CN104765099A - 一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，采用激光器、扩束镜、会聚透镜、半透半反镜、反射镜、傅里叶透镜、柱面镜等形成横向剪切Sagnac干涉光纤光栅刻写光路，获得对比度高、周期可调的线型干涉图样，作用在光纤(或其他导波材料)纤芯上，刻写光栅。通过调节Sagnac干涉仪的横向剪切量可以在线连续改变所刻光栅的周期，实现周期可调的光纤光栅的刻写。利用微位移平台实现了干涉仪剪切量的微调，根据方程可获得所需的任意光栅周期。本发明光路调节简单、对激光光源相干性要求低、条纹对比度高、稳定性好、光栅周期可在线连续调整，解决了现有掩模板刻写光栅方案中更换掩模板成本高、光路调节复杂等问题。

Description

一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法

技术领域

本发明属于光纤微纳器件制备领域，涉及一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，特别涉及一种共光路、成本低的利用Sagnac干涉仪横向剪切技术在光纤内部制备周期可调光栅的方法及其装置。

背景技术

光纤布拉格光栅是一种纤芯折射率周期性调制的结构，对波长满足布拉格条件的入射光产生反射，是一种在光纤通讯、光纤传感等领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤布拉格光栅目前的制作工艺主要有相位掩模板法、逐点刻写法、双光束干涉法等。所使用的刻写光源有紫外连续激光器、紫外脉冲激光器、红外脉冲激光等。相位掩模法具有稳定、重复性等特点，但也存在以下不足，需要更换不同周期的相位掩模板才能实现不同波长光栅的制备，成本较高。激光器的相干长度、外界的震动、非均匀温度场等因素会影响双光束干涉法的成栅质量，对光路光程匹配要求高。

Sagnac干涉仪具有互易性共光路的特点。该光路对激光的相干性要求低，具有抗外界环境振动、温度不均匀等因素干扰的能力，能产生高对比度、干涉条纹均匀的干涉场。通过平移Sagnac干涉仪中一面反射镜的位置，可使干涉仪中正反方向传播的两束光获得横向剪切量，实现条纹周期的在线连续调整。利用这一特点提出了一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，具有共光路抗外界环节干扰，光路调节简单，激光相干性要求低，制备效率高，干涉场稳定、对比度高，周期在线连续可调等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服制备不同周期光纤光栅成本高，光路调节复杂、对激光相干性要求高、光栅条纹对比度受限等问题，提供一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，能够获得条纹均匀对比度高、周期在线连续可调的光纤光栅。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

本发明提供一种刻写周期可调光纤光栅的装置，刻写装置由激光光束整形系统、激光干涉系统和样品夹持系统依次连接构成，激光光束整形系统由激光器、功率调节器、扩束镜组成；激光干涉系统由会聚透镜、半透半反镜、反射镜、傅里叶透镜、柱面镜组成；夹持系统由光纤及光纤夹持器组成；

激光器输出激光依次经过功率调节器、扩束镜、会聚透镜分束镜后，透射光经过反射镜后由傅里叶透镜和柱透镜聚焦至样品，反射光经过反射镜后由傅里叶透镜和柱透镜聚焦至样品；

反射镜与x轴方向夹角α固定，反射镜与y轴方向夹角β固定，α+β＝45°，反射镜与半透半反镜的距离分别为a和b，处于对称位置时满足a＝btan2β关系；

柱透镜26焦距f₃应该小于傅里叶透镜25焦距f₂，根据刻写光栅能量密度阈值、纤芯尺寸要求，应选择短焦距柱透镜。

进一步的，所述装置可以是分立元件，也可以是封装成模块，采用手动调节或程序控制调节。

另外，本发明提供一种刻写周期可调光纤光栅的方法，包括以下步骤：

步骤1)、组建光纤光栅刻写光路，所述光纤光栅刻写光路上的光学元件包括激光器、功率调节器、扩束镜、会聚透镜、反射镜、半透半反镜、傅里叶透镜、柱面镜、光纤夹具、位移调节平台；

步骤2)、将反射镜调节至对称位置，此时在Sagnac干涉仪内沿正反方向传播的两束光重合，无干涉现象产生；

步骤3)、根据光栅周期与平移量的关系模型，平移反射镜位置，获得所需周期的光栅；

步骤4)、移动傅里叶透镜，使会聚透镜的聚焦光斑位于傅里叶透镜的前焦面；

步骤5)、调节光纤位置，使其位于傅里叶透镜后焦面处，观察光纤后的衍射光斑，调节光纤的上下方位使其平分光斑；

步骤6)、平移柱面镜使激光聚焦光纤纤芯进行光栅刻写，获得光纤布拉格光栅或长周期光栅。

进一步的，通过调节反射镜平移量能调节光栅的周期Λ，光栅周期Λ与反射镜平移量Δ的关系模型为：

$\mathrm{\Λ}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \left(\arctan \left(\frac{\sqrt{2}\mathrm{\Δ}}{2f_2}\right)\right)}$

