CN105137532A - 一种同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置，利用一柱面透镜将飞秒激光束在横向进行压缩，压缩后的片状飞秒激光垂直照射在平行排列的光纤束上，每根光纤的纤芯均位于柱面透镜的焦线处，光纤束固定在一高精度的电控微位移平台上，并且可以沿着垂直于激光束入射的方向横向匀速移动；在移动过程中，飞秒激光脉冲同时在每根光纤的纤芯上诱导出周期性的折射率调制点，通过设定飞秒激光脉冲的脉冲频率和电控微位移平台的移动速度及移动量，便可以同时在多根光纤中写入光纤光栅。由于采用峰值强度很高的飞秒激光脉冲作为写入光源，所诱导的折射率调制不可恢复，因而制作的光纤光栅具有很好的耐高温特性。

Description

一种同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置

技术领域

本发明是光纤光栅的制作方法和装置，属于光纤无源器件制造领域，涉及一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置，特别涉及一种利用柱面透镜和飞秒激光脉冲在多根光纤上同时写入耐高温光纤光栅的方法和装置。

背景技术

光纤光栅通常是指通过紫外光曝光具有光敏性的光纤，使纤芯中产生周期性的折射率调制而形成的永久性空间相位光栅，是一种光无源滤波器件，一般可分为反射带通型的光纤布拉格光栅和透射带阻型的长周期光纤光栅两种类型。光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻、易组成全光网络和可埋入智能材料等众多优点，已经在光纤通信和光纤传感等领域得到了极其广泛的应用。

目前应用最多、技术最成熟的光纤光栅制作方法是利用紫外激光通过相位掩模法侧面曝光光敏光纤。用这种方法制作的光纤光栅在200℃以上环境中不能长久使用，且在500℃以上环境中会很快被擦除。随着高温光纤传感和高功率光纤激光器技术的不断发展，迫切需要在非光敏材料和特殊结构光纤中写入高温下性能稳定的光纤光栅。近十多年发展起来的飞秒激光写入方法，可在绝大多数类型光纤中直接写入具有复杂结构的光纤光栅，并具有很好的高温稳定性。1999年，Y.Kondo等采用飞秒激光和点对点法在掺锗单模光纤中成功写入了长周期光纤光栅(Y.Kondo,K.Nouchi,T.Mitsuyu,etal.,Fabricationoflong-periodfibergratingsbyfocusedirradiationofinfraredfemtosecondlaserpulses,Opt.Lett.,1999,24(10):646-648)。2003年，S.J.Mihailov等采用飞秒激光和相位掩模法在掺锗单模光纤中写入了光纤布拉格光栅(S.J.Mihailov,C.W.Smelser,P.Lu,etal.,FiberBragggratingsmadewithaphasemaskand800-nmfemtosecondradiation,Opt.Lett.,2003,28(12):995-997)。实验结果证实这类光纤光栅具有很好的耐高温特性。

然而，采用上述方法制作光纤光栅过程中，每次都只能写入单根光纤光栅，生产效率低。1993年，Dong等利用干涉光路在光纤拉制过程中成功写入了光纤光栅(L.Dong,L.Reekie,J.Russell,etal.,SinglepulseBragggratingswrittenduringfibredrawing,Electron.Lett.,1993,29(17):1577-1578)，大大提高了生产效率，但需要配套昂贵的光纤拉制设备。2012年，李科等公开了一种同时制作多根光纤光栅的方法(李科,刘增刚,杨立锋,一次同时制作多根光纤光栅的方法,中国发明专利，申请号：201210006988.3)，该方法利用紫外激光同时曝光置于相位掩模板后近场干涉区的数根光纤，其优点是制作的光纤光栅一致性好，缺点是同时制作光纤光栅的数量受限于紫外光束压缩后的光斑横向尺寸，生产效率仅提高了数倍，且制作的光纤光栅不能耐高温。

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，本发明提出一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置，可将光纤光栅的生产效率提高几十倍，有效降低制作成本，并且制作过程简单、易于操作，制作的光纤光栅一致性好，同时还具有良好的耐高温性能。

技术方案

一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将飞秒激光束压缩成片状飞秒激光束；

步骤2：将片状飞秒激光束垂直照射在光纤束上，片状飞秒激光束的长边垂直于光纤束的轴线；所述光纤束中各光纤呈平行排列，且各光纤的纤芯均位于平凸柱面透镜的焦线上；

步骤3：使光纤束沿垂直于平凸柱面透镜的焦线方向匀速移动，同时在多根光纤中制作出耐高温光纤光栅。

所述光纤束中的光纤根数其中，D为飞秒激光束的光束直径，d为光纤的直径。

所述步骤3的移动速度v与所制作的光纤光栅的光栅周期Λ的关系为其中，f为飞秒激光束的重复频率。

一种实现权利要求1～3所述任一项方法的装置，其特征在于包括飞秒激光系统1、半波片2、偏振片3、半透半反镜4、光功率计5、平凸柱面透镜6、光纤束8、光纤夹具11、微位移平台12和微位移平台控制器13；光纤束8通过两个光纤夹具11固定在微位移平台12上，微位移平台控制器13控制微位移平台12的移动速度和移动距离；飞秒激光系统1的光路垂直于光纤束8的轴线，在此光路上自飞秒激光系统1开始依次设有半波片2、偏振片3、半透半反镜4和平凸柱面透镜6；其中半透半反镜4与光路呈45度设置；光功率计5相对飞秒激光系统1与微位移平台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。

