CN109387901B - 长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置及方法，激光器发出的激光经可调焦柱面透镜组聚焦后再经摆镜反射聚焦于放置在六维调整台上的光纤的纤芯，从而刻写光栅。转台和Tip/Tilt快反镜构成粗精两级扫描角度精密控制子系统，精确控制栅距；角锥棱镜一，角锥棱镜二、反射镜一、分光镜一、分光镜二、He‑Ne激光器、光电探测器构成光干涉精密测角子系统，实时精密测量Tip/Tilt快反镜所转的角度，给控制系统提供闭环控制信号；宽带光源、光谱仪、光纤耦合器组成光栅图谱测量系统，实时测量光栅中心波长、带宽、反射谱、透射谱。本发明通过粗精两级Tip/Tilt快反镜实现刻写激光光束的反射角度高精度扫描，使得长周期光纤光栅的栅距精度优于0.02μm。

Description

长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅制作领域，具体地说，是一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置及方法。
背景技术
1978年加拿大科学家K.O.Hill及其同事第一次采用驻波技术研发出不同阶模式反向耦合而形成的光纤布拉格光栅（FBG），在此项科研成果的推动下，其理论研究与刻制方案均取得长足进步。1994年，K.O.Hill及其团队首次研究出相位掩模成栅法，极大得推动了光纤光栅的制造。
1995年，美国Vengserkar及其团队利用将单模光纤通过掩模板曝光197nm的紫外激光下的方法刻制出普通长周期光纤光栅（LPFG）。意味着LPFG正式出现。1998年，Devise等人用10.6μm的CO2激光器输出激光对单模光纤沿光纤纵向进行特定周期的高功率曝光，首次利用此方法刻制出LPFG。1999年，日本的Y.Kondo等人首先采用逐点写入法用聚焦的红外飞秒激光脉冲刻写了LPFG，并研究了光栅的热稳定性得到一些新的特性。
此后，国内外学者在基于紫外激光，CO2激光和飞秒激光刻写光纤光栅技术上进行不断改进，以提高光纤光栅的制造精度与稳定性。2011年，我国知名学者饶云江教授首创利用计算机软件控制高频CO2激光器出射端输出高能量激光曝光单模光纤刻制LPFG的方法。2009年，Chian K S等人通过对光纤两端分别施加外力，而后曝光单模光纤刻制LPFG，保证刻制过程中光纤保持准直状态，且各部分受力平均，使得光栅刻制水平提高。
利用步进电机来控制激光光斑的逐点法刻写长周期光纤光栅过程中，由于采用步进电机来控制激光扫描的位置，而目前步进电机的步进精度只能达微米量级，因此所制作的长周期光纤光栅栅距精度只能到微米量级，无法达到更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置及方法。能够实现逐点法刻写长周期光纤光栅时，提高所制作的光纤光栅栅距精度，栅距精度优于0.02μm。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，包括精密控制成栅位置的激光刻写子系统、光干涉精密测角子系统、计算机、六维调整台和在线实时精密测量光栅图谱特性子系统；可精密控制成栅位置的激光刻写子系统、光干涉精密测角子系统分别与计算机相连，其中，精密控制成栅位置的激光刻写子系统包括激光器、可调焦柱面镜组、Tip/Tilt快反镜和转台；光干涉精密测角子系统包括角锥棱镜一、角锥棱镜二、反射镜一、分光镜一、分光镜二、HeNe激光器和光电探测器；Tip/Tilt快反镜、转台、光电探测器分别与计算机连接；六维调整台上放置光纤，光纤纤芯位于激光焦点处；在线实时精密测量光栅图谱特性子系统包括宽带光源、光谱仪和光纤耦合器；
