然数，这些像称为分数泰伯图像。基于分数泰伯效应原理，可以设计一个的纯位相光栅，在光波的照射下某些特定分数泰伯距离处会出现明暗相间的光斑阵列，也就是通常所说泰伯阵列照明器。本发明就是利用飞秒激光照射经专门设计的纯位相光栅，在光栅后面预定分数泰伯距离处形成稳定的明暗相间光强分布，经柱面透镜线聚焦辐照在待加工光纤上，待加工光纤与飞秒激光相互作用发生非线性吸收实现对材料折射率的调制，从而制备长周期光纤光栅。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明基于泰伯阵列照明器工作原理，利用飞秒激光照射二阶纯位相光栅在预定分数泰伯距离处产生明暗相间光斑辐照光纤实现长周期光纤光栅的制备，该过程的衍射效率为100％，从而大幅度提高了飞秒激光的使用效率。

(2)与飞秒激光直写技术加工长周期光纤光栅的技术相比，本发明一次性完成飞秒激光对待加工光纤的辐照，大大缩减了长周期光纤光栅的加工时间，降低了制作成本。

附图说明

图1为本发明利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置的结构示意图。

其中：1-飞秒激光光源，2-第一准直光阑，3-第二准直光阑，4-消色差二分之一波片，5-偏振分光棱镜，6-快门，7-反射镜，8-第一凸透镜，9-第二凸透镜，10-柱面透镜，11-第一精密移动平台，12-位相光栅，13-第二精密移动平台，14-待加工光纤，15-电控三维精密移动平台，16-宽带光源，17-光谱仪、18-计算机。

图2为本发明的实施例2制备的长周期光纤光栅的透射光谱曲线。

图3为本发明的实施例3制备的长周期光纤光栅的透射光谱曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1:

本发明实施例1如图1所示，一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，该装置包括飞秒激光光源1、第一准直光阑2，第二准直光阑3，消色差二分之一波片4、偏振分光棱镜5、快门6、反射镜7、第一凸透镜8、第二凸透镜9、柱面透镜10、第一精密移动平台11、位相光栅12、第二精密移动平台13、待加工光纤14、电控三维精密移动平台15、宽带光源16、光谱仪17、计算机18；其特征在于飞秒激光光源1位于第一准直光阑2之前，第一准直光阑2之后顺序放置第二准直光阑3、消色差二分之一波片4、偏振分光棱镜5、快门6、反射镜7，反射镜7与光路呈45度角放置，反射镜7后面依次放置第一凸透镜8、第二凸透镜9、柱面透镜10和位相光栅12，待加工光纤14置于位相光栅12之后；柱面透镜10和位相光栅12分别固定在第一精密移动平台11和第二精密移动平台13上，待加工光纤14固定在电控三维精密移动平台15上，其一端通过尾纤连接到宽带光源16，另一端通过尾纤连接到光谱仪17上；电控三维精密移动平台15和计算机18相连接，通过计算机18可对电控三维精密移动平台15连同待加工光纤14进行三维精密移动调节。

所述的飞秒激光光源1是由振荡级、放大级组成的重复频率为1KHz、中心波长为800nm、最大平均功率为1.5瓦、脉冲宽度为70fs的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

所述的第一准直光阑2、第二准直光阑3为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的反射镜9是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。

所述柱面透镜10为平凸柱面透镜，其焦距为60mm。

所述的位相光栅12为能在预定分数泰伯距离处实现泰伯照明的一维纯位相光栅。

所述的待加工光纤14为去除涂覆层的石英光纤。

所述的宽带光源16通过尾纤与待加工光纤14和所述的光谱仪17相连构成长周期光纤光栅加工过程中的实时透射光谱监测系统。宽带光源波长范围为800-2000nm，光谱仪测量范围为1200-1700nm。

本实施例中使用的飞秒激光光源是美国Coherent公司生产的由振荡器、放大器和泵浦激 光器组成的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。利用啁啾脉冲脉冲放大技术，振荡器产生的种子脉冲经放大系统的脉冲展宽、放大、压缩过程之后，最终可以可以输出重复频率为1KHz、中心波长为800nm、最大平均功率为1.5瓦、脉冲宽度为70fs、光束直径为8mm的飞秒激光；所述的第一准直光阑和第二准直光阑为美国Thorlabs公司生产的最大孔径为20mm的光阑；所述的消色差二分之一波片与所述的偏振分光棱镜构成激光功率连续调节系统，可以实现飞秒激光光束功率的连续改变；所述的快门是美国Vincent Associates公司生产的快门系统，其通光孔径为25mm，可以通过手动方式开启或者关闭开门，用于控制飞秒激光辐照时间；所述的第一凸透镜、第二凸透镜构成扩束系统用来扩大光束直径，其扩束比为5倍；所述的第一精密移动平台和第二精密移动平台为大恒新纪元科技股份有限公司生产一维手动精密移动平台，最小精度为1μm；所述的电控三维精密移动平台是美国Newport公司生产Esp300电控三维精密移动平台，通过计算机控制三维最小分辨率为1μm，定位精度为0.1μm，行程为100mm。所述的宽带光源为上海复享仪器设备有限公司生产的大功率宽带卤素光源，可以提供纯净的波长范围为800-2500nm的近红外光；所述的待加工光纤为去除涂覆层的CorningSMF-28普通单模光纤，纤芯直径8.3μm，包层直径为125μm；所述的光谱仪为日本横河公司生产的AQ6317C光学频谱分析仪，测量波长范围为600-1700nm，波长分辨率为0.02nm；利用尾纤将待宽带光源、待加工光纤和光谱仪相连构成长周期光纤光栅加工过程中的实时透射光谱监测系统。

实施例2:

