CN106249348A - 一种切趾光纤光栅刻写系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种切趾光纤光栅刻写系统及方法，系统包括光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束柱透镜组、切趾装置、聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤夹持装置，切趾装置位于扩束柱透镜组和聚焦柱透镜之间，包括具有正模板和负模板的振幅掩模板及装于光学平台上的升降驱动组件，振幅掩模板装于升降驱动组件的升降端；光纤夹持装置包括两个光纤夹具及两个安装于光学平台上驱动两个光纤夹具同步绕光纤轴线旋转的旋转装置。方法包括设置准分子激光器参数、准备光纤和切趾光纤光栅刻写的步骤。本发明可制备不同类型的切趾光纤光栅，特别对于大芯径光纤光栅的刻写能够消除由于大芯径所导致的光感折射率调制不对称性，可以制备高性能的大芯径切趾光纤光栅。

Description

一种切趾光纤光栅刻写系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅的刻写技术领域，具体涉及一种切趾光纤光栅刻写系统及方法。
背景技术
光纤光栅在光纤激光器、光纤通信及光纤传感等领域有着广泛的应用。与传统光栅相比，光纤光栅具有线宽窄、插入损耗低、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、质量轻、体积小、易于实现波分复用和使用灵活等优点。利用光纤光栅代替传统光学二色镜而构成的全光纤激光器，具有稳定性高、结构紧凑等优点，使得光纤激光器走向实用化。光纤光栅的出现也极大促进了光纤通信和光纤传感的发展。
目前制备光纤布拉格光栅的主要方法有掩模板法、逐点写入法和干涉法。其中，相位掩模板法，通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，利用±1级衍射条纹侧面曝光光敏光纤制备光栅结构。该方法大大降低了对紫外光源相干性的要求，而且实验制备的光纤光栅的周期只取决于相位掩模板条纹的周期(光栅周期为相位掩模板条纹周期的一半)，因而降低了光纤光栅制备工艺的难度。基于紫外激光的相位掩模板法是目前最为普遍采用的制备方法，是制备光纤光栅的标准工艺，该方法使得光纤光栅走向实用化和产业化。
采用相位掩模板法制备的光纤布拉格光栅，在光纤布拉格光栅的两侧，存在折射率突变，产生自啁啾效应，表现为其透射谱、反射谱上出现较为严重的边带，极大地制约了光纤光栅器件的应用。通过光纤光栅切趾技术，使光栅中光感折射率调制的振幅沿着光栅长度有一个钟形函数的形状变化，这样能避免光栅的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱的边带。常用的光纤光栅切趾方法有切趾相位掩模板法、扫描法、多次曝光法与振幅掩模板法。其中，振幅掩模板法通过采用振幅模板垂直光束方向对光束扫描，控制光纤光栅的曝光时间，使光栅中光感折射率调制呈不均匀变化，达到切趾效果。这种方法对控制精度要求不高，较为简便，性价比较高，是较为常用的一种光纤光栅切趾方法。
普通的相位掩模板刻写系统是由准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束柱透镜组、聚焦柱透镜、相位掩模板与光纤夹持装置构成。这种刻写系统是用来制作光纤布拉格光栅，由于没有引入切趾装置，制备的光纤光栅在透射谱、反射谱上存在较为严重的边带；并且在光纤为大芯径光纤时，受限于控制精度，聚焦后的光束不能精确的置于光纤中心处，导致光纤纤芯光感折射率调制在径向呈现出不对称。这种调制不对称性，对提高大芯径光纤布拉格光栅的透射谱、反射谱深度是不利的，会影响大芯径光纤光栅的性能和应用。现有的相位掩模板刻写技术是无法消除这种调制不对称性的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种可制备不同类型切趾光纤光栅、能够消除由于光纤大芯径所导致的光感折射率调制的不对称性的切趾光纤光栅刻写系统，还提供一种采用该刻写系统刻写切趾光纤光栅的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种切趾光纤光栅刻写系统，包括光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束柱透镜组、聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤夹持装置，所述反射镜组安装在光学平台上用于调节准分子激光器出射光束的位置和高度，所述光阑、扩束柱透镜组、聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤夹持装置沿反射镜组反射的出射光束的射出方向依次布置在光学平台上，所述扩束柱透镜组和聚焦柱透镜之间设有切趾装置，所述切趾装置包括具有正模板和负模板的振幅掩模板以及安装于光学平台上的升降驱动组件，所述振幅掩模板安装于升降驱动组件的升降端；所述光纤夹持装置包括两个光纤夹具以及两个安装于光学平台上驱动两个光纤夹具绕与出射光束垂直的同一轴线旋转的旋转装置。