在光纤束8的两端分别设有宽带光源9和光谱分析仪10，对光纤光栅的透过率进行实时监测。

所述光纤束8中各光纤平行排列，且各光纤的纤芯均位于平凸柱面透镜6的焦线上。

有益效果

本发明提出的一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法及装置，利用一柱面透镜将飞秒激光束在横向进行压缩，压缩后的片状飞秒激光垂直照射在平行排列的光纤束上，每根光纤的纤芯均位于柱面透镜的焦线处，光纤束固定在一高精度的电控微位移平台上，并且可以沿着垂直于激光束入射的方向横向匀速移动；在移动过程中，飞秒激光脉冲同时在每根光纤的纤芯上诱导出周期性的折射率调制点，通过设定飞秒激光脉冲的脉冲频率和电控微位移平台的移动速度及移动量，便可以同时在多根光纤中写入光纤光栅。由于采用峰值强度很高的飞秒激光脉冲作为写入光源，所诱导的折射率调制不可恢复，因而制作的光纤光栅具有很好的耐高温特性。

本发明方法在光纤光栅制作过程中，无需价格昂贵且易于损坏的相位掩模板。所制作光纤光栅的数量由飞秒激光束的直径和单根光纤的直径决定，光纤光栅的折射率调制度或者光纤光栅的强度透过率峰值由飞秒激光脉冲的强度决定，光纤光栅的长度由电控微位移平台的移动量决定，光纤光栅的周期由飞秒激光脉冲的重复频率和电控微位移平台的移动速度决定。通常飞秒激光器系统的重复频率固定，可通过调节电控微位移平台的移动速度方便地调节光纤光栅透射谱的中心波长。另外，飞秒激光脉冲具有很高的峰值强度，在光纤中诱导出的折射率调制不可恢复，所以光纤光栅具有很好的耐高温性能。因此，该制作方法和装置具有制作效率高、操作方便等优点，适用于批量制作耐高温的光纤光栅，可广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中。

附图说明

图1：为同时制作多根耐高温光纤光栅的飞秒激光写入实验装置结构示意图

图2：为片状飞秒激光脉冲与光纤束的相对位置示意图

图3：为制作的n根光纤光栅结构示意图

其中：1.飞秒激光器系统；2.二分之一波片；3.偏振片；4.半透半反镜；5.光功率计；6.柱面透镜；7.片状飞秒激光脉冲；8.光纤束；9.宽带光源；10.光谱分析仪；11.光纤夹具；12.电控微位移平台；13.电控微位移平台控制器。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

从飞秒激光系统输出的飞秒激光脉冲首先经由二分之一波片和偏振片的组合来调节其强度，然后再通过一块半透半反镜分束；自半透半反镜反射的激光束由一光功率计接收，用于监测飞秒激光脉冲的平均功率；自半透半反镜透射的激光束经柱面透镜压缩，压缩后的片状飞秒激光脉冲垂直照射在水平放置且沿纵向平行排列的光纤束上，光纤束中各光纤的纤芯均位于柱面透镜的焦线处，由两个光纤夹具将光纤束固定在一高精度的电控微位移平台上，并以一定的速度使光纤束沿光纤轴向匀速移动；在电控微位移平台移动过程中，飞秒激光脉冲会在每根光纤的纤芯中诱导出周期性的折射率调制点，形成光纤光栅。

设飞秒激光脉冲的光束直径为D，重复频率为f，入射波长为λ，剥除涂敷层的光纤直径为d，则同时制作光纤光栅的根数n为

$n=\frac{D}{d},---\left(1\right)$

设柱面透镜的焦距为F，则焦线处光束的宽度ω为

ω≈λF/(πD)。(2)

设电控微位移平台的移动速度为v，则光纤光栅的光栅周期Λ为

$\mathrm{\Λ}=\frac{v}{f},---\left(3\right)$

光纤光栅透射谱的中心波长λ_B为

${\mathrm{\λ}}_B=\frac{2n_{eff}\mathrm{\Λ}}{m},---\left(4\right)$

其中，n_eff为纤芯的有效折射率，m为光纤光栅的阶数。

如图1所示的装置，包括飞秒激光系统1、半波片2、偏振片3、半透半反镜4、光功率计5、平凸柱面透镜6、光纤束8、光纤夹具11、微位移平台12和微位移平台控制器13；光纤束8通过两个光纤夹具11固定在微位移平台12上，微位移平台控制器13控制微位移平台12的移动速度和移动距离；飞秒激光系统1的光路垂直于光纤束8的轴线，在此光路上自飞秒激光系统1开始依次设有半波片2、偏振片3、半透半反镜4和平凸柱面透镜6；其中半透半反镜4与光路呈45度设置；光功率计5相对飞秒激光系统1与微位移平台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。

