CN106574995A - 用提供可调节干涉图案的装置形成光学光栅 - Google Patents

Abstract

一种与脉冲激光源一起使用的装置，用于在目标中形成光栅，所述装置包括：可调节望远镜，其具有带负屈光力的元件，用于产生发散光束，使得光束在离开望远镜时具有可调节的发散度，同时避免了光在望远镜内的聚焦。透射衍射光栅被设置在离开望远镜的光束中，用于在目标上形成光学干涉图案。可以通过调节离开望远镜的光束的发散度来形成具有不同光栅周期的光栅。由于在望远镜内缺乏致密焦斑，使得能够使用超短脉冲持续时间，高峰值强度激光源。

Description

用提供可调节干涉图案的装置形成光学光栅

技术领域

本发明涉及光学器件制造装置和方法，特别涉及用于制造光栅的装置和方法。

发明背景

光纤布拉格光栅(FBG)滤光器广泛用于光学网络中，用于稳定掺杂铒的光放大器中使用的半导体泵浦激光器，以及用于在光学网络中传播的波长信道的波分复用和色散补偿。FBG还由于用作在监测民用结构以及感测各种环境中的温度和应变的传感器而引起相当大的关注。每个FBG在布拉格谐振波长λ_Br处具有特征的逆反射布拉格谐振。布拉格谐振波长λ_Br取决于光纤内的光栅的周期性以及光纤纤芯的有效折射率。布拉格谐振波长λ_Br由下式定义：

λ_Br＝2n_effΛ (1)

其中n_eff是谐振导芯模的有效折射率，并且Λ是光栅在波导内的周期。

FBG通常使用在纳秒脉冲或连续波(cw)状态下操作的高功率紫外(UV)激光系统来制造。通常，通过将锗掺杂的二氧化硅芯光纤的UV光敏芯暴露于空间调制的UV激光束以产生光纤芯中的永久折射率变化来产生FBG。这种空间调制的UV光束可以通过使用Glenn等人的美国专利号4,807,950中公开的双光束干涉技术或通过使用由Hill等人在美国专利号5,367,588中公开的专用透射衍射光栅来产生。在Hill等人的装置中，相位掩模在诸如二氧化硅的玻璃基底中被精确蚀刻，以优化在给定波长处的入射激光到一对第一衍射级的耦合，并抑制耦合到第0级透射。相位掩模通常优选用于产生光干涉图案的本体干涉仪，因为本体干涉仪可以不太稳定并且更难以在生产环境中使用。相位掩模更稳定，但是具有较小的灵活性来调节它们所产生的光干涉图案的周期。对于由准直的UV激光和相位掩模诱导的光栅，光栅周期Λ与掩模周期Λ_mask掩模相关：

Λ_mask＝2Λ (2)

在典型的生产环境中，维持相位掩模的库存，以制造具有不同布拉格共振的光栅。每个相位掩模可能非常昂贵。改变和对准掩模以在生产线上产生不同的光栅谐振是耗时且繁琐的过程。因此，期望具有从单相位掩模制造具有不同布拉格谐振的光栅的能力，而不必执行复杂的对准过程。

已经开发了几种技术，其中具有固定周期Λ_mask的相位掩模用于制造具有不同周期Λ的布拉格光栅。举例来说，Q.Zhang等人在发表于《光子学技术快报》(PhotonicsTechnology Letters)1994年7月第6卷第7期的题为“通过在预应变光纤中写入光栅来调谐布拉格波长(Tuning Bragg wavelength by writing gratings in prestrainedfibers)”的文章中提出了一种技术，其中当光纤处于拉伸应变时，光纤被暴露于由相位掩模产生的干涉图案。当在光栅刻录之后应变消除时，相对于使用相同相位掩模在未受应力光纤中执行的类似刻录，λ_Br偏移到较低波长。

光纤只能容忍少量的应变，因此通过Zhang等人的方法调节λ_Br的量是有限的。对于在标准单模锗掺杂电信光纤(例如Corning SMF-28)中写入的布拉格光栅，λ_Br在1550nm电信频带中，λ_Br的可实现调谐为小于2nm。这种技术的变化由Couillard等人在美国专利6,643,066中教导，其中二氧化硅相位掩模本身被压缩或拉伸，以便改变光纤光栅的合成周期。此外，λ_Br的最大调谐量约为2nm。

另一种技术，由J.D.Prohaska等人发表在《电子快报》(Electronics Letters)1993年9月第29卷第18期的题目为“掩模制造的光纤布拉格光栅的放大(Magnification ofmask fabricated fiber Bragg gratings)”的论文中，其使用发散或会聚的紫外激光束来照射相位掩模。参考图1，示出了Prohaska装置10。紫外激光束11通过具有焦距f的凸透镜12传播。然后，紫外激光束11传播通过相位掩模13并照射到感光光纤14上。在操作中，相位掩模13产生会聚衍射光束15A和15B，其产生具有会聚条纹17的干涉图案16。Prohaska教导了光纤14内的布拉格光栅周期的放大率M由以下等式定义：