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述旋转装置通过三维手动线位移平台安装于光学平台上。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述升降驱动组件包括竖直线性位移平台，所述竖直线性位移平台的升降端设有载物台，所述振幅掩模板装设于载物台上。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述竖直线性位移平台通过一L型支架安装于光学平台上。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述反射镜组包括两个针对248nm紫外激光高反的反射镜，两个反射镜安装在同一支柱上。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述旋转装置为电动旋转平台。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，各电动旋转平台具有供光纤穿过的贯通孔，所述贯通孔沿电动旋转平台的旋转轴线布置。
上述的切趾光纤光栅刻写系统，优选的，所述相位掩模板通过六维调节架安装于光学平台上。
一种采用上述刻写系统刻写切趾光纤光栅的方法，包括以下步骤：
(a)设置好准分子激光器的重复频率以及电压；调节升降驱动组件，使振幅掩模板的正模板下沿正好位于出射光束上沿；
(b)截取合适长度的光纤，将待刻写中间区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将刻写光纤夹持在光纤夹持装置的光纤夹具上，将光纤与在线检测系统相连；
(c)使用准分子激光器控制器控制激光器开始输出的同时启动切趾装置，通过升降驱动组件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板正模板的上沿正好位于出射光束下沿，此时停止准分子激光器输出并停止振幅掩模板的运动，在幅掩模板下降的同时启动旋转装置旋转光纤，在幅掩模板下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在准分子激光器停止输出激光的同时回到原点；然后降低相位掩模板高度，使光束移出栅区；
(d)补偿时，先通过升降驱动组件使振幅掩模板的负模板的下沿正好位于出射光束的上沿，使用准分子激光器控制器控制激光器开始输出的同时启动切趾装置，通过升降驱动组件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板负模板的上沿正好位于出射光束下沿，此时停止准分子激光器输出并停止振幅掩模板的运动，在幅掩模板下降的同时启动旋转装置旋转光纤，在幅掩模板下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在准分子激光器停止输出激光的同时回到原点。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的切趾光纤光栅刻写系统引入了切趾装置，并且可以通过灵活调整切趾函数类型与参数，实现不同类型切趾光纤光栅的制备。
2、本发明的切趾光纤光栅刻写系统引入了光纤旋转装置，通过对光纤的旋转，消除由于光纤大芯径所导致的光感折射率调制的不对称性，有助于制备高性能的大芯径光纤光栅。
附图说明
图1为切趾光纤光栅刻写系统的结构示意图。
图2为振幅掩模板安装在升降驱动组件上的结构示意图。
图3为超高斯切趾函数振幅掩模板示意图。
图4为Sinc切趾函数振幅掩模板示意图。
图5为两个光纤夹具通过旋转装置和三维手动线位移平台安装在光学平台上的结构示意图。
图6为切趾未补偿时光纤光栅的透射谱示意图。
图7为切趾补偿后光纤光栅的透射谱示意图。
图例说明：