其中，λ为工作激光波长，反射镜平移量Δ为反射镜相对于对称位置的平移量，f₂为傅里叶透镜的焦距。

进一步的，所述的光纤为光纤或其它具备光致折射率变化的导波介质。

进一步的，所述的激光器工作波长可以为紫外波段激光或红外波段激光。

进一步的，所述的平移反射镜可以是平移第一反射镜23沿y轴移动，也可以是平移第二反射镜24沿x轴移动，每次均移动同一个反射镜。

进一步，所述方法及装置可以在同一根光纤纤芯的不同位置上，实现不同中心波长的分布式光纤布拉格光栅阵列的制备；根据平移量与周期、中心波长的关系，在激光工作波长为193nm，纤芯有效折射率为1.448的情况下，平移反射镜6.25～6.56mm，10μm为步进，可实现在1510～1590nm范围内中心波长间隔约2.5nm的32个光栅阵列的制备。

本发明的原理在于：

一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，该方法采用Sagnac横向剪切光路将入射的会聚光束均分成具有相干性的两个点光源，经傅里叶透镜及柱透镜会聚，使两束光重合形成干涉场，通过平移Sagnac干涉仪中的一面反射镜，可实现周期在线连续可调光纤光栅的刻写。

进一步的，用Sagnac干涉仪中正反方向传播的两束光传播路径相同，为互易光路。

进一步的，所获得的干涉场为零相位偏置，光强分布模型I(x)及条纹对比度K为：

$I\left(x\right)=I_0+I_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{\mathrm{\Δx}}{f_2})$

$K=\frac{I_M-I_m}{I_M+I_m}=\frac{I_0-0}{I_0+0}=1$

其中，I₀为激光光强，λ为激光工作波长，Δ为反射镜相对于对称位置的平移量，f₂为傅里叶透镜焦距，I_M和I_m分别为干涉条纹的最大光强及最小光强。

进一步的，光纤光栅周期Λ与反射镜的平移量Δ的关系模型及对应的光栅中心波长λ_B模型为：

$\mathrm{\Λ}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \left(\arctan \left(\frac{\sqrt{2}\mathrm{\Δ}}{2f_2}\right)\right)}$

mλ_B＝2n_effΛ

其中λ为激光工作波长，反射镜平移量Δ为反射镜相对于对称位置的平移量，m为光栅阶数，n_eff为光纤纤芯等效折射率。

进一步的，平移反射镜Δ时，在Sagnac干涉仪内正反方向传播的两个光束产生横向剪切量，即从Sagnac干涉仪出射的两个光束分开的距离。

本发明一种刻写周期可调光纤光栅的方法及装置的有益效果是：

(1)、本发明采用Sagnac干涉仪共光路结构形成两个相干的点光源，大大提高光路的稳定性，提高了干涉条纹的对比度。

(2)、本发明通过调节Sagnac干涉仪的一面反射镜的位置，简化了改变光栅周期的操作，具有成本低、效率高、无需重新对准光路等优点。

(3)、本发明的方法及装置系统简单可靠、成本低、共光路抗外界干扰性强、光栅周期在线调节简单、光栅制备效率高，可元件分立或模块集成化使用，广泛应用于不同周期的光纤光栅的制备，进一步推广光纤光栅的传感通讯等应用。

附图说明

图1为本发明涉及的装置结构示意图。

图2为反射镜处于对称位置时的示意图。

图3为激光经Sagnac干涉仪横向剪切的两束光传播示意图。

图4为激光工作波长为193nm、光纤纤芯有效折射率为1.448的情况下，光栅周期、中心波长与反射镜平移量的关系曲线示意图，在周期为1040～1100nm范围内，平移量Δ与光栅周期Λ可近似为线性关系Δ＝-0.00589Λ+12.657，线性度R²＝0.9997。

图5为本发明涉及的装置集成模块示意图。

图1中，1是激光整形系统，2是激光干涉系统，3是光纤夹持系统。激光整形系统中，11是激光器、12是功率调节器、13是扩束镜。激光干涉系统2中，21是会聚透镜、22是半透半反镜、23是第一反射镜、24是第二反射镜(24’为第二反射镜24平移后的情况)、25是傅里叶透镜、26是柱面镜。光纤夹持系统3中，31是第一光纤夹持器、33是第二光纤夹持器、32是光纤。

图2中，22是半透半反镜、23及24是反射镜。

图5中，41是挡板，42是导轨，43是第一一维位移平台，44是固定平台，45是第二一维位移平台，46是第三一维位移平台，47是固定平台，48是三维位移平台，49是模块底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。

1)激光工作波长、元器件焦距、孔径等参数选择

用于光栅刻写的激光器为193nm ArF激光器，光斑直径约6.5mm。为了得到栅区长度为5mm的光栅，选用扩束镜倍数为4，会聚透镜焦距260mm尺寸Φ35mm，傅里叶透镜50mm尺寸Φ35mm，柱面镜焦距20mm尺寸Φ35mm，半透半反镜尺寸Φ35mm，反光镜尺寸Φ50mm的光学元件。