其中p是凸透镜12和相位掩模13之间的距离，q是相位掩模13和光纤14之间的距离。

有害的是，由于以下原因，通过Prohaska方法仅可以实现周期性的小变化。在距离相位掩模一定距离处产生的光干涉图案受到照射激光束的光斑尺寸和空间相干性的限制。用于光栅刻印的典型UV源是准分子激光系统，其具有小于1毫米的空间相干长度。UV激光源的小的相干长度导致小的q值，这导致M的值接近1。

为了产生任何重要性的放大效应，相位掩模到光纤的距离需要至少几毫米。该距离超过用于刻写布拉格光栅的大多数准分子激光UV系统的空间相干性。可替代的UV系统包括具有更好的空间相干性但亚毫米波束尺寸的倍频氩离子激光器。为了确保衍射级的充分重叠以产生干涉图案，在基于氩离子激光器的系统中，相位掩模到光纤的距离不能大于1mm。应当注意，来自倍频氩离子激光器的相干UV束可以使其束直径扩大，这将允许更大的相位掩模到光纤的距离。然而，扩展波束的波束强度低得多。因为光栅强度线性地依赖于曝光时间，所以宽的低强度光束可以在长时间曝光之后最终写入光栅。然而，从制造的观点来看，使用扩大的倍频氩离子激光束的长写入时间可能是不实用的。

Bhatia等人在美国专利6,269,208中公开了一种改进准分子激光UV光束的空间相干性以增加相位掩模到光纤的距离，从而增强放大效应的方法。Bhatia等人教导了通过使用孔口(aperture)对激光束进行空间滤波，可以增加准分子激光束的相干长度。凸透镜被放置在孔口下游的光束路径中。通过改变孔口和凸透镜之间的距离，可以改变离开凸透镜并入射到相位掩模上的光束的发散度。空间滤波增加了激光束的空间相干性，允许相位掩模和光敏波导之间的距离增加。

这种方法的一个缺点是，作为空间滤波的结果，激光束的写入功率有重大损失，而光束的空间相干性仅略微改善。对于标准准分子激光器，定义相位掩模和光纤之间的最大距离的空间相干长度的改进从0.5mm增加到约2mm。需要更大的相位掩模到光纤的距离，以便获得大于5nm的布拉格光栅的波长可调性。

Cole等人在美国专利6,072,926中教导了一种用于通过在写入过程期间沿着光纤轴线横向移动相位掩模和UV光束来调节光纤布拉格光栅的周期的技术。相位掩模到光纤的距离保持在UV激光器的空间相干长度内，其小于1mm。针对给定相位掩模的所产生的布拉格光栅的调谐范围也被限制为约1nm或更小。调节范围随着相位掩模上的准直UV光束的宽度减小而增加，然而减小的光束尺寸要求光纤直接邻近相位掩模，以确保由相位掩模衍射的阶数的充分重叠，从而产生所需的干涉图案。需要精密平移台来相对于彼此平移光纤和相位掩模。

在所有上述情况下，实际的波长调谐将在1525nm至1565nm的电信波长带中产生仅最多几纳米的波长差。Painchaud等人在美国专利6,501,883中公开了一种光栅刻写技术，其基于Cole所教导的沿着光纤的相位掩模扫描的组合，以及由Bhatia所教导的光束聚焦。Painchaud等人的技术能够将从单相位掩模产生的波长的变化增加一个数量级，达到20nm。不利的是，需要昂贵的平移和对准台来精确地控制相位掩模和光纤波导之间的相对运动。

近来，与相位掩模耦合的飞秒红外激光器已经用于在对紫外光不敏感的光波导中获得布拉格光栅。Mihailov等人在美国专利6,993,221和7,031,571中公开了使用由具有小于500fs的脉冲持续时间的超快激光源照射的相位掩模来制造光纤和波导中的布拉格光栅结构的技术。所得光栅结构具有高于1×10^-3的高折射率调制振幅。与连续波或纳秒脉冲持续时间紫外辐射相比，使用飞秒脉冲持续时间红外辐射，指数变化的感应更有效。等人在《光学材料快报》(Optical Materials Express)2011年第1卷第4期第633-642页发表的题为“使用相位掩模和变形波前的定制光纤布拉格光栅的超短脉冲刻写(Ultrashort pulse inscription of tailored fiber Bragg gratings with a phasemask and an deformed wavefront)”的文章中，和Song等人在《中国物理通讯》(PhysicsLetters)2009第26卷第9期第094204发表的题为“使用飞秒激光和相位掩模将FBG可调谐直接写入到非光敏Tm掺杂的光纤纤芯(Tunable Direct Writing of FBGs into a Non-Photosensitive Tm-Doped Fiber Core with a fs Laser and Phase Mask)”的文章中，已经证明了用非准直飞秒激光束照射相位掩模以达到不同光栅节距的方法。在这两种情况下，通过在相位掩模之前引入单重柱面透镜来产生非准直光束。单重柱面透镜具有平行于相位掩模的线的轴线。

