CN105334567A - 一种硫系光纤光栅的制作装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种硫系光纤光栅的制作装置，包括单纵模激光器，位于单纵模激光器输出光路上的偏振控制光路，光强控制光路和扩束准直光路，位于该扩束准直光路后的分光镜，位于分光镜后的两束光路上的反射镜，以及位于反射镜后的聚焦元件，该聚焦元件后的两束光在待加工的硫系光纤的侧面产生干涉场，所述待加工的硫系光纤设于三维平台上并且随着三维平台运动。本发明利用硫系玻璃在吸收带边的光敏特性，利用可见光波段的多种激光的全息干涉效应制备光纤光栅，并可以灵活的控制光纤光栅的周期和相移大小；制备的硫系玻璃光纤光栅可以被应用用于中红外的光纤传感，用于各种生物分子探测；也可以用于中红外光纤激光的研究中。

Description

一种硫系光纤光栅的制作装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种硫系光纤光栅的制作装置及其制作方法。

背景技术

随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为现代科技的发展提供了平台，而光纤技术的发展成为了当今和未来信息科学的重要支柱，而光纤光栅这个新兴的光纤器件，是光纤技术的新进展，对全光纤器件的制作和发展起着重要的作用。近年来，用于通信波段的石英光纤光栅的研究取得了重大进展，主要集中于光纤光栅的紫外光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究。石英玻璃光纤光栅的制备技术日趋成熟，现阶段则主要集中于非均匀周期的光纤光栅的制作、光纤光栅光学特性及其在光纤激光器及光纤传感中的应用研究。

受石英材料红外截止特性的限制，目前常用的石英光纤光栅无法应用于2微米以上的中红外波段。然而中红外波段是包含十分重要的大气红外窗口，而且覆盖了绝大多数分子的指纹区，如：二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，TNT炸药、沙林神经毒气等危险品，中红外的光纤激光源和光纤传感探测等应用对此波段的光纤光栅提出了强烈的需求。硫系玻璃是以元素周期表VIA族中S，Se，Te元素为主，并引入一定量的其它类金属元素(Ga、Ge、As、Sb等)所形成的无氧玻璃，其在中远红外具有很宽的透过范围和极小的吸收，而在可见光区域的带边吸收带具有特殊的光敏特性。

硫系光纤光栅是利用硫系玻璃光纤为材料制作光纤光栅，利用硫系玻璃在吸收带边的光敏特性，可见光波段的多种激光(632nm,532nm,473nm等)的全息干涉效应制备光纤光栅，并可以灵活的控制光纤光栅的周期和相移大小。因此，制备的硫系玻璃光纤光栅可以被应用用于中红外的光纤传感，用于各种生物分子探测。此外，中红外的光纤激光也是目前人们研究的热点，在中红外光纤激光中，必须要有高质量的光纤光栅作为光纤激光的布拉格反射镜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用可见波段激光的全息光刻技术制作硫系光纤光栅的制作装置及其制作方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：包括单纵模激光器，位于单纵模激光器输出光路上的偏振控制光路，光强控制光路和扩束准直光路，位于该扩束准直光路后的分光镜，位于分光镜后的两束光路上的反射镜，以及位于反射镜后的聚焦元件，该聚焦元件后的两束光在待加工的硫系光纤的侧面产生干涉场，所述待加工的硫系光纤设于三维平台上并且随着三维平台运动。

为了便于在光纤的侧面产生干涉场，所述聚焦元件为柱透镜或者三棱镜，当使用三棱镜聚焦时，在三维平台上固定另一三棱镜，将待加工的硫系光纤固定在所述另一三棱镜上，该另一三棱镜上还设有折射率匹配液，该另一三棱镜与三棱镜以及折射率匹配液的折射率均相同；

所述聚焦元件为柱透镜时，在三维平台上放置一块玻璃，然后将待加工的硫系光纤放置在所述玻璃上，然后用光学胶带黏在待加工的硫系光纤上将待加工的硫系光纤固定，并且玻璃和三维平台的接触面上涂覆上一层黑色的吸光材料。