2)光纤光栅刻写光路组建

参考图2及图5所示，光纤光栅刻写光路有激光器11、功率调节器12、扩束镜13、会聚透镜21、半透半反镜22、第一反射镜23、第二反射镜24、傅里叶透镜25、柱面镜26、第一光纤夹具31、第二光纤夹具33、位移调节平台构成。会聚透镜22，半透半反镜22及第一反射镜23置于固定平台44上，并固定在导轨42上；第二反射镜24固定在第一一维位移平台43上，并置于导轨42上；傅里叶透镜25及柱面镜26分别固定在第二和第三一维位移平台上，并置于导轨42上；光纤夹具31及32固定在固定平台48的两端，固定平台48置于三维位移平台48并置于导轨42上。以激光传输路径为基准，调节上述光学元件，使其中心对准。Sagnac干涉仪的两面反射镜23、24分别于水平和竖直方向成22.5°和22.5°角，距离半透半反镜62mm，即a＝b＝62mm。将光纤剥去一段涂覆层，固定在光纤夹具31、33上，移至傅里叶透镜25后焦面附近。光纤两端连接光谱仪及宽谱光源。

3)光栅周期调节

为获得周期为1070nm，中心波长为1550nm附近的2阶布拉格光栅，参考图3，应平移反射镜6.35mm，此时Sagnac干涉仪内光的传播方式参考图4所示。

4)光纤位置调节

观察光纤后面的衍射光斑，调节光纤上下位置，使光纤始终平分衍射光斑。

5)光栅刻写

移动柱面镜使激光逐渐聚焦到纤芯，同时观察光谱仪中光栅的生长情况，完成光栅刻写。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，该装置由激光光束整形系统、激光干涉系统和样品夹持系统依次连接构成，所述的激光光束整形系统由激光器(11)、功率调节器(12)、扩束镜(13)组成；所述的激光干涉系统由会聚透镜(21)、半透半反镜(22)、第一反射镜(23)、第二反射镜(24)、傅里叶透镜(25)、柱面镜(26)组成；所述的夹持系统由光纤(32)及第一光纤夹持器(31)、第二光纤夹持器(33)组成；其中：

由激光器(11)输出激光依次经过功率调节器(12)、扩束镜(13)、会聚透镜(21)、分束镜(22)后，反射光经过第一反射镜(23)反射后再经过分束镜(22)由傅里叶透镜(25)和柱透镜(26)聚焦至光纤(32)；透射光经过第二反射镜(24)后再经过分束镜(22)由傅里叶透镜(25)和柱透镜(26)聚焦至光纤(32)。

2.根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，第一反射镜(23)与x轴方向夹角α固定，第二反射镜(24)与y轴方向夹角β固定，α+β＝45°，第一反射镜(23)、第二反射镜(24)与半透半反镜(22)的距离分别为a和b，处于对称位置时满足a＝btan2β关系。

3.根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，所述柱透镜(26)焦距f₃应该小于傅里叶透镜(25)焦距f₂，根据刻写光栅能量密度阈值、纤芯尺寸要求，应选择短焦距柱透镜。

4.根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，所述装置可以是分立元件，也可以是封装成模块，所述装置可以采用手动调节或程序控制调节。

5.一种刻写周期可调光纤光栅的方法，该方法利用权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、组建光纤光栅刻写光路，利用权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置；

步骤2)、将第一反射镜、第二反射镜调节至对称位置，此时在Sagnac干涉仪内沿正反方向传播的两束光重合，无干涉现象产生；

步骤3)、根据光栅周期与平移量的关系模型，平移第一反射镜或第二反射镜位置，获得所需周期的光栅；

步骤4)、移动傅里叶透镜，使会聚透镜的聚焦光斑位于傅里叶透镜的前焦面；

步骤5)、调节光纤位置，使其位于傅里叶透镜后焦面处，观察光纤后的衍射光斑，调节光纤的上下方位使其平分光斑；

步骤6)、平移柱面镜使激光聚焦光纤纤芯进行光栅刻写，获得光纤布拉格光栅或长周期光栅。

6.根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，通过调节反射镜平移量能调节光栅的周期Λ，光栅周期Λ与反射镜平移量Δ的关系模型为：

$\mathrm{\Λ}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \left(\arctan \left(\frac{\sqrt{2}\mathrm{\Δ}}{2f_2}\right)\right)}$

其中，λ为工作激光波长，反射镜平移量Δ为反射镜相对于对称位置的平移量，f₂为傅里叶透镜的焦距。

7.根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的光纤为光纤或其它具备光致折射率变化的导波介质。

8.根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的激光器工作波长可以为紫外波段激光或红外波段激光。

9.根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的平移反射镜可以是平移第一反射镜(23)沿y轴移动，也可以是平移第二反射镜(24)沿x轴移动，每次均移动同一个反射镜。

10.根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述方法可以在同一根光纤纤芯的不同位置上，实现不同中心波长的分布式光纤布拉格光栅阵列的制备；根据平移量与周期、中心波长的关系，在激光工作波长为193nm，纤芯有效折射率为1.448的情况下，平移反射镜6.25～6.56mm，10μm为步进，可实现在1510～1590nm范围内中心波长间隔约2.5nm的32个光栅阵列的制备。