虽然大约40纳米的大波长偏移由Song等人证明，对于给定的相位掩模到光纤的距离，布拉格谐振中的偏移由柱面透镜的焦距固定。从生产的角度来看，相位掩模到光纤的距离需要保持恒定，因为相位掩模对光纤距离的任何改变都导致衍射级重叠的变化，导致整个光栅长度的变化，因此导致光栅的光谱特性例如反射率和带宽的变化。因此，如果要改变光栅周期，则需要改变柱面透镜。这种改变导致光栅周期的离散变化，并且需要冗长且耗时的制造设置的重新对准。

发明内容

本发明的一个目的是解决现有技术的缺陷。

根据本发明，提供了一种用于在沿第一方向延伸的目标中形成光栅的装置，所述装置包括：

一种望远镜，包括：

第一光学元件，其在包括所述第一方向的第一平面中具有负的屈光力，用于接收第一光束，并用于由所述第一光束形成发散光束；和

第二光学元件，其在第一平面中具有正屈光力，所述第二光学元件设置在第一光学元件的下游，用于接收发散光束，并用于由所述发散光束形成第二光束；

望远镜支撑件，其用于支撑第一光学元件和第二光学元件，所述望远镜支撑件包括可移动部分，用于通过调节第一光学元件和第二光学元件之间的距离来调节第二光束的发散度；和

透射衍射光栅，其设置在望远镜的下游，用于接收第二光束，并将第二光束分成第一子光束和第二子光束；

其中在操作中，当所述第一光束被所述第一光学元件接收时，所述第一子光束和第二子光束在所述目标上重叠，并在所述目标上形成光学干涉图案，以在其中形成所述光栅，其中所述光学干涉图案具有取决于所述第二光束的发散度的周期，由此可通过调节所述望远镜的所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离来调节所述光栅的周期。

优选地，该装置与具有不大于10ps的脉冲持续时间的激光源一起使用。可以提供接合构件，用于将光纤保持器和透射衍射光栅保持在彼此固定的距离。平移器可以机械地耦接到接合构件和望远镜，用于相对于接合构件和望远镜中的另一个在第一方向上移动接合构件和望远镜中的一个。位移可以以协调的方式执行，以便当所述平移器(例如，沿着光纤)相对于所述接合构件移动所述望远镜时，减少目标上的光学干涉条纹的偏移。

根据本发明，还提供了一种使用上述装置在目标中形成光栅的方法，所述方法包括：

(a)调节望远镜的第一光学元件和第二光学元件之间的距离，以调节在第一方向上延伸的光学干涉图案的周期；

(b)提供第一光束，以便在目标上形成光学干涉图案；和

(c)在目标中形成光栅。

优选地，第一光束由脉冲持续时间不大于10ps的脉冲激光源提供。在一个实施例中，该方法还包括

(d)使连接构件和望远镜中的一个在第一方向上相对于连接构件和望远镜中的另一个位移；和

(e)在执行步骤(d)的同时，以与步骤(d)的位移相协调的方式改变第一光学元件和第二光学元件之间的距离，以便减小光纤上的光学干涉图案的峰值的偏移。

附图的简要说明

现在将结合附图描述示例性实施例，其中：

图1是现有技术的光栅写入装置的示意性俯视图；

图2是根据本发明的光栅写入装置的示意性俯视图；

图3是图2的装置的等轴视图；

图4是根据本发明的光栅写入装置的反射性实施例的等轴视图；

图5是根据本发明的光栅写入装置的实施例的俯视示意图，其具有可平移的望远镜；

图6A至6C是在写入啁啾光栅期间图5的装置的顶部示意图；和

图7是使用本发明的装置形成光栅的方法的流程图。

发明的详细描述

虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意味着本教导受限于这样的实施例。相反，本教导包括各种替代和等同物，如将被本领域技术人员所理解的。

