CN105652364B - 并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法、制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光导纤维技术领域，尤其涉及一种并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法和制作装置。该光纤光栅包括实芯光纤，所述实芯光纤的纤芯内沿光纤轴向写制有多个周期不同的光纤布拉格光栅，各光栅相互间隔一定距离。制作光纤光栅时，通过三维移动平台控制光纤的运动速度，实现在光纤纤芯中写制多个用户设定参数的光纤布拉格光栅，通过三维移动平台调节各光栅之间的间隔避免光栅之间产生串扰，这种光栅为多波长光纤光栅提供了一种良好的解决方案。利用本发明制备并行集成的光纤布拉格光栅，制备方法简单、成本低廉，获得的光纤布拉格光栅机械强度高、性能稳定，在光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域具有良好的应用价值。

Description

并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法、制作装置

技术领域

本发明涉及光导纤维技术领域，尤其涉及一种并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法、制作装置。

背景技术

多波长光纤光栅是近几年出现的一种新型光纤器件,其应用范围已经覆盖了通信、传感、激光器以及生物医学等诸多领域。多波长光纤光栅之所以发展如此迅速,是由于其具有独特的波长选择性。

自Qingge Mao等人第一次用多个不同中心波长的光纤光栅级联制备成多波长光纤光栅以来，多波长光纤光栅的制备方法及理论分析日益成为人们研究的热点。现在有很多方法刻写多波长光纤光栅，例如将普通的光纤光栅并联起来形成多波长光栅，在特殊的光纤(微结构光纤、多摸光纤、双折射光纤等)上写制多波长光栅，这些方法都需要价格昂贵的相位掩膜板和特殊的光纤。目前制作多波长光纤光栅的主要方法是利用相位掩膜板法在特殊的光纤上刻写多波长光纤光栅，采用这种方法时，光栅的中心波长受相位掩膜板限制，而且需要购买特殊光纤，这极大增加了写制多波长光纤光栅的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法、制作装置，不采用相位掩膜板，而在实芯光纤上写制并行集成的光纤布拉格光栅。本发明是这样实现的：

一种并行集成的光纤布拉格光栅，包括实芯光纤，所述实芯光纤的纤芯内沿光纤轴向写制有多个周期不同的光纤布拉格光栅，各光栅相互间隔一定距离。

进一步地，所述光栅的长度范围为500微米至2厘米。

进一步地，各光栅相互平行。

一种制作如上任一一种光纤布拉格光栅的制作装置，包括：

飞秒激光器、激光能量调节器、快门装置、CCD相机、双色镜、物镜、三维移动平台、光纤耦合器、检测光源、光谱仪；

所述三维移动平台用于绷直并固定待加工的实芯光纤，并可带动所述实芯光纤按设定速度沿X、Y、Z三个方向移动，其中，X方向为光纤轴向，Z方向为所述物镜的光轴方向，Y方向为与所述X方向和Z方向垂直的方向；

所述飞秒激光器发出的激光通过所述激光能量调节器调节能量后经所述双色镜反射到所述物镜，再经所述物镜聚焦，通过调节所述实芯光纤的位置可使所述激光的焦点位于所述实芯光纤的纤芯内；

