CN106291802B - 一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法 - Google Patents

一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，该方法利用聚焦的飞秒激光，在常规结构的光纤布拉格光栅的纤芯区域进行定点辐照或扫描，使常规结构的光纤布拉格光栅的纤芯区域内出现一个或多个折射率改变的区域，形成相移结构，即得到相移光纤布拉格光栅。与现有技术相比，该方法加工工序更为简单，加工速度快，适合于各种材料的光纤，可以实现0‑2π之间相移的精确控制。本发明方法制备的相移结构光纤布拉格光栅可用于传感、光纤激光器等领域。

Description

一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法
技术领域
本发明属于光纤光学和非线性光学领域，涉及一种相移结构的光纤布拉格光栅(FBG)的加工方法。
背景技术
相移光纤布拉格光栅(FBG)为在常规FBG的某一特定部位引入相位突变而形成。最常见的为π相移FBG，它能够在布拉格反射带中打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长具有更高的选择度，因此常用作窄带带通滤波器。如果在光栅中引入多个相移点，则可以在布拉格反射谱中存在多个透射窗口，从而可用于光纤多通道滤波器。对于单相移点相移FBG，被分割为两段的FBG和中间的相移区域可以构成谐振腔，当相移FBG为有增益的有源光纤时，即构成分布反馈式激光器。这种相移FBG构成的激光器波长短，相对于普通光纤激光器波长选择性更好，激光线宽更窄。此外相移FBG还被用于掺铒等光纤中的增益平坦，提高光纤放大器的可用带宽。
相移FBG可以利用相移相位掩模板直接写入，这种方法所需要的掩模板造价昂贵，且一个相位掩模板只能制作一种相移。另一种方法是在刻写中使用具有纳米精度的PZT移动相位掩模板或者光纤精确控制位移量，这种位移台价格高，较为复杂。此外，还可以通过对均匀周期的FBG后处理引入相移来制备相移FBG。目前报道的方法有采用钨丝加热光栅，使部分区域FBG折射率发生变化产生相移，但这种方法系统复杂，相移区域的长度控制精度低。另一种方法则是利用紫外光对光栅区域再次曝光后续处理，这种方法需要被紫外光辐照区域必须具有光敏性，因此只适用于具有光敏性的光纤。飞秒激光由于具有极高的峰值功率，使其可用于对任意材料的加工。飞秒激光也被用于制备FBG的研究。目前已经有利用飞秒激光在石英光纤、蓝宝石光纤、碲酸盐光纤等特种光纤中直接制备出均匀周期FBG的报道。相对于传统的紫外纳秒或者连续激光制备FBG，利用飞秒激光制备FBG最显著的优点就是可以在各种材料的光纤中直接刻写FBG。在利用飞秒激光制备相移FBG的研究方面，有利用飞秒激光逐点写入法制备相移FBG的报道。该方法利用聚焦的飞秒激光将相移FBG的周期结构逐个写出，由于相移FBG的周期通常在几个微米以下，因此该方法要求加工平台必须具有亚微米尺度的精度以及长时间的高稳定性，且该方法制备长度较大的FBG时耗时较长。此外，人们发现利用飞秒激光和均匀周期的相位掩模板制备FBG时，通过两次辐照，也会产生相移的现象，然而这种方法无法精确控制相移的大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，该方法是一种基于飞秒激光直写对FBG后处理制备相移FBG的加工方法，即利用飞秒激光辐照FBG，改变辐照区域折射率，形成相移结构。该方法操作简单、适用光纤材料范围广、无需剥除FBG涂覆层。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，利用聚焦的飞秒激光，在常规结构的光纤布拉格光栅(普通的不具有相移结构的光纤布拉格光栅)的纤芯区域进行定点辐照或扫描，使常规结构的光纤布拉格光栅的纤芯区域内出现一个或多个折射率改变的区域，形成相移结构，即得到相移光纤布拉格光栅。
所述的基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，具体包括以下步骤：
1)将常规结构的光纤布拉格光栅固定在三维电动平移台上；