1、准分子激光器；2、反射镜组；3、光阑；4、扩束柱透镜组；5、聚焦柱透镜；6、相位掩模板；7、光纤夹持装置；71、光纤夹具；72、旋转装置；73、三维手动线位移平台；8、切趾装置；81、振幅掩模板；811、正模板；812、负模板；82、竖直线性位移平台；821、载物台；83、L型支架；9、光纤；10、宽带光源；11、光谱分析仪；100、光学平台。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明切趾光纤光栅刻写系统，包括光学平台100、准分子激光器1、反射镜组2、光阑3、扩束柱透镜组4、聚焦柱透镜5、相位掩模板6和光纤夹持装置7，反射镜组2安装在光学平台100上用于调节准分子激光器1出射光束的位置和高度，光阑3、扩束柱透镜组4、聚焦柱透镜5、相位掩模板6和光纤夹持装置7沿反射镜组2反射的出射光束的射出方向依次布置在光学平台100上，扩束柱透镜组4和聚焦柱透镜5之间设有切趾装置8，切趾装置8包括具有正模板811和负模板812的振幅掩模板81以及安装于光学平台100上的升降驱动组件，振幅掩模板81安装于升降驱动组件的升降端，振幅掩模板81是根据具体切趾要求，于薄铜片上激光蚀刻加工得到，可选取不同函数，图3、图4分别为超高斯、Sinc切趾函数的振幅掩模板示意图；光纤夹持装置7包括两个光纤夹具71以及两个安装于光学平台100上分别驱动两个光纤夹具71绕与出射光束垂直的同一轴线旋转的旋转装置72。光纤夹具71使用的是Vytran公司涂覆机FSR-02配套光纤夹具，通过V型槽定位光纤并由磁性材料翻盖固定。
本实施例中，进一步的，旋转装置72通过一三维手动线位移平台73安装于光学平台100上，通过三维手动线位移平台73可以调节旋转装置72的三维空间位置，进而调节光纤的位置，保证光纤处在正确的刻写位置。通过旋转装置72和三维手动线位移平台73的配合，既能实现对光纤位置的精确调节，也可以实现光纤的高精度旋转。
上述旋转装置72为电动旋转平台，两个旋转装置72可以同步顺时针和逆时针分别旋转180度，该电动旋转平台可以采用现有技术，例如，可采用日本骏河精机电动360°平台。三维手动线位移平台73也为现有技术，例如，可以采用Newport三维手动线位移平台。
本实施例中，各电动旋转平台具有供光纤穿过的贯通孔，贯通孔沿电动旋转平台的旋转轴线布置，光纤被夹持在两个光纤夹具71上，并穿过两个电动旋转平台的贯通孔。
本实施例中，升降驱动组件包括竖直线性位移平台82，竖直线性位移平台82通过一L型支架83安装于光学平台100上。竖直线性位移平台82的升降端设有载物台821，振幅掩模板81装设于载物台821上。
本实施例中，反射镜组2包括两个针对248nm紫外激光镀高反射率膜的反射镜，两个反射镜安装在同一支柱上。
本实施例中，如图5所示，相位掩模板6通过使用六维手动调节架对相位掩模板位置进行调整，以使聚焦后光束能够垂直打在掩模板栅区中央。该六维手动调节架由Newport公司出产的三维直角手动调整架M-561D-XYZ，两轴角度位移平台M-GON40-U、L以及360度旋转平台M-RS40拼接而成，并整体安装于光学平台100上。
上述准分子激光器1、反射镜组2、光阑3、扩束柱透镜组4、聚焦柱透镜5和相位掩模板6均为现有技术，其中，准分子激光器1的出射光斑为矩形，且能量分布不均匀，在光斑中心处能量均匀性较好。光阑3用于选取出射光束中心光斑。扩束柱透镜组4放置于两个六维调节架上，且垂直放置，以得到较为均匀的放大光斑。
该切趾光纤光栅刻写系统可配置相应的控制系统，通过控制系统控制竖直线性位移平台82的升降位置和升降速度，通过控制系统控制两个旋转装置72，保证旋转过程中光纤位置具有较高的空间稳定性。
一种采用上述刻写系统刻写切趾光纤光栅的方法，包括以下步骤：
(a)准分子激光器1参数设置：设置好准分子激光器1的重复频率以及电压，重复频率以及电压根据待刻写光纤不同，灵活设置；调节升降驱动组件，使振幅掩模板81的正模板811下沿正好位于出射光束上沿；
(b)准备光纤：截取合适长度的光纤，将待刻写中间区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将刻写光纤夹持在光纤夹持装置7的光纤夹具71上。将光纤的一端与宽带光源10连接，另一端与在线检测系统(光谱分析仪11)相连，通过在线检测系统检测；
(c)切趾光纤光栅刻写：在准分子激光器1开始输出的同时启动切趾装置8和光纤旋转装置72，通过升降驱动组件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板811的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在停止振幅掩模板81下降的同时停止准分子激光器1输出激光和光纤旋转装置72，此时光纤旋转装置72刚好回到旋转起点，可得到如图6所示的光纤光栅透射谱。然后手动降低相位掩模板6的高度，使光束移出栅区；
(d)切趾光纤光栅的补偿：类似于切趾光纤光栅的刻写，在准分子激光器1开始输出的同时启动切趾装置8和光纤旋转装置72，通过升降驱动组件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板812的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在停止振幅掩模板81下降的同时停止准分子激光器1输出激光和光纤旋转装置72，此时光纤旋转装置72刚好回到旋转起点，此时，可得到如图7所示的光纤光栅透射谱。