所述检测光源通过所述光纤耦合器与所述实芯光纤连接，所述检测光源发出的检测光经所述光纤耦合器后耦合到所述实芯光纤中；

所述光谱仪用于检测所述检测光经所述实芯光纤后的透射光谱和/或反射光谱；

所述快门装置设置在所述激光的光路中，用于控制所述激光照射所述实芯光纤的时间间隔和每次照射的时长；

所述CCD相机用于通过所述双色镜和物镜采集所述实芯光纤的图像。

进一步地，所述激光能量调节器包括半波片和格兰棱镜，所述飞秒激光器发出的激光通过所述半波片后进入所述格兰棱镜。

进一步地，所述快门装置设置在所述激光能量调节器与所述双色镜之间的光路中。

进一步地，所述物镜为油浸型显微物镜，其数值孔径值为1.25，其油浸液体的射率为1.445。

进一步地，所述激光的波长为800纳米，脉冲频率为1千赫兹，脉宽为100飞秒，能量范围为50纳焦至180纳焦。

利用如上所述的制作装置制作如上所述的光纤布拉格光栅的方法，包括如下步骤：

步骤1：将剥除涂覆层的实芯光纤绷直并固定在三维移动平台上，并利用所述三维移动平台将所述实芯光纤的纤芯定位至飞秒激光器发出的激光的焦点位置；

步骤2：利用所述飞秒激光器发出的激光在所述实芯光纤的纤芯内沿光纤轴向逐点写制第一个光纤布拉格光栅；

步骤3：通过三维移动平台将所述实芯光纤沿光纤径向移动预设距离，然后按照同样的方法写制下一个光纤布拉格光栅；

步骤4：重复步骤3，直到完成所有光纤布拉格光栅的写制。

进一步地，写制各光纤布拉格光栅时，通过光谱仪实时监测所制得的光栅的透射光谱和/或反射光谱。

与现有技术相比，本发明不需要采用昂贵的相位掩膜板，通过精密的三维移动平台控制实芯光纤的位置，实现在实芯光纤的纤芯中写制多个相互平行并间隔开的不同周期的光栅，通过三维移动平台控制各光栅之间具有合理间隔可使各光栅之间不产生串扰，这种光栅为多波长光纤光栅提供了一种良好的解决方案。利用本发明制备并行集成的光纤布拉格光栅，制备方法简单、成本低廉，制得的光纤光栅机械强度高、性能稳定，在光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域具有良好的应用价值。

附图说明

图1：本发明提供的并行集成的光纤布拉格光栅的俯视示意图；

图2：本发明提供的并行集成的光纤布拉格光栅的横截面示意图；

图3：本发明提供的并行集成的光纤布拉格光栅的制作装置结构示意图；

图4：本发明提供的并行集成的光纤布拉格光栅的制作方法流程示意图；

图5：制作并行集成的光纤布拉格光栅过程中每制作完成一个光栅时的反射光谱示意图；

图6：制作并行集成的光纤布拉格光栅过程中每制作完成一个光栅时的透射光谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，并行集成的光纤布拉格光栅包括实芯光纤1，在实芯光纤1的纤芯103内沿光纤轴向写制有多个光纤布拉格光栅104，每个光栅104具有不同的周期，各光栅104相互平行并相互间隔一定距离。各光栅的长度范围为500微米至2厘米。从图1中可以看到，在纤芯103内有三个光栅104，这三个光栅104相互平行，且间隔一定距离，以保证各光栅104之间不产生串扰。各光栅104还可相互平行形成多层，每层至少两个光栅104。图1和图2中，101为涂覆层，102为包层。

图3示出了制作上述并行集成的光纤布拉格光栅的制作装置，结合图1、2、3所示，该装置包括飞秒激光器2、激光能量调节器、快门装置5、CCD相机6、双色镜7、物镜8、三维移动平台9、光纤耦合器10、检测光源11、光谱仪12。

三维移动平台9用于绷直并固定待加工的实芯光纤1，并可带动实芯光纤1按照设定速度沿X、Y、Z三个方向移动，其中，X方向为实芯光纤1的轴向，通过三维移动平台9控制实芯光纤1沿X方向的移动速度可控制制得的光栅104的周期，Z方向为物镜的光轴方向，当写制完一层光栅104后，通过三维移动平台9控制实芯光纤1沿Z方向移动一定距离可写制另一层光栅104，Y方向为与X方向和Z方向垂直的方向，写制完一个光栅104后，通过三维移动平台9控制实芯光纤1沿Y轴移动设定距离后可开始写制下一个光栅，沿Y轴移动的距离为光栅间距。