2)利用显微物镜将飞秒激光聚焦至待形成相移区域的常规结构光纤布拉格光栅的纤芯处，通过飞秒激光辐照改变照射区域的折射率，从而形成相移区域，即得到相移光纤布拉格光栅；其中飞秒激光辐照位置由三维电动平移台控制，相移区域通过飞秒激光定点辐照位置或者区域扫描确定，区域扫描通过飞秒激光移动扫描或者移动光纤布拉格光栅实现。
所述步骤1)具体为：将常规结构的光纤布拉格光栅固定于载玻片上，并在待辐照的区域加入折射率匹配液，然后盖上盖玻片，再将固定好的常规结构的光纤布拉格光栅放置于三维电动平移台上。
若要制备具有多个相移结构的相移光纤布拉格光栅，则在步骤2)完成一个相移区域的制备后，关闭飞秒激光快门，利用三维电动平移台控制光纤布拉格光栅移动到下一个待辐照的区域，重复步骤2)，实现多相移光纤布拉格光栅的制备。
选用1000Hz重复频率的飞秒激光时，三维电动平移台的扫描速率为<200μm/s。
选用的显微物镜的倍数为5～100倍，飞秒激光的功率0.1～8mW。
选用的显微物镜的倍数为20倍，飞秒激光的功率0.5～2mW。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，是一种基于飞秒激光直写对FBG后处理制备相移FBG的加工方法，即利用飞秒激光辐照FBG，改变辐照区域折射率，形成相移结构。该方法操作简单、适用光纤材料范围广、无需剥除FBG涂覆层。本发明利用聚焦的飞秒激光在常规结构的光纤布拉格光栅(FBG)的纤芯区域诱导(定点辐照或扫描)出折射率改变区域，从而制备出相移光纤布拉格光栅。本发明所使用的常规结构的光纤布拉格光栅的材料为石英、碲酸盐等各种材料光纤，而且常规结构的光纤布拉格光栅可以是由各类加工方法制备出的。本发明可以采用定点辐照形成相移，也可以通过飞秒激光扫描或者移动光纤形成一定范围的相移区域，扩展飞秒激光辐照区域。通过控制飞秒激光功率、重复频率等参数、扫描速率、扫描区域长度、扫描区域的宽度及同位置重复扫描次数等加工条件参数可以实现对相移量的精确调控。通过控制纤芯范围内扫描区域的宽度、或者同位置重复扫描的次数可以实现对相移在0到2π之间的精确调控。通过控制飞秒激光辐照的位置和范围，可以实现相移区域位置、长度精确控制，并可以制备出光栅长度所允许的任意位置的、多段相移结构。
飞秒激光微纳加工技术具有加工精度高、可对透明材料进行三维加工、对加工材料没有选择性的优点。本发明对加工平台精度要求在亚微米量级即可，降低了对加工平台精度要求，可在任意材料的FBG中直接形成相移结构，且可实现多段相移结构，相对于现有相移FBG制备方法操作简单、适用光纤材料范围广，克服了现有技术的缺点。
本发明利用飞秒激光直写技术改变FBG中某个区域的折射率，从而在FBG中引入相移。当飞秒激光辐照区域长度为L时，引入相移的大小其中2πL/Λg为飞秒激光辐照后形成两段光栅由于周期结构连续性的差异形成的相移，Λg为FBG的光栅周期；2πnL/λ为飞秒激光辐照形成的折射率改变区域引入的相移，n为相移区域的有效折射率。当相移区域长度变化ΔL时，相移的变化量通常Λg在10微米以内，λ也在小于2微米以内，因此L微米量级的的微小变化就会引起相移π以上的变化。因此通过控制长度调控FBG的相移时，对加工平台要求和飞秒激光逐点写入法制备相移FBG相同。而折射率变化量Δn引起相移变化量由于飞秒激光扫描诱导折射率改变量通常在10-4～10-3量级，当L在微米尺度时，由飞秒激光辐照引起折射率产生的相移变化远小于π。通过控制飞秒激光的功率、扫描区域宽度、重复扫描次数等，可以控制折射率变化Δn的大小，从而实现对相移大小的精确调控。因此本发明对加工平台精度要求在微米量级即可实现对制备相移FBG的精细控制，降低了对加工平台精度要求，利用飞秒激光可在任意材料的FBG中直接形成相移结构，且可实现多段相移结构的精确制备，相对于现有相移FBG制备方法操作简单、适用光纤材料范围广。
附图说明
图1是本发明采用的加工装置图，其中(a)为整体示意图，(b)为局部示意图；
图2是本发明加工FBG的流程图，其中(a)为加工前的FBG，(b)为加工中的FBG，(c)为加工后的带有相移结构的FBG；
图3是本发明采用的光谱测量示意图；
图4是本发明制备的相移结构FBG的示意图；
图5(a)是实施例1制得的相移结构的FBG的透射谱图，图5(b)是相移产生的透射峰波长随扫描线数的偏移图；
图6(a)是实施例2制得的相移结构的FBG的透射谱图，图6(b)是相移产生的透射峰波长随扫描线数的偏移图。