激光器发出激光，经可调焦柱面镜组会聚，再经置于转台上的Tip/Tilt快反镜反射后聚焦于放置在六维调整台上的光纤纤芯从而刻写光栅；光干涉精密测角子系统中，HeNe激光器发出的激光经分光镜二分成两束光后，一束光入射至光电探测器，另一束光入射至分光镜一，经分光镜一分成两束光后，一束光入射至反射镜一，另一束光入射至反射镜三后反射至反射镜二，光原路返回后形成干涉，经光电探测器靶面接收，光电探测器将采集到的相位分布信息输入计算机，经计算机进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出转台转动的角度；计算机根据计算得到的转动角度来控制Tip/Tilt快反镜转动；在线实时精密测量光栅图谱特性子系统中宽带光源发出的宽带激光经过光纤耦合器耦合进刻写的光纤光栅中，通过光纤光栅的光耦合进光谱仪中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。
一种长周期传感用光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写方法，步骤如下：
第一步，激光器发出激光入射到可调焦柱面镜组，利用可调焦柱面镜组对激光进行会聚；
第二步，经可调焦柱面镜组汇聚的激光光束入射到置于转台上的Tip/Tilt快反镜；
第三步，通过光干涉精密测角子系统测得转台转动所带来的相位分布信息，利用计算机计算得到转台所转动的实际角度，根据转台所转动的实际角度来控制Tip/Tilt快反镜转动角度；
第四步，经Tip/Tilt快反镜反射的激光光束聚焦于放置在六维调整台上的光纤纤芯来刻写长周期光纤光栅；
第五步，宽带光源发出的宽带激光经过光纤耦合器耦合进刻写的光纤光栅中，经过光纤光栅后的光耦合进光谱仪中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）通过粗精两级Tip/Tilt快反镜实现刻写激光光束的反射角度高精度扫描，完成光栅周期的刻写，器、其刻写的栅距精度能够达0.02μm。该方法兼顾角度的大扫描范围和高精度的角度控制，满足长周期光纤光栅的长尺寸成栅及高精度栅距的双重要求。
（2）利用基于光干涉精密测角技术对粗精两级Tip/Tilt快反镜的实际转动角度进行高精度实时测量，为Tip/Tilt快反镜的微角度补偿控制模块提供优于0.1μrad的角度信号，保证Tip/Tilt快反镜转动角度的精度达0.25μrad，实现整个激光刻写扫描系统的高精度闭环控制，为高精度栅距的刻写提供测量保证。
附图说明
图1为本发明长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置的俯视图。
具体实施方式
本发明长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，包括激光器、可调焦柱面镜组、Tip/Tilt快反镜、转台、角锥棱镜一、角锥棱镜二、反射镜一、分光镜一、分光镜二、He-Ne激光器、光电探测器、计算机、六维调整台、耦合器、宽带光源、光谱仪。激光器发出的激光经可调焦柱面透镜组聚焦后再经摆镜反射聚焦于放置在六维调整台上的光纤的纤芯，从而刻写光栅。转台和Tip/Tilt快反镜构成粗精两级扫描角度精密控制子系统，精确控制栅距；角锥棱镜一，角锥棱镜二、反射镜一、分光镜一、分光镜二、He-Ne激光器、光电探测器构成光干涉精密测角子系统，实时精密测量Tip/Tilt快反镜所转的角度，给控制系统提供闭环控制信号；宽带光源、光谱仪、光纤耦合器组成光栅图谱测量系统，实时测量光栅中心波长、带宽、反射谱、透射谱。本发明通过粗精两级Tip/Tilt快反镜实现刻写激光光束的反射角度高精度扫描，使得长周期光纤光栅的栅距精度优于0.02μm。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
结合图1，一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，包括精密控制成栅位置的激光刻写子系统1、光干涉精密测角子系统2、计算机3、六维调整台4、在线实时精密测量光栅图谱特性子系统5，可精密控制成栅位置的激光刻写子系统1和光干涉精密测角子系统2与计算机3相连，其中，精密控制成栅位置的激光刻写子系统1包括激光器包括飞秒激光器、紫外激光器和CO2激光器1-1、可调焦柱面镜组1-2、Tip/Tilt快反镜1-3、转台1-4；光干涉精密测角子系统2包括反射镜12-1、反射镜22-2、反射镜32-4、分光镜12-3、分光镜22-5、He-Ne激光器2-6、光电探测器2-7；Tip/Tilt快反镜1-3、转台1-4、光电探测器2-7与计算机3连接。六维调整台4上放置光纤，光纤纤芯位于激光焦点处；在线实时精密测量光栅图谱特性子系统5包括宽带光源5-1、光谱仪5-2、光纤耦合器5-3；