一种利用上述装置制备长周期光纤光栅的方法，步骤如下：

(1)将上述装置中各光学器件按光路顺序搭建光路；

(2)开启飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为1.0毫瓦；

(3)打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅到达待加工光纤处，其中飞秒激光以与反射镜面呈45度角方向入射到反射镜，之后改变方向又入射到第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅，调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

(4)调整柱面透镜的母线方向与位相光栅栅线方向垂直、与待加工光纤放置方向平行；柱面透镜沿平行于位相光栅栅线方向对光斑进行线聚焦，提高辐照到待加工光纤上飞秒激光光的功率密度，本实施例中使用的是周期为100μm，开口比为1/3，位相调整为2π/3的一维纯位相光栅，在1/3泰伯距离处可产生阵列照明，光斑压缩比为3；

(5)开启计算机并利用计算机控制电控三维精密移动平台继续调节待加工光纤位置，用第一精密移动平台调节柱面透镜位置，用第二精密移动平台位调节相光栅位置，使待加工光纤纤芯在柱面透镜的焦线上且位于位相光栅后面能实现泰伯阵列照明的1/3泰伯距离处；调节过程中一方面通过第一、第二移动平台及电控三维精密移动平台的精密调节，另一方面观察从待加工光纤出射的衍射条纹，当衍射条纹为相对于待加工光纤对称的平行衍射条纹时，此时光斑聚焦于待加工光纤纤芯；

(6)关闭快门，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为1.1瓦；

(7)开启宽带光源、光谱仪，通过观察光谱仪屏幕上的实时光谱曲线实现对待加工光纤透射光谱的监测；

(8)开启快门，飞秒激光辐照到待加工光栅上，实时观察光谱仪屏幕上的待加工光纤透射光谱分布，经36秒得到长周期光纤光栅，图2为本实施例中制备的长周期光纤光栅透射光谱分布曲线，最高的谐振峰峰值深度为-12.7dB。

(9)关闭快门，关闭飞秒激光光源，关闭光谱仪及宽带光源，结束。

实施例3：

和实施例2步骤相同，只是步骤(4)中使用周期为200μm、开口比为1/3、位相调制为2π/3的一维纯位相光栅；步骤(6)中用光功率计测量的从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为1.4瓦；步骤(8)中开启快门后，飞秒激光对待加工光栅的辐照时间为25秒，得到长周期光纤光栅，图3为制备的长周期光纤光栅透射光谱分布曲线，最高的谐振峰峰值深度为-13.9dB。

Claims (8)

1.一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，包括飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜、第一精密移动平台、位相光栅、第二精密移动平台、待加工光纤、电控三维精密移动平台、宽带光源、光谱仪、计算机；其特征在于飞秒激光光源位于第一准直光阑之前，第一准直光阑之后顺序放置第二准直光阑、消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门和反射镜，反射镜与光路呈45度角放置，反射镜后面依次放置第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅，待加工光纤置于位相光栅之后；柱面透镜和位相光栅分别固定在第一精密移动平台和第二精密移动平台上，待加工光纤固定在电控三维精密移动平台上，其一端通过尾纤连接到宽带光源，另一端通过尾纤连接到光谱仪上；电控三维精密移动平台和计算机相连接，通过计算机可对电控三维精密移动平台连同待加工光纤进行三维精密移动调节；所述的位相光栅为能在预定分数泰伯距离处实现泰伯阵列照明的一维纯位相光栅。

2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述的飞秒激光光源是由振荡级、放大级组成的重复频率为1KHz、中心波长为800nm的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

3.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述的反射镜是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。

4.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述柱面透镜为平凸柱面透镜。

5.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述的待加工光纤为去除涂覆层的石英光纤。

6.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述的第一准直光阑、第二准直光阑为圆形孔径、直径可调式光阑。

7.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置，其特征在于所述的宽带光源波长范围为800-2000nm，光谱仪测量范围为1200-1700nm。

8.一种利用如权利要求1所述的利用飞秒激光泰伯效应制备长周期光纤光栅的装置制备长周期光纤光栅的方法，步骤如下：

(1)将上述装置中各光学器件按光路顺序搭建光路；

(2)开启飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为1.0毫瓦；

(3)打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过消色差二分之一波片、偏振分光棱镜、快门、反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅到达待加工光纤处，其中飞秒激光以与反射镜面呈45度角方向入射到反射镜，之后改变方向又入射到第一凸透镜、第二凸透镜、柱面透镜和位相光栅，调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

(4)调整柱面透镜的母线方向与位相光栅栅线方向垂直、与待加工光纤放置方向平行；

(5)开启计算机并利用计算机控制电控三维精密移动平台继续调节待加工光纤位置，用第一精密移动平台调节柱面透镜位置，用第二精密移动平台位调节相光栅位置，使待加工光纤纤芯在柱面透镜的焦线上且位于位相光栅后面能实现泰伯阵列照明的预定分数泰伯距离处；调节过程中一方面通过第一、第二移动平台及电控三维精密移动平台的精密调节，另一方面观察从待加工光纤出射的衍射条纹，当衍射条纹为相对于待加工光纤对称的平行衍射条纹时，此时光斑聚焦于待加工光纤纤芯；

(6)关闭快门，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率在1.0-1.5瓦之间；

(7)开启宽带光源、光谱仪，通过观察光谱仪屏幕上的实时光谱曲线实现对待加工光纤透射光谱的监测；

(8)开启快门，飞秒激光辐照到待加工光栅上，实时观察光谱仪屏幕上的待加工光纤透射光谱分布，经20-40秒时间得到长周期光纤光栅；

(9)关闭快门，关闭飞秒激光光源，关闭光谱仪及宽带光源，结束。