参考图2，本发明的装置200与脉冲激光源202一起使用，用于在沿第一方向208(即坐标系214的Y方向)延伸的光纤206的芯205中形成光栅204。装置200包括圆柱望远镜210，其包括凹柱面透镜211和凸柱面透镜212。凹柱面透镜211在包括第一方向208的YZ平面(坐标系214)中具有负屈光力或散焦屈光力。凸柱面透镜212在YZ平面中具有正屈光力或聚焦能力。在操作中，凹柱面透镜211增加由激光源202发射的“第一”光束216的发散度，形成发散光束218。凸柱面透镜212设置在位于凹柱面透镜211下游的发散光束218的光路中。凸柱面透镜212接收发散光束218并且减小发散光束218的发散度，形成“第二”光束220。在本文和整个说明书的其余部分中，术语“第一”，“第二”等并不暗示元件的顺序。而是，它们仅用作标识符。提供望远镜支撑件222，用于支撑圆柱望远镜210的凹面柱面透镜211和凸面柱面透镜212。望远镜支架222包括支撑凹柱面透镜211的可移动部分224，用于沿着平行于Z轴的方向225调节凹柱面透镜211和凸面柱面透镜212之间的距离l，从而调节第二光束220的发散度。在一个实施例中，可移动部分224可以支撑凸柱面透镜212，并且凹柱面透镜211可以被固定到望远镜支撑件222。凹柱面透镜211和凸柱面透镜212中的至少一个或两者可以安装在一个或多个可移动支撑构件例上，例如可移动部分224上，以改变望远镜210的凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离l。

相位掩模226设置在第二光束220的光路中。在操作中，相位掩模226将第二光束220分成在光纤206上重叠的第一子光束221A和第二221B子光束，并在光纤206上形成光学干涉图案228。光学干涉图案228在Y方向208上延伸，即沿着光纤206延伸。在操作中，光学干涉图案228在光纤206的芯205中形成光栅204。相位掩模226基本上是相位衍射光栅。也可以使用振幅衍射光栅来代替相位掩模226.。更一般地，可以使用包括振幅光栅和相位光栅的透射衍射光栅；因此相位掩模226仅是示例。

光学干涉图案228具有取决于第二光束220的发散度的周期。因此，通过调节望远镜210的凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离l，可以调节光栅204的周期。望远镜210的有效焦距f_eff由下式给出：

其中f₁是凹柱面透镜211的焦距，f₂是凸柱面透镜212的焦距。在所示的实施例中，f₁具有负值，f₂具有正值。

可以通过移动可移动部分224来改变入射在相位掩模226上的第二光束220的有效焦距f_eff，并因此改变其波前曲率，从而改变凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离l。当凹柱面透镜211在由虚线所示的位置211A处时，l>f₁+f₂，在凸柱面透镜212处离开望远镜210的第二光束220如虚线220A所示会聚，并且具有正f_eff。。当凹柱面透镜211和凸柱面透镜212的焦距(foci)或焦点在空间上重叠时，l＝f₁+f₂，离开望远镜210的第二光束220被准直，如实线220B所示，去除入射在相位掩模226上的第二光束220。当凹柱面透镜211在由虚线所示的位置211C处时，l>f₁+f₂，在凸柱面透镜212处离开望远镜210的第二光束220如虚线220C所示发散。对于图2所示的情况，当只有两个子光束(即221A和221B)干涉以产生干涉图案228时，对于发散的第二光束220，Λ>Λ_mask/2，而对于会聚的第二光束220，Λ<Λ_mask/2。通过调节凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离l，可以调节光栅周期，以补偿制造或设计变化。可以进行大的变化以制造具有不同规格的光栅。此外，一个光栅可以写在具有不同谐振波长但具有相同相位掩模的另一个光栅上。这种多波长光栅可以在复合传感器中特别有用。也可以控制光栅啁啾，以提供更复杂的光谱响应。

作为非限制性示例，参考图2和公式(4)，当使用具有焦距f₁＝-100mm的凹柱面透镜211和具有焦距f₂＝200mm的凸柱面透镜212来曝光具有1.071微米节距的相位掩模226，光纤206被放置在相位掩模226之后5mm(即，q＝5mm)，并且凸柱面透镜212和相位掩模226之间的距离为20mm，然后将透镜节距l从0mm调节到175mm，将获得基本上在整个电信C波段上具有1586nm和1519nm之间的谐振λ_Br的布拉格光栅。

在所示的实施例中，装置200包括用于保持光纤206的光纤保持器230，使得光纤206在第一方向208上(即沿着Y轴)延伸。光纤保持器230以部分剖视图示出。为了更好地将光能集中在光纤206上，装置200可以包括聚光透镜232或“刻写透镜”232。聚光透镜232在垂直于Y轴的平面中具有正屈光力。聚光透镜232设置在第二光束220的光路中，即凸柱面透镜212的下游，但也可以设置在凸柱面透镜212的上游的第一光束216的光路中；或者如果空间允许，甚至在相位掩模226和光纤206之间的光路中。在操作中，聚光透镜232将光学干涉图案228集中到光纤206上的焦线中，以增强光栅写入(“刻写”)效率。可以使用在垂直于Y轴的平面中具有正屈光力的另一光学元件，例如衍射光学元件，来代替聚光透镜232。