激光器包括飞秒激光器、紫外激光器和CO2激光器1-1发出激光，经可调焦柱面镜组1-2汇聚，再经置于转台1-4上的Tip/Tilt快反镜1-3反射后聚焦于放置在六维调整台4上的光纤6纤芯；光干涉精密测角子系统2中，He-Ne激光器2-6发出的激光经分光镜22-5分成两束光后，一束光入射至光电探测器2-7，另一束光入射至分光镜12-3，经分光镜12-3分成两束光后，一束光入射至反射镜12-1，另一束光入射至反射镜32-4后反射至反射镜22-2，光原路返回后形成干涉，经光电探测器2-7靶面接收，光电探测器2-7将采集到的相位分布信息输入计算机3，经计算机3进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出转台1-4转动的角度。计算机3根据计算得到的转动角度来控制Tip/Tilt快反镜1-3转动。在线实时精密测量光栅图谱特性子系统5中宽带光源5-1发出的宽带激光经过光纤耦合器5-3耦合进刻写的光纤光栅中，经过光纤光栅反射回来的光通过光纤耦合器5-3耦合进光谱仪5-2中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。
本发明长周期传感用光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写方法， 具体方法步骤如下：
可精密控制成栅位置的激光刻写子系统1通过可灵活调焦的柱面镜组1-2对激光器1-1出射的刻写激光束进行调制，控制刻写激光束的焦斑在光纤上的成栅位置以及刻写焦斑的大小即光栅的单个栅形尺寸。激光器发出的激光经可调焦柱面镜组1-2进行会聚，入射到置于转台1-4上的Tip/Tilt快反镜1-3后反射至置于在六维调整台4上的光纤6纤芯，从而刻写光栅。
为了实现光栅的周期性结构，本方法通过Tip/Tilt快反镜1-3的精确角度控制实现刻写激光束在光纤上的扫描，整个精确扫描动作由粗精两级Tip/Tilt快反镜扫描角度精密控制子系统和光干涉精密测角子系统两部分共同完成。首先，软件系统会根据光纤光栅的栅距设计值，计算出激光束通过Tip/Tilt快反镜1-3反射时理论上的偏转角度α。然后软件系统中的粗级角度闭环控制模块就会对转台控制器发出信号，使转台带着Tip/Tilt快反镜转过α角。该转台负责整个光栅区域的角度扫描，必须具有大角度扫描的功能。由于目前对于转动部件，大角度行程与精密角度控制是矛盾的，因此该转台的角度转动具有一定的误差Δβ（大行程转台的角度精度只能在mard级别），则转台实际的转动角度为β=α±Δβ。此时，光干涉精密测角子系统2利用干涉的原理对转台转过的实际角度进行精密测量，其测量机制为：He-Ne激光器2-6发出的测量激光通过分光镜二2-5后分为两束，一束直接透射出分光镜一2-3入射至角锥棱镜一2-1（称为光束A），另一束反射出分光镜一2-3并由反射镜一2-4反射至角锥棱镜二2-2上（称为光束B）。光束A由角锥棱镜一2-1反射后，依次通过分光镜一2-3和分光镜二2-5，并由分光镜二2-5反射至光电探测器2-7，同理光束B也会入射至光电探测器中。则光束A和光束B就会在光电探测器2-7上形成干涉场。若转台发生转动，则角锥棱镜一2-1和角锥棱镜二2-2就会产生位移差ΔL，同时就会引起干涉场的相位发生改变，通过干涉原理可知ΔL=N×λ/2（N为干涉场的明暗级次变化次数），则转台实际的转动角度β=arc(ΔL/h)（h为角锥棱镜一和角锥棱镜二的横向距离）。
通过光干涉精密测角子系统（测量精度优于µrad）的精密测量，系统中的基于光干涉的精密角度测量模块按照上述的干涉原理将转台实际转动的角度β精密解算出来，并将角度信号传输给基于Tip/Tilt的微角度补偿控制模块，由该模块解算出Tip/Tilt快反镜1-3需要补偿的角度误差Δα=α-β。微角度补偿控制模块根据该角度误差对Tip/Tilt快反镜1-3（角度转动精度优于µrad）发出指令，使其将角度误差Δα进行补偿，从而使刻写激光在光纤6上的栅距位置满足0.02µm的高精度要求。