其中，1为光纤布拉格光栅；2为显微物镜；3为飞秒激光；4为CCD；5为三维电动平移台；6为光纤纤芯；7为光纤包层；8为飞秒激光扫描路径；9为入射飞秒激光方向；10为激光扫描形成的相移区域；11为计算机；12为宽带光源；13为光谱分析仪；14为光纤环形器，15为光纤跳线；16为相移结构的FBG；17为电控激光快门；18为可变衰减器。
具体实施方式
为了更好说明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施例并参考附图对本发明的具体结构及操作进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于飞秒激光直写制备相移结构的FBG(光纤布拉格光栅)的方法，采用飞秒激光直接扫描的方式改变辐照区域折射率，形成相移结构。
图1为实现本发明所采用的一种加工装置示意图，其由显微物镜2、三维电动平移台5、计算机11、飞秒激光3组成，FBG 1放置在三维电动平移台5上，计算机11与三维电动平移台5以及设置在显微物镜2上方的CCD 4连接，飞秒激光3经显微物镜2聚焦后照射在常规结构的光纤布拉格光栅(FBG)1上。通过飞秒激光定点辐照或者在FBG覆盖区域进行扫描。扫描加工时扫描方式优选图2(b)的方法，但不仅限于此。经激光辐照后形成包含相移区域的相移FBG，如图2(c)所示。
图3为本发明测量相移FBG光谱采用的装置示意图。宽带光源12发出光信号通过光纤跳线15进入光纤环形器14再经过相移结构的FBG 16反射，反射光经过光纤环形器14进入光谱分析仪13，最后光谱分析仪将收集的反射光谱数据传输给计算机11。
利用图1所示的装置，下面结合附图给出本发明的几个实施例：
实施例1
本实施例以加工高温F-P温度传感器为例，具体如下：
原始材料：光纤布拉格光栅
相移结构的FBG的制备步骤详细阐述如下：
(1)将光纤布拉格光栅1固定于载玻片上，并在光栅区域加入折射率匹配液，然后盖上盖玻片，如图1所示；
(2)将固定好的光纤布拉格光栅1放置于三维电动平移台5上，如图1所示。飞秒激光3的重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率设定为0.7mW。选择20×、数值孔径0.45的显微物镜2，使飞秒激光3通过显微物镜2聚焦在光纤布拉格光栅1纤芯附近。三维电动平移台5的扫描速率为20μm/s。
(3)飞秒激光扫描方向为平行光纤轴向，起始位置为距离纤芯2μm处。飞秒激光扫描长度为500μm，扫完第一条直线后垂直轴向移动0.8μm扫描第二条线，总共扫描13条线以覆盖整个纤芯区域。扫描过程如图2(b)所示。
(4)将扫描后的光纤布拉格光栅在酒精中清洗；即得到相移结构的FBG。
图2(c)为该方法加工的相移结构的FBG的示意图。中间区域由于飞秒激光辐照产生折射率变化，因而光栅被擦除。将制备的相移结构的FBG连接至光谱测量装置，如图3所示。测量得到的透射光谱如图5(a)所示，图5(a)中不同扫描线数的光谱图进行了纵向平移。从图5(a)中可以看到随着扫描线数的增加，透射峰从短波方向往长波方向偏移，透射峰的对比度最高可达8dB，透射峰波长位置与扫描线数的关系如图5(b)所示。
实施例2
原始材料：光纤布拉格光栅。
(1)光纤布拉格光栅1的固定参考实施例1的相应过程。
(2)飞秒激光3扫描光纤的过程参考实施例1的相应过程，参数为：飞秒激光3的重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率设定为2mW；选择20×、数值孔径0.45的显微物镜2；三维电动平移台5的扫描速率为20μm/s。
(3)飞秒激光的扫描方式参考案例1，扫描长度为1000μm，扫完第一条直线后垂直轴向移动0.8μm扫描第二条线，总共扫描14条线以覆盖整个纤芯区域。
(4)飞秒激光3扫描后光纤的清洗参考实施例1的相应过程。
图6(a)为实施例2制备的相移结构的FBG的透射光谱图。可以看到，扫描长度为1000μm可产生两个相移峰。随着扫描线数的增加，相移峰从短波方向往长波方向移动。透射峰波长位置与扫描线数的关系如图6(b)所示。
实施例3
原始材料：光纤布拉格光栅。
(1)光纤布拉格光栅1的固定参考实施例1的相应过程。