根据本发明，激光源202包括具有不大于10ps的超短脉冲持续时间的脉冲激光源。在一个实施例中，激光源202是具有小于1ps的脉冲持续时间的飞秒激光源，优选地为至少1微焦耳的脉冲能量。使用飞秒激光源(例如再生放大的Ti：蓝宝石激光器)的优点已经由Mihailov等人在美国专利7,031,571中描述，该专利通过参考被并入本文。根据Mihailov等人的描述，当使用飞秒激光源时，相位掩模226和光纤206之间的距离q可以是几毫米。包括800nm和1600nm之间的波长的近红外范围对于能够通过熔融石英光纤目标中的保护性涂层聚合物材料写入光栅是优选的。此外，近红外辐射的使用减轻了去除保护性聚合物涂层和将保护性聚合物涂层重新应用到用于光栅刻写的光纤的需要。在可见光和UV波长范围内使用飞秒脉冲也有优点。多光子吸收在可见光和UV范围内比在红外光中效率高得多，从而降低了在UV和可见光波长(例如，在190nm和650nm之间)下工作的激光源202对脉冲能量的需求。

望远镜210的第一光学元件，即凹柱面透镜211，使第一光束216散焦，从而避免在望远镜210内产生紧密的焦斑。聚焦高功率飞秒脉冲可能导致焦点区域中的空气电离，导致第二光束220的波前的变形。因此，使用在YZ平面214中具有负屈光力(即，YZ平面214中的散焦功率)的望远镜210的第一光学元件使得能够避免第一光束216的紧密聚焦的问题，改善第二光束220的波前质量，因此，提高了光栅204的整体质量。

Mihailov等人在《光波技术》(Journal of Lightwave Technology)2004年第22卷第94页发表的标题为“使用800nm飞秒辐射和相位掩模写入全SiO₂和Ge掺杂芯光纤的布拉格光栅(Bragg Gratings Written in All-SiO ₂and Ge-Doped Core Fibers With 800-nm Femtosecond Radiation and a Phase Mask)”的文章(其通过参考并入本文)中解释了由于由飞秒IR辐照引起的诱导折射率变化的机制的非线性，使用该方法制造的布拉格光栅的特征在于非正弦折射率调制或Δn，其导致由布拉格光栅产生的高阶光谱，使得：

mλ_Br＝2n_effΛ (5)

其中m是布拉格光栅谐振的衍射阶数，n_eff是光纤206的导芯模的有效折射率。根据公式(2)和(5)，为了产生具有高衍射阶的谐振，相位掩模Λ_mask的节距被定义为：

通过使用被设计为根据等式(6)产生高阶布拉格谐振的相位掩模，进一步减小了衍射级散布，允许更大的相位掩模226到光纤206的间隔q，这又使得能够实现更大的波长调谐范围。例如，相位掩模226的节距(周期)需要形成在单模电信光纤内在1550nm(1Br＝1550nm)处谐振的三阶(m＝3)布拉格光栅，其中有效折射率n_eff＝1.447将需要Λ_mask＝3.213微米。在1550nm处产生基本布拉格谐振(m＝1)的类似掩模将需要Λ_mask＝1.071微米。随着掩模节距增加，对于给定照明波长，相位掩模衍射阶次角减小，从而允许增加光纤到相位掩模的间隔q。

为了确定适当的光纤到相位掩模的间隔q，需要考虑两个问题。第一个问题是较大节距Λ_mask导致第一衍射级的衍射角(即第一子光束221A和第二子光束221B的衍射角)减小。第二个问题是需要更短的距离来干涉多个衍射级，这有利于写入热稳定光栅。

当相位掩模226的节距Λ_mask增加(例如从1.071微米增加到3.213微米)时，干涉第一子光束221A和第二子光束221B在波长800nm处的衍射角从48.2°减小(相对于相位掩模226法线)到14.4°。在距离相位掩模226 3mm的距离处，当Λ_mask＝1.071微米时，对于6.4mm直径的第二光束220，大多数第一子光束221A和第二子光束221B不再重叠；而在该距离为3mm处，当Λ_mask＝3.21微米时，第一221A和第二221B子光束大部分重叠。因此，对于更长的节距Λ_mask，第一子光束221A和第二子光束221B的重叠发生在距离相位掩模226更远的距离处。