在光纤束8的两端分别设有宽带光源9和光谱分析仪10，对光纤光栅的透过率进行实时监测。

由飞秒激光器系统1产生中心波长λ为800nm，脉冲宽度τ为35fs，重复频率f为1KHz，光束直径D为8mm的飞秒激光脉冲，剥除涂敷层的普通单模光纤的直径为125μm，由式(1)可知，可在64根光纤中同时写入光纤光栅。用二分之一波片2和偏振片3组合来调节飞秒激光脉冲的强度，再由半透半反镜4分束，自半透半反镜4反射的飞秒激光由光功率计5接收，用于监测其平均功率。

将透过半透半反镜的飞秒激光脉冲强度调节为700μJ，并由焦距F＝40mm的柱面透镜6在横向进行压缩，形成片状飞秒激光脉冲7，由式(2)可知在柱面透镜焦线处片状飞秒激光脉冲7的宽度约为4μm。压缩后的片状飞秒激光脉冲7垂直照射在水平放置且沿纵向平行排列的光纤束8上，每根光纤的纤芯均位于柱面透镜6的焦线处，如图2所示。该光纤无需载氢或掺杂等增敏处理，可以是普通单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、保偏光纤、纯硅光纤、稀土掺杂光纤和塑料光纤等。

光纤束8由两个光纤夹具11固定在高精度的电控微位移平台12上，电控微位移平台12受控于电控微位移平台控制器13，使光纤束8沿垂直于激光束入射的方向横向匀速移动。在光纤束移动过程中，飞秒激光脉冲同时在每根光纤的纤芯上诱导出周期性的折射率调制点，形成光栅结构。对于G.652D型普通单模光纤，纤芯的有效折射率n_eff＝1.4679，由式(3)和(4)可知，在1550nm波长处形成一阶、二阶和三阶光纤布拉格光栅所对应的电控微位移平台的速度分别为0.528mm/s、1.056mm/s和1.584mm/s。

在制作耐高温的光纤光栅过程中，可采用宽带光源9和光谱分析仪10实时监测光纤光栅的透射谱。

在实际应用中，根据需求选择不同的飞秒激光脉冲强度、柱面透镜的焦距、电控微位移平台的移动速度和移动量，以实现不同折射率调制度、不同周期和不同长度的光纤光栅制作。因此，本发明具有广泛的应用价值。

Claims (6)

1.一种基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将飞秒激光束压缩成片状飞秒激光束；

步骤2：将片状飞秒激光束垂直照射在光纤束上，片状飞秒激光束的长边垂直于光纤束的轴线；所述光纤束中各光纤呈平行排列，且各光纤的纤芯均位于平凸柱面透镜的焦线上；

步骤3：使光纤束沿垂直于平凸柱面透镜的焦线方向匀速移动，同时在多根光纤中制作出耐高温光纤光栅。

2.根据权利要求1所述基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法，其特征在于：所述光纤束中的光纤根数其中，D为飞秒激光束的光束直径，d为光纤的直径。

3.根据权利要求1所述基于飞秒激光写入的同时制备多根耐高温光纤光栅的方法，其特征在于：所述步骤3的移动速度v与所制作的光纤光栅的光栅周期Λ的关系为其中，f为飞秒激光束的重复频率。

4.一种实现权利要求1～3所述任一项方法的装置，其特征在于包括飞秒激光系统(1)、半波片(2)、偏振片(3)、半透半反镜(4)、光功率计(5)、平凸柱面透镜(6)、光纤束(8)、光纤夹具(11)、微位移平台(12)和微位移平台控制器(13)；光纤束(8)通过两个光纤夹具(11)固定在微位移平台(12)上，微位移平台控制器(13)控制微位移平台(12)的移动速度和移动距离；飞秒激光系统(1)的光路垂直于光纤束(8)的轴线，在此光路上自飞秒激光系统(1)开始依次设有半波片(2)、偏振片(3)、半透半反镜(4)和平凸柱面透镜(6)；其中半透半反镜(4)与光路呈45度设置；光功率计(5)相对飞秒激光系统(1)与微位移平台(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。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：在光纤束8的两端分别设有宽带光源(9)和光谱分析仪(10)，对光纤光栅的透过率进行实时监测。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述光纤束(8)中各光纤平行排列，且各光纤的纤芯均位于平凸柱面透镜(6的焦线上。