待刻写结束后，将光纤取出退火。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种切趾光纤光栅刻写系统，包括光学平台(100)、准分子激光器(1)、反射镜组(2)、光阑(3)、扩束柱透镜组(4)、聚焦柱透镜(5)、相位掩模板(6)和光纤夹持装置(7)，所述反射镜组(2)安装在光学平台(100)上用于调节准分子激光器(1)出射光束的位置和高度，所述光阑(3)、扩束柱透镜组(4)、聚焦柱透镜(5)、相位掩模板(6)和光纤夹持装置(7)沿反射镜组(2)反射的出射光束的射出方向依次布置在光学平台(100)上，其特征在于：所述扩束柱透镜组(4)和聚焦柱透镜(5)之间设有切趾装置(8)，所述切趾装置(8)包括具有正模板(811)和负模板(812)的振幅掩模板(81)以及安装于光学平台(100)上的升降驱动组件，所述振幅掩模板(81)安装于升降驱动组件的升降端；所述光纤夹持装置(7)包括两个光纤夹具(71)以及两个安装于光学平台(100)上驱动两个光纤夹具(71)绕与出射光束垂直的同一轴线旋转的旋转装置(72)。
2.根据权利要求1所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述旋转装置(72)通过三维手动线位移平台(73)安装于光学平台(100)上。
3.根据权利要求1所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述升降驱动组件包括竖直线性位移平台(82)，所述竖直线性位移平台(82)的升降端设有载物台(821)，所述振幅掩模板(81)装设于载物台(821)上。
4.根据权利要求3所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述竖直线性位移平台(82)通过一L型支架(83)安装于光学平台(100)上。
5.根据权利要求1所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述反射镜组(2)包括两个针对248nm紫外激光高反的反射镜，两个反射镜安装在同一支柱上。
6.根据权利要求1所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述旋转装置(72)为电动旋转平台。
7.根据权利要求6所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：各电动旋转平台具有供光纤穿过的贯通孔，所述贯通孔沿电动旋转平台的旋转轴线布置。
8.根据权利要求1所述的切趾光纤光栅刻写系统，其特征在于：所述相位掩模板(6)通过六维调节架安装于光学平台(100)上。
9.一种采用权利要求1所述刻写系统刻写切趾光纤光栅的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)设置好准分子激光器(1)的重复频率以及电压；调节升降驱动组件，使振幅掩模板(81)的正模板(811)下沿正好位于出射光束上沿；
(b)截取合适长度的光纤，将待刻写中间区域用化学剥除剂涂覆，再用酒精擦拭后将刻写光纤夹持在光纤夹持装置(7)的光纤夹具(71)上，将光纤与在线检测系统相连；
(c)使用准分子激光器控制器控制激光器(1)开始输出的同时启动切趾装置(8)，通过升降驱动组件使振幅掩模板(81)下降，直至振幅掩模板正模板(811)的上沿正好位于出射光束下沿，此时停止准分子激光器(1)输出并停止振幅掩模板(81)的运动，在幅掩模板(81)下降的同时启动旋转装置(72)旋转光纤，在幅掩模板(81)下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在准分子激光器(1)停止输出激光的同时回到原点；然后降低相位掩模板高度，使光束移出栅区；
(d)补偿时，先通过升降驱动组件使振幅掩模板的负模板(812)的下沿正好位于出射光束的上沿，使用准分子激光器控制器控制激光器(1)开始输出的同时启动切趾装置(8)，通过升降驱动组件使振幅掩模板(81)下降，直至振幅掩模板负模板(812)的上沿正好位于出射光束下沿，此时停止准分子激光器(1)输出并停止振幅掩模板(81)的运动，在幅掩模板(81)下降的同时启动旋转装置(72)旋转光纤，在幅掩模板(81)下降的整个时间里面将光纤匀速地顺时针旋转180°，再逆时针旋转180°，在准分子激光器(1)停止输出激光的同时回到原点。
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