为了写入与相位掩模226的节距Λ_mask相同的节距而不是节距Λ_mask的1/2的光纤光栅，所有衍射级需要在光纤206上重叠。这对于制造热稳定的布拉格光栅很重要，因为多级干涉图案的峰值强度比第一子光束221A和第二子光束221B之间的两束光束干涉图案中的峰值强度高得多。对于Λ_mask＝1.071微米的长节距相位掩模226，该多光束干涉出现在从相位掩模226的表面到距离相位掩模达到100微米的距离处。从距掩模100微米的距离到例如5mm的距离，干涉仅发生在第一子光束221A和第二子光束221B子光束之间，而不是第0级。对于6.4mm的第二光束220直径，第一子光束221A和第二子光束221B在距离相位掩模226 5mm处不再重叠。

在Λ_mask＝3.21微米的长节距相位掩模226情况下，直到距离掩模1mm的距离，第一子光束221A和第二子光束221B仍然与第0级重叠，产生具有相同节距Λ_mask的干涉图案。超过1mm距离，仅第一子光束221A和第二子光束221B重叠。对于6.4mm直径的第二光束220，第一子光束221A和第二子光束221B在距离相位掩模226 20mm处不再重叠。

因此，对于直径为6.4mm的第二光束220，可以使用相位掩模226在距离掩模直至20mm(q≤20mm)处写入光栅，其产生三阶布拉格光栅。该布拉格光栅以距离超过Mihailov等人的美国专利7,031,571中定义的“阶次偏离距离(order walk off distance)”制造。出于实际目的，可以选择q≤20mm的范围，虽然甚至>20mm的更大的距离仍然是可能的。

转到图3，以等轴视图示出了装置200。可以通过沿着方向225(即平行于Z轴，朝向和远离位置211C)移动凹柱面透镜211和凸柱面透镜212中的任一个来调节凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离l，从而调节通过聚光透镜232传播并照射在相位掩模226上的第二光束220的发散度。在优选实施例中，装置200包括可移动底座302，聚光透镜232安装在可移动底座302上，用于沿X轴(即，在图3中垂直并且垂直于光纤206)移动聚光透镜232。在一个实施例中，可移动底座302适于连续地改变聚光透镜232的高度h，以垂直扫过光纤206上的第二光束220和光学干涉图案228。垂直扫过有助于通过光干涉图案228均匀地暴露光纤206。可移动底座可以包括平移台，基于挠曲的底座，压电底座等。

在第一光束216(“写入光束”)的脉冲持续时间非常短(例如20fs或更小)的情况下，脉冲可能经历过度色散，变宽，并且可能在通过折射光学器件传播时经受非线性光学相互作用。参考图4，用于形成光栅的本发明的装置400是图2和3的装置200的“反射性”变体。在图4的装置400中，使用凸柱面反射镜411和凹柱面反射镜412来分别代替凹柱面透镜211和凸柱面透镜212。凸柱面反射镜411和凹柱面反射镜412形成反射望远镜410。使用反射元件，特别是凸柱面反射镜411和凹柱面反射镜412，允许减少由色散和非线性效应引起的飞秒激光脉冲的变宽。

在操作中，第一光束216照射在凸柱面反射镜411上，在凹柱面反射镜412下面传播。所得到的发散激光束218然后入射在凹柱面反射镜412上。所得到的第二光束220然后传播穿过聚光透镜232和相位掩模226，照射到设置在距离相位掩模226距离为q的光纤206上。凸柱面透镜411可以放置在倾斜台423上，倾斜台423安装在望远镜支撑件422的可移动部分424上。如图4所示，凹柱面反射镜412可以类似地围绕Y轴倾斜，以偏移凸柱面反射镜411的Y轴倾斜。由于反射镜411和412的分离由可移动部分424调节，凸反射镜411的倾斜也可能必须被调整，以确保第二光束220在通过聚光透镜232聚焦时入射到光纤206上。可以通过改变凹柱面反射镜411的倾斜或者通过如上所述改变聚光透镜232的高度来扫过光纤206上的第二光束220的焦点处的光学干涉图案228。

参考图2和图4，图4的装置400使用反射望远镜410代替图2的装置200的折射圆柱形望远镜210。更一般地，望远镜210可以包括在YZ平面中具有屈光力(即，聚焦或散焦能力)的两个光学元件。第一光学元件(例如凹柱面透镜211)具有负屈光力，第二光学元件(例如凸柱面透镜212)具有正屈光力。这些元件可以是反射性的，折射性的，衍射性的，等等。此外，第一光学元件和第二光学元件不仅限于圆柱形或变形光学元件。例如，可以使用球面或非球面光学元件。变形光学器件优选用于拉长刻写目标，例如光纤206。然而，应当理解，本发明不限于光纤作为刻写目标。也可以使用由图2和图3的装置200或图4的装置400示例的装置对其他类型的目标，例如熔融石英或玻璃板或其它光学元件进行刻写。