(2)飞秒激光3扫描光纤的过程参考实施例1的相应过程，参数为：飞秒激光3的重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率设定为8mW；选择5×、数值孔径0.15的显微物镜2；三维电动平移台5的扫描速率为195μm/s。
(3)飞秒激光的扫描方式参考案例1，扫描长度为1500μm，扫完第一条直线后垂直轴向移动0.9μm扫描第二条线，总共扫描12条线以覆盖整个纤芯区域。
(4)飞秒激光3扫描后光纤的清洗参考实施例1的相应过程。
实施例4
原始材料：光纤布拉格光栅。
(1)光纤布拉格光栅1的固定参考实施例1的相应过程。
(2)飞秒激光3扫描光纤的过程参考实施例1的相应过程，参数为：飞秒激光3的重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率设定为0.1mW；选择100×、数值孔径0.9的显微物镜2；三维电动平移台5的扫描速率为5μm/s。
(3)飞秒激光的扫描方式参考案例1，扫描长度为1200μm，扫完第一条直线后垂直轴向移动0.7μm扫描第二条线，总共扫描12条线以覆盖整个纤芯区域。
(4)飞秒激光3扫描后光纤的清洗参考实施例1的相应过程。
实施例5
原始材料：光纤布拉格光栅。
(1)光纤布拉格光栅1的固定参考实施例1的相应过程。
(2)飞秒激光3扫描光纤的过程参考实施例1的相应过程，参数为：飞秒激光3的重复频率为1000Hz，脉冲宽度为50fs，功率设定为0.5mW；选择20×、数值孔径0.45的显微物镜2；三维电动平移台5的扫描速率为10μm/s。
(3)飞秒激光的扫描方式参考案例1，扫描长度为800μm，扫完第一条直线后垂直轴向移动0.6μm扫描第二条线，总共扫描15条线以覆盖整个纤芯区域。
(4)飞秒激光3扫描后光纤的清洗参考实施例1的相应过程。
本发明提供了一种基于飞秒激光直写制备相移结构的FBG(光纤布拉格光栅)加工方法：采用飞秒激光定点辐照或者扫描辐照的方式改变光纤光栅部分栅区折射率，从而产生特定相移。与现有技术相比，该方法加工工序更为简单，加工速度快，适合于各种材料的光纤，可以实现0-2π之间相移的精确控制。本发明方法制备的相移结构光纤布拉格光栅可用于传感、光纤激光器等领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，其特征在于：利用聚焦的飞秒激光，在常规结构的光纤布拉格光栅的纤芯区域进行定点辐照或扫描，使常规结构的光纤布拉格光栅的纤芯区域内出现一个或多个折射率改变的区域，形成相移结构，即得到相移光纤布拉格光栅，其中通过控制飞秒激光的功率、扫描区域宽度及重复扫描次数，控制折射率的变化，从而实现对相移大小的精确调控；
具体包括以下步骤：
1)将常规结构的光纤布拉格光栅固定于载玻片上，并在待辐照的区域加入折射率匹配液，然后盖上盖玻片，再将固定好的常规结构的光纤布拉格光栅放置于三维电动平移台上；
2)利用显微物镜将飞秒激光聚焦至待形成相移区域的常规结构光纤布拉格光栅的纤芯处，通过飞秒激光辐照改变照射区域的折射率，从而形成相移区域，即得到相移光纤布拉格光栅；其中飞秒激光辐照位置由三维电动平移台控制，相移区域通过飞秒激光定点辐照位置或者区域扫描确定，区域扫描通过飞秒激光移动扫描或者移动光纤布拉格光栅实现；若要制备具有多个相移结构的相移光纤布拉格光栅，则在步骤2)完成一个相移区域的制备后，关闭飞秒激光快门，利用三维电动平移台控制光纤布拉格光栅移动到下一个待辐照的区域，重复步骤2)，实现多相移光纤布拉格光栅的制备。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，其特征在于：选用1000Hz重复频率的飞秒激光时，三维电动平移台的扫描速率为<200μm/s。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，其特征在于：选用的显微物镜的倍数为5～100倍，飞秒激光的功率0.1～8mW。
4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光直写制备相移光纤布拉格光栅的方法，其特征在于：选用的显微物镜的倍数为20倍，飞秒激光的功率0.5～2mW。
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