飞秒激光器2发出的激光通过激光能量调节器调节能量后经双色镜7反射到物镜8，再经物镜8聚焦后射出，通过调节实芯光纤1的位置可使激光的焦点落在实芯光纤1的纤芯内。激光的波长为800纳米，脉冲频率为1千赫兹，脉宽为100飞秒，能量范围为50纳焦至180纳焦，激光能量调节器可在该能量范围内对激光能量进行调节。激光能量调节器具体包括一个半波片3和一个格兰棱镜4，飞秒激光器2发出的激光通过半波片3后进入格兰棱镜4，并从格兰棱镜4射出，然后入射到物镜8。通过旋转半波片3就可调节入射激光能量强度，物镜8采用油浸物镜，其数值孔径值为1.25，选用与光纤材料相近油浸液体，油浸液体折射率为1.445。通过三维移动平台9调节实芯光纤1的位置可精确地将激光焦点定位到实芯光纤1的纤芯内需要制备光栅104的位置。

为在制备光栅104过程中对制得的光栅104的透/反射光谱进行实时监测，该制作装置还包括检测光源11和光谱仪12。检测光源11通过光纤耦合器10与实芯光纤1连接，检测光源11发出的检测光经光纤耦合器10耦合到实芯光纤1中。光谱仪12用于检测检测光经实芯光纤1后的透射光谱和/或反射光谱。当光谱仪12通过光纤耦合器10与实芯光纤1的首端连接时，可检测制得的各光栅104的反射光谱，当光谱仪12连接到实芯光纤1的末端(如图3虚线所示)时，可检测制得的各光栅104的透射光谱。光纤耦合器10可采用插入损耗为3dB的光纤耦合器。

快门装置5设置在激光的光路中，具体可设置在所述激光能量调节器与双色镜7之间的光路中，用于控制激光照射实芯光纤1的时间间隔和每次照射的时长。CCD相机6用于通过双色镜7和物镜8采集实芯光纤1的图像，通过CCD相机6可观察和采集到实芯光纤1中激光焦点及附近位置的图像，便于观察光栅104制作过程。图4所示为利用上述制作装置制作上述光纤光栅结构的方法流程，结合图1、2、3、4所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤1：将剥除涂覆层的实芯光纤1绷直并固定在三维移动平台9上，并利用三维移动平台9将实芯光纤1的纤芯定位至飞秒激光器2发出的激光的焦点位置。写制光栅104前，需要事先调节激光焦点位置、激光能量、三维移动平台9的移动速度等相关参数。

步骤2：利用飞秒激光器2发出的激光在实芯光纤1的纤芯内沿光纤轴向逐点写制第一个光纤布拉格光栅。

步骤3：通过三维移动平台9将实芯光纤1沿光纤径向移动预设距离，然后按照相同的方法写制下一个光纤布拉格光栅104。每次写制完一个光栅104后，通过三维移动平台9将实芯光纤1移动到写制该个光栅104时的初始写制位置，然后再进行光纤径向移动以写制下一个光栅104。径向移动距离即为光栅间距，各光栅104的间距一般设为2微米。当然，也可以在写制完一个光栅104后，不使实芯光纤1返回初始写制位置，而直接将实芯光纤1沿光纤径向移动设定距离后写制下一个光栅104，这时，写制下一个光栅104时实芯光纤1在X方向的运动方向将与写制上一个光栅104时相反，使各个光栅104是平行的位置关系。

步骤4：重复步骤3，直到完成所有光纤布拉格光栅104的写制。完成后的各光栅104相互平行，并间隔设定距离。如果要制得包含多层的光纤布拉格光栅104，在制备完一层光栅104后，需要通过三维移动平台9将光纤1沿Z轴方向移动设定距离，再制备另一层光栅104。

写制各光栅104时，通过光谱仪12实时监测记录所制得的各光栅104的反射光谱和透射光谱。图5中由上到下的三个光谱分别是制得三个光栅104时的反射光谱，图6中由上到下的三个光谱分别是制得三个光栅104时的透射光谱。由图5和图6可以看出，各光栅104之间没有产生串扰，各光栅104的光谱相互不受影响。