为了便于加工时监测，所述待加工的硫系光纤的一侧设置宽带光源，另一端设置光谱仪。

优选地，待加工的硫系光纤在加工前剥除涂覆层。

优选地，所述柱透镜为平凸透镜。

优选地，所述的反射镜为其反射波长范围覆盖单纵模激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。

优选地，所述偏振控制光路包括偏振控制器，光强控制光路包括衰减控制器，扩束准直光路包括扩束准直控制器。

上述硫系光纤光栅的制作方法：

1)搭建光路，将单纵模激光器输出的激光变成均匀平行光；

2)剥除待加工的硫系光纤的部分涂覆层，将待加工的硫系光纤进行清洁，然后将待加工的硫系光纤固定在三维平台上；

3)将步骤1)中调整后的激光入射到分光镜上分成两束强度相同的光束；

4)将两束光束分别经过反射镜全反射；

5)将步骤4)中的两束反射后的光经过聚焦元件汇聚后入射到待加工的硫系光纤的侧面产生干涉场；

6)调整待加工的硫系光纤的位置以及调整反射镜之间的距离和角度，并且将调整后的激光对硫系光纤的照射一定时间形成光栅。

优选地，上述步骤中还可以包括在步骤6)后，对刻写的光栅进行光谱分析，并且进行实时监测。

优选地，步骤2)中对待加工的硫系光纤(100)进行清洁具体包括将待加工的硫系光纤浸泡在二甲基乙酰胺溶液或者98％的浓硫酸溶液培养皿中半小时，取出涂覆层被剥的待加工的硫系光纤，用乙醇与丙酮溶液对剥离涂覆层的区域充分的擦拭，同时清洁整段光纤。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明利用硫系玻璃在吸收带边的光敏特性，利用可见光波段的多种激光的全息干涉效应制备光纤光栅，并可以灵活地控制光纤光栅的周期和相移大小；制备的硫系玻璃光纤光栅可以被应用于中红外的光纤传感，用于各种生物分子探测；此外，这样的硫系光纤光栅也可以用于中红外光纤激光的研究中。

附图说明

图1为本发明实施例的硫系光纤的结构示意图。

图2为本发明硫系光纤光栅的第一实施例的装置示意图。

图3为本发明硫系光纤光栅的第二实施例的装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

硫系光纤结构图如图1所示，从外向内分别为涂覆层10、包层20和纤芯30。涂覆层10的材料主要是PMMA树脂材料，主要目的是使光纤抵御外界的破坏，包层20和纤芯30是一体的，包层20比纤芯30的折射率低，可以使光线在纤芯30内发生全反射。

图2为本发明第一实施例的硫系光纤光栅的制作装置的示意图，图3为本发明第二实施例的硫系光纤光栅的制作装置的示意图。

制作该硫系光纤光栅的全息光刻法主要分以下步骤：

(1)搭建激光光路，包括单纵模激光器，位于单纵模激光器输出光路上的偏振控制光路，光强控制光路和扩束准直光路，经过这些光路后的激光变成均匀的平行光。该偏振控制光路包括偏振控制器40，光强控制光路包括衰减控制器50，扩束准直光路包括扩束准直控制器60，例如，单纵模激光器输出的532nm的激光首先经过偏振控制器40，变成竖直偏振，然后经过衰减控制器50，使它的能量减弱，不会觉得很刺激眼部，在经过扩束准直控制器60使其变成直径1cm的均匀平行光。

(2)剥除部分待加工的硫系光纤100的涂覆层10，然后将待加工的硫系光纤100浸泡在二甲基乙酰胺溶液或者98％的浓硫酸溶液培养皿中半小时，取出涂覆层被剥的待加工的硫系光纤100，用乙醇与丙酮溶液对剥离涂覆层的区域充分的擦拭，同时也要清洁整段光纤。并且优选地，该步骤中还可以将剥离涂覆层后的光纤放在显微镜下观察裸光纤以确定在处理过程中没有造成伤痕。该步骤即将该待加工的硫系光纤100进行清洁。将清洁后的待加工的硫系光纤100固定在三维平台80上。

(3)将上述单纵模激光器的激光束(632nm，532nm，473nm等)照射到分光镜1上，经过分光镜1的可见光分成为两个强度相同的两束光。

(4)再让步骤(3)中形成的两束光以相同角度分别经过反射镜2产生全反射。

(5)经过反射的两束光经过聚焦元件聚焦后两束光共同会聚到待加工的硫系光纤100的侧面，并且两束光产生干涉场。在该步骤中，使反射后的光聚焦可以采用柱透镜3，或者采用三棱镜3’。