现在转到图5，本发明的装置500可以与脉冲激光源202一起使用以形成光栅。装置500是图2和图3的装置200和图4的装置400的变体。图5的装置500包括图2的装置200的所有元件。图5的装置500还包括用于将光纤保持器230和相位掩模226以彼此固定距离q保持的连接构件502。这对制造是有利的，因为诸如反射率和带宽的光栅参数对距离q非常敏感，并且距离q的随机变化可能导致光栅参数的不可接受的制造变化。装置500还可以包括机械耦接到连接构件502的平移器504，所述耦接例如通过耦接到公共衬底(未示出)和望远镜210，用于相对于连接构件502在Y方向208上移动望远镜210，使光纤保持器230和相位掩模226以距离为q保持固定分开关系。就此而言，平移器504和可移动部分224可以包括机动平移台。

由脉冲激光器202产生的第一光束216照射在转向镜506上，转向镜506将第一光束216耦合到凹柱面透镜211。当第一光束216以这种方式耦合到凹柱面透镜211时，圆柱形望远镜210可以被基本上平移而不干扰光学对准。可替代地，连接构件502可相对于望远镜210平移。

控制器508可以分别通过连杆512和514可操作地耦接到平移器504和望远镜支撑件222，并且被配置为使平移器504相对于连接构件502在Y方向208上移动望远镜210，同时导致望远镜支撑件222使凹柱面透镜211相对于凸柱面透镜212位移。这两个位移彼此协调，使得当平移器504相对于连接构件502移动望远镜210或者相对于望远镜210移动连接构件502时，光学干涉图案228的峰值或干涉条纹基本上不在光纤206上偏移。至少，通过协调运动减小了峰的偏移。以这种方式，可以在光纤206中形成啁啾光纤光栅。控制器508可以经由激光链路516控制激光器202。作为非限制性示例，可以经由激光链路516控制诸如激光开和关、激光功率和激光波长等参数。控制器508还可以控制聚光透镜232沿着X轴(即，在图5的平面内和平面外)的位移。在一个实施例中，望远镜210以步长和重复的方式沿着Y方向208平移，其中在每个步骤之后，通过沿着X轴扫过聚光透镜232，第二光束220扫过光纤206。

进一步参考图5，在图6A，6B和6C中进一步示出了写入啁啾光栅的过程。写入过程的三个渐进阶段示于图6A，6B和6C中。具体参考图6A，光纤206被会聚的第二光束220A照射，产生具有沿着Z轴(即，在图6A中从左向右)“收敛”的干涉条纹628A的光干涉图案228A。当平移器在Y方向208上移动望远镜210时，控制器508使望远镜支撑件222相对于凸柱面透镜212移动凹柱面透镜211，以便使第二光束220更准直。在图6B中，光纤206被准直的第二光束220B照射，产生具有平行干涉条纹628B的光干涉图案228B。光栅204(图5)的第一部分204A已经被刻写。转到图6C，光纤206被发散的第二光束220C照射，产生具有在Z方向发散的干涉条纹628C的光干涉图案228C。光栅204(图5)的第二部分204B(图6C)已经在第一部分204A(图6C)附近被刻写。望远镜210的移动与其上安装有凹柱面透镜211的可移动部分224的平移协调，以便减小在望远镜210移动期间光纤206上的Y方向上的干涉条纹的偏移。

参考图7并进一步参考图2至图5，使用图2和图3的装置200，图4的装置400或装置500(图2)形成目标中的光栅的方法700，包括调节望远镜的第一光学元件和第二光学元件之间的距离的步骤702。作为非限制性示例，可以调节图2的装置200的圆柱形望远镜210的凹柱面透镜211和凸柱面透镜212之间的距离，或者图4的装置400的反射望远镜410的凸柱面反射镜411和凹柱面反射镜412之间的距离。调节第一光学元件和第二光学元件之间的距离的结果是调节了光学干涉图案228的周期。在步骤704中，例如通过激励激光源202和/或打开快门的方式提供第一光束216，以在目标(例如光纤206)上形成光学干涉图案228。.在下一步骤706中，在目标中形成光栅204。

在图5所示的实施例中，通过使用将光纤保持器230和透射衍射光栅保持在一起的连接构件502，保持光纤206以与相位掩模226相距固定距离在Y方向208上延伸。方法700可以包括步骤708，步骤708使连接构件502和望远镜210中的一个在Y方向208上相对于连接构件502和望远镜210中的另一个位移。在步骤710中，第一光学元件和第二光学元件之间的距离以与步骤708的位移协调的方式变化，使得光学干涉图案228的峰值在光纤206上的偏移减小。