相比传统制备方法，本发明制作方法灵活，可应用在任何类型的实芯光纤1中。通过调节激光能量、光栅周期、光栅长度等参数能极大提高光纤光栅104的写制效率，获得高质量的光纤光栅104，并保证光栅104具有稳定的机械强度和性能。本发明所制得的并行集成的光纤布拉格光栅104在在光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域具有良好的应用价值如：(1)基于并行集成的光纤布拉格光栅104的滤波器：光纤光栅104作为一种光纤滤波器，并行集成的光纤布拉格光栅104可作为多波长光纤滤波器；(2)基于并行集成的光纤布拉格光栅104的温度、应变传感器：例如对本发明制作的光纤光栅104的其中一个样品测试，温度灵敏度为12pm/℃，应变敏感度可达到1pm/με；(3)基于多波长光纤光栅104的波长选择器件：对本发明制作的并行集成的光纤布拉格光栅104的其中一个样品进行高温测试，在1000℃条件下保持12小时后，光纤光栅104没有衰退，具有非常好的高温稳定性，因此可用于高功率光纤激光器系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种并行集成的光纤布拉格光栅，其特征在于，包括实芯光纤，所述实芯光纤的一根纤芯内沿光纤轴向写制有多个周期不同的光纤布拉格光栅，各光栅相互间隔一定距离，各光栅相互平行。

2.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅，其特征在于，所述光栅的长度范围为500微米至2厘米。

3.一种制作如权利要求1或2中所述的光纤布拉格光栅的制作装置，其特征在于，包括：

飞秒激光器、激光能量调节器、快门装置、CCD相机、双色镜、物镜、三维移动平台、光纤耦合器、检测光源、光谱仪；

所述三维移动平台用于绷直并固定待加工的实芯光纤，并可带动所述实芯光纤按设定速度沿X、Y、Z三个方向移动，其中，X方向为光纤轴向，Z方向为所述物镜的光轴方向，Y方向为与所述X方向和Z方向垂直的方向；

所述飞秒激光器发出的激光通过所述激光能量调节器调节能量后经所述双色镜反射到所述物镜，再经所述物镜聚焦，通过调节所述实芯光纤的位置可使所述激光的焦点位于所述实芯光纤的纤芯内；

所述检测光源通过所述光纤耦合器与所述实芯光纤连接，所述检测光源发出的检测光经所述光纤耦合器后耦合到所述实芯光纤中；

所述光谱仪用于检测所述检测光经所述实芯光纤后的透射光谱和/或反射光谱；

所述快门装置设置在所述激光的光路中，用于控制所述激光照射所述实芯光纤的时间间隔和每次照射的时长；

所述CCD相机用于通过所述双色镜和物镜采集所述实芯光纤的图像。

4.如权利要求3所述的制作装置，其特征在于，所述激光能量调节器包括半波片和格兰棱镜，所述飞秒激光器发出的激光通过所述半波片后进入所述格兰棱镜。

5.如权利要求3所述的制作装置，其特征在于，所述快门装置设置在所述激光能量调节器与所述双色镜之间的光路中。

6.如权利要求3所述的制作装置，其特征在于，所述物镜为油浸型显微物镜，其数值孔径值为1.25，其油浸液体的射率为1.445。

7.如权利要求3所述的制作装置，其特征在于，所述激光的波长为800纳米，脉冲频率为1千赫兹，脉宽为100飞秒，能量范围为50纳焦至180纳焦。

8.利用如权利要求3-7中任一所述的制作装置制作如权利要求1-2中任一所述的光纤布拉格光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将剥除涂覆层的实芯光纤绷直并固定在三维移动平台上，并利用所述三维移动平台将所述实芯光纤的纤芯定位至飞秒激光器发出的激光的焦点位置；

步骤2：利用所述飞秒激光器发出的激光在所述实芯光纤的纤芯内沿光纤轴向逐点写制第一个光纤布拉格光栅；

步骤3：通过三维移动平台将所述实芯光纤沿光纤径向移动预设距离，然后按照同样的方法写制下一个光纤布拉格光栅；

步骤4：重复步骤3，直到完成所有光纤布拉格光栅的写制。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，写制各光纤布拉格光栅时，通过光谱仪实时监测所制得的光栅的透射光谱和/或反射光谱。