(6)在待加工的硫系光纤100的侧面形成正弦分布明暗相见的干涉条纹，进而照射在光纤轴上，经过一定时间的可见光照射，纤芯内部的折射率发生永久性的改变，形成光栅。

(7)用宽带光源发出的光通过刻写的光纤光栅后输出到光谱分析仪，实时的监测制作过程中硫系光纤光栅的透射谱变化。

由于光栅周期与干涉光束之间具有以下关系：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}};$

对于想要得到不同周期的硫系光纤光栅就要改变两干涉光束的夹角θ，从图2可以看出为了达到这个目的，可以移动两个反射镜2之间的距离或者改变两个柱透镜3之间的夹角。

为了使干涉的光能够稳定地照射在待加工的硫系光纤100的侧面，上述将待加工的硫系光纤100固定时，当使用三棱镜3’聚焦时，在三维平台80上固定另一三棱镜6，将待加工的硫系光纤100固定在另一三棱镜6上，该三棱镜6与上述聚焦用的三棱镜3’的折射率相同，并且该固定用的三棱镜6上设有折射率匹配液，该折射率匹配液的折射率与两个三棱镜的折射率相同。或者当使用柱透镜3’时，在三维平台80上先放置一块玻璃7，玻璃7上放置待加工的硫系光纤100，然后用光学胶带小心地黏在硫系光纤100上将待加工的硫系光纤100固定，重要的是，玻璃7和三维平台80的接触面上涂抹上一层黑色的吸光材料，使玻璃表面的放射光被吸收。

如图2所示，上述利用全息光刻技术制作硫系光纤光栅的装置包括，在光路上依次设置的单纵模激光光源70，偏振控制器40，衰减控制器50，扩束准直控制器60，分光镜1，经过分光镜1后的激光分成两束光，以及位于分光镜后1的两束光路上的反射镜2、柱透镜3，最后两束光在待加工硫系光纤100侧面汇合并且产生干涉。并且在该待加工的硫系光纤100的一端设置宽带光源，另一端设置光谱仪，待加工硫系光纤100设于三维平台上，利用驱动器驱动三维平台80的运动。三维平台80的运动能够移动待加工的硫系光纤100的位置，使得两束光在光纤的侧面产生干涉场。

如图3所示，上述利用全息光刻技术制作硫系光纤光栅的装置包括，在光路上依次设置的单纵模激光光源70、偏振控制器40，衰减控制器50，扩束准直控制器60，分光镜1，经过光镜1后的激光分成两束光，以及位于分光镜后1后的两束光路上的反射镜2，经过反射镜2反射的两束光共同入射至一三棱镜3’的两个侧面，三棱镜3’的底面贴紧待加工的硫系光纤100的侧面设置，两束光在经过三棱镜3’的会聚作用后在待加工硫系光纤100侧面汇合并且产生干涉。并且在该待加工的硫系光纤100的一端设置宽带光源，另一端设置光谱仪，待加工的硫系光纤100设于三维平台上，利用驱动器驱动三维平台80的运动，能够移动待加工的硫系光纤100的位置，使得两束光在光纤的侧面产生干涉场。

上述单纵模激光光源需要满足特殊的波长，特殊波长是指根据要制作光栅的硫系光纤的特性选择波长，掺杂不同材料的硫系光纤在不同的波长范围有吸收、发光等特性，就如用GeAsS的硫系玻璃来制作光纤光栅所用的是532nm的激光源，其他要根据具体情况设计。上述的反射镜2是指其反射波长范围为覆盖单纵模激光光源波长的宽带介质膜高反射镜，上述的柱透镜3为平凸透镜。

例如，下述为实际制作的参数设计，具体的可以使用材料为GeAsS的硫系玻璃光纤，其折射率n＝2.25，为了制作一个带隙约等于4.35um的光栅，上述硫系玻璃当选用不同的掺杂离子时，这个硫系玻璃材料可以在4.3um～4.41um发光，符合我们所要设计的带隙要求。光栅周期为然后用0.532um的激光进行光刻，此时所要的两束干涉光的角度光刻之前可以先用40倍的显微物镜配合白光CCD观测条纹，调整分光镜，反射镜2，柱透镜3的距离和角度，观测到清晰的条纹时把此时激光束前面镜子的参数记录下来，下次光刻就可以直接使用这些数据。调整柱透镜3使柱透镜3与光纤之间的距离大致为5cm。两束光束和柱透镜3垂直，两束干涉光束之间呈15.9度的夹角。