在光纤光栅的刻写过程中，在线实时精密测量光栅图谱特性子系统5会对成栅区域的中心波长、带宽、反射谱、透射谱参数进行实时监测，并将测量结果反馈给光纤光栅刻写系统总控模块。如果光栅的光学特性发生偏差，则光纤光栅刻写系统总控模块就会根据刻写工艺的要求对可精密控制成栅位置的激光刻写子系统1发出控制信号，对其刻写激光功率和刻写时间进行相应的调整，从而保证光纤光栅的刻写质量。
第一步，激光器（包括飞秒激光器、紫外激光器和CO2激光器）1-1发出激光入射到可调焦柱面镜组1-2，利用可调焦柱面镜组1-2对激光进行汇聚。
第二步，经可调焦柱面镜组1-2会聚的激光光束入射到置于转台1-4上的Tip/Tilt快反镜1-3。
第三步，通过光干涉精密测角子系统2测得转台1-4转动所带来的相位分布信息，利用计算机3计算得到转台1-4所转动的实际角度，根据转台1-4所转动的实际角度来精确控制Tip/Tilt快反镜1-3转动角度。
第四步，经Tip/Tilt快反镜1-3反射的激光光束聚焦于放置在六维调整台4上的光纤6纤芯来刻写长周期光纤光栅。
第五步，宽带光源5-1发出的宽带激光经过光纤耦合器5-3耦合进刻写的光纤光栅中，经过光纤光栅反射回来的光通过光纤耦合器5-3耦合进光谱仪5-2中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。

Claims (4)

1.一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，其特征在于：包括精密控制成栅位置的激光刻写子系统（1）、光干涉精密测角子系统（2）、计算机（3）、六维调整台（4）和在线实时精密测量光栅图谱特性子系统（5）；可精密控制成栅位置的激光刻写子系统（1）、光干涉精密测角子系统（2）分别与计算机（3）相连，其中，精密控制成栅位置的激光刻写子系统（1）包括激光器（1-1）、可调焦柱面镜组（1-2）、Tip/Tilt快反镜（1-3）和转台（1-4）；光干涉精密测角子系统（2）包括角锥棱镜一（2-1）、角锥棱镜二（2-2）、反射镜一（2-4）、分光镜一（2-3）、分光镜二（2-5）、He-Ne激光器（2-6）和光电探测器（2-7）；Tip/Tilt快反镜（1-3）、转台（1-4）、光电探测器（2-7）分别与计算机（3）连接；六维调整台（4）上放置光纤，光纤纤芯位于激光焦点处；在线实时精密测量光栅图谱特性子系统（5）包括宽带光源（5-1）、光谱仪（5-2）和光纤耦合器（5-3）；
激光器（1-1）发出激光，经可调焦柱面镜组（1-2）会聚，再经置于转台（1-4）上的Tip/Tilt快反镜（1-3）反射后聚焦于放置在六维调整台（4）上的光纤（6）纤芯从而刻写光栅；光干涉精密测角子系统（2）中，He-Ne激光器（2-6）发出的激光经分光镜二（2-5）分成两束光后，一束光入射至光电探测器（2-7），另一束光入射至分光镜一（2-3），经分光镜一（2-3）分成两束光后，一束光入射至角锥棱镜一（2-1），另一束光入射至反射镜一（2-4）后反射至角锥棱镜二（2-2），光原路返回后形成干涉，经光电探测器（2-7）靶面接收，光电探测器（2-7）将采集到的相位分布信息输入计算机（3），经计算机（3）进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出转台（1-4）转动的角度；计算机（3）根据计算得到的转动角度来控制Tip/Tilt快反镜（1-3）转动；在线实时精密测量光栅图谱特性子系统（5）中宽带光源（5-1）发出的宽带激光经过光纤耦合器（5-3）耦合进刻写的光纤光栅中，通过光纤光栅的光耦合进光谱仪（5-2）中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。
2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，其特征在于：所述激光器（1-1）为飞秒激光器、紫外激光器或CO2激光器。
3.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写装置，其特征在于：所述转台（1-4）是闭环型高精度转台，转动角度量程0-25°，转动角度的控制角度要优于10mrad；Tip/Tilt快反镜（1-