在一个实施例中，如箭头707所示重复方法700的前三个步骤702至706，以在目标中形成可具有不同光栅周期的重叠光栅228。以这种方式，可以形成多波长光栅和变迹光栅。

在方法700的优选实施例中，在步骤704中使用超快脉冲激光器来提供第一光束216，以在步骤706中形成光栅228。优选地，第一光束216具有不大于10ps的脉冲持续时间和1微焦耳或更大的脉冲能量。在一个实施例中，使用具有小于1ps的脉冲持续时间的飞秒激光，允许在不被光敏化的介质中写入光栅。在190nm和1600nm之间的波长范围是优选的。该波长范围由飞秒光纤激光器和再生放大的钛：蓝宝石激光器实现。

出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的一个或多个实施例的前述说明。其并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。意图是本发明的范围不由该详细描述所限制，而是由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种用于在沿第一方向延伸的目标中形成光栅的装置，所述装置包括：

望远镜，所述望远镜包括：

第一光学元件，其在包括所述第一方向的第一平面中具有负的屈光力，用于接收第一光束，并用于由所述第一光束形成发散光束；和

第二光学元件，其在第一平面中具有正屈光力，所述第二光学元件设置在第一光学元件的下游，用于接收发散光束，并用于由所述发散光束形成第二光束；

望远镜支撑件，其用于支撑所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述望远镜支撑件包括可移动部分，用于通过调节所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述第二光束的发散度；和

透射衍射光栅，其设置在所述望远镜的下游，用于接收所述第二光束，并将所述第二光束分成第一子光束和第二子光束；

其中在操作中，当所述第一光束被所述第一光学元件接收时，所述第一子光束和所述第二子光束在所述目标上重叠，并在所述目标上形成光学干涉图案，以在其中形成所述光栅，其中所述光学干涉图案具有取决于所述第二光束的发散度的周期，由此可通过调整所述望远镜的所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述光栅的所述周期。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述第一光学元件的脉冲激光源，用于提供所述第一光束，其中所述第一光束具有不大于10ps的脉冲持续时间。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述脉冲持续时间小于1ps。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述脉冲激光源被配置为在至少1微焦耳的脉冲能量下操作。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一个包括柱面透镜。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一个包括柱面反射镜。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射衍射光栅包括相位掩模。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述目标包括光纤，所述装置还包括用于保持所述光纤沿所述第一方向延伸的光纤保持器。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括用于将所述光纤保持器和所述透射衍射光栅以彼此固定距离保持的连接构件。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述固定距离为20mm或更小。

11.根据权利要求9所述的装置，还包括：

平移器，其被机械地耦接到所述连接构件和所述望远镜，用于相对于所述连接构件和所述望远镜中的一个，在所述第一方向上移动所述连接构件和所述望远镜中的另一个；和

控制器，其被可操作地耦接到所述平移器和所述望远镜支撑件，并且被配置为：使所述平移器相对于所述连接构件和所述望远镜中的一个，在所述第一方向上移动所述连接构件和所述望远镜中的另一个；并且使得所述望远镜支撑件改变所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离。

12.根据权利要求8所述的装置，还包括在垂直于所述第一方向的第二平面中具有正屈光力的第三光学元件，所述第三光学元件被设置在所述第二光学元件的上游或下游，以将所述光学干涉图案集中在所述光纤上。

13.根据权利要求12所述的装置，还包括可移动底座，所述第三光学元件被安装在所述可移动底座上，所述可移动底座被配置用于在所述第二平面中移动所述第三光学元件。

14.一种使用权利要求1所述的装置在目标中形成光栅的方法，所述方法包括：

(a)调节所述望远镜的所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离，以调节在所述第一方向上延伸的所述光学干涉图案的周期；

(b)提供所述第一光束，以在所述目标上形成所述光学干涉图案；和

(c)在所述目标中形成所述光栅。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在步骤(b)和(c)中，所述第一光束由脉冲持续时间不大于10ps的脉冲激光源提供。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在步骤(b)和(c)中，所述脉冲持续时间小于1ps。

17.根据权利要求16所述的方法，其中在步骤(b)和(c)中，所述第一光束具有1微焦耳或更大的脉冲能量。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述目标包括光纤，其中在步骤(a)至(c)中，通过使用保持光纤保持器和透射衍射光栅的接合构件，所述光纤被保持为以与所述透射衍射光栅相距固定距离而在所述第一方向上延伸。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括

(d)使所述连接构件和所述望远镜中的一个在所述第一方向上相对于所述连接构件和所述望远镜中的另一个位移；和

(e)在执行步骤(d)的同时，以与步骤(d)的位移相协调的方式改变所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离，以便减少所述光纤上的所述光学干涉图案的峰值的偏移。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括重复步骤(a)至(c)，以在所述目标中形成重叠的光栅。