与现有的发明相比，本发明利用硫系玻璃在吸收带边的光敏特性，利用可见光波段的多种激光的全息干涉效应制备光纤光栅，并可以灵活地控制光纤光栅的周期和相移大小；制备的硫系玻璃光纤光栅可以被应用于中红外的光纤传感，用于各种生物分子探测；此外，这样的硫系光纤光栅也可以用于中红外光纤激光的研究中，例如在中红外光纤激光的研究中必须要有高质量的光纤光栅作为光纤激光的布拉格反射镜。

Claims (10)

1.一种硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：包括单纵模激光器，位于单纵模激光器输出光路上的偏振控制光路，光强控制光路和扩束准直光路，位于该扩束准直光路后的分光镜(1)，位于分光镜(1)后的两束光路上的反射镜(2)，以及位于反射镜(2)后的聚焦元件，该聚焦元件后的两束光在待加工的硫系光纤(100)的侧面产生干涉场，所述待加工的硫系光纤(100)设于三维平台(80)上并且随着三维平台(80)运动。

2.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述聚焦元件为柱透镜(3)或者三棱镜(3’)，当使用三棱镜(3’)聚焦时，在三维平台(80)上固定另一三棱镜(6)，将待加工的硫系光纤(100)固定在所述另一三棱镜(6)上，该另一三棱镜(6)上还设有折射率匹配液，该另一三棱镜(6)与三棱镜(3’)以及折射率匹配液的折射率均相同；

所述聚焦元件为柱透镜(3)时，在三维平台(60)上放置一块玻璃(7)，然后将待加工的硫系光纤(100)放置在所述玻璃(7)上，然后用光学胶带黏在待加工的硫系光纤(100)上将待加工的硫系光纤(100)固定，并且玻璃(7)和三维平台(60)的接触面上涂覆上一层黑色的吸光材料。

3.如权利要求2所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述待加工的硫系光纤(100)的一侧设置宽带光源，另一端设置光谱仪。

4.如权利要求1-3中任一项所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述待加工的硫系光纤(100)在加工前剥除涂覆层。

5.如权利要求2所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述柱透镜(3)为平凸透镜。

6.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述的反射镜(2)为其反射波长范围覆盖单纵模激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。

7.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的制作装置，其特征在于：所述偏振控制光路包括偏振控制器(40)，光强控制光路包括衰减控制器(50)，扩束准直光路包括扩束准直控制器(60)。

8.如权利要求1-7中任一项所述的硫系光纤光栅的制作方法，其特征在于：1)搭建光路，将单纵模激光器输出的激光变成均匀平行光；

2)剥除待加工的硫系光纤(100)的部分涂覆层，将待加工的硫系光纤(100)进行清洁，然后将待加工的硫系光纤(100)固定在三维平台(80)上；

3)将步骤1)中调整后的激光入射到分光镜(1)上分成两束强度相同的光束；

4)将两束光束分别经过反射镜(2)全反射；

5)将步骤4)中的两束反射后的光经过聚焦元件汇聚后入射到待加工的硫系光纤(100)的侧面产生干涉场；

6)调整待加工的硫系光纤(100)的位置以及调整反射镜(2)之间的距离和角度，并且将调整后的激光对待加工的硫系光纤(100)的照射一定时间形成光栅。

9.如权利要求8所述的硫系光纤光栅的制作方法，其特征在于：上述步骤中还可以包括在步骤6)后，对刻写的光栅进行光谱分析，并且进行实时监测。

10.如权利要求8所述的硫系光纤光栅的制作方法，其特征在于：步骤2)中对待加工的硫系光纤(100)进行清洁具体包括将待加工的硫系光纤(100)浸泡在二甲基乙酰胺溶液或者98％的浓硫酸溶液培养皿中半小时，取出涂覆层被剥的待加工的硫系光纤(100)，用乙醇与丙酮溶液对剥离涂覆层的区域充分的擦拭，同时清洁整段光纤。