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

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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:
Λ ( Δ ) = λ 2 sin ( arctan ( 2 Δ 2 f 2 ) )
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 ( x ) = I 0 + I 0 cos ( 2 π λ · Δx f 2 )
K = I M - I m I M + I m = 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,IM和Im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λB模型为:
Λ ( Δ ) = λ 2 sin ( arctan ( 2 Δ 2 f 2 ) )
B=2neffΛ
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,neff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:
Λ ( Δ ) = λ 2 sin ( arctan ( 2 Δ 2 f 2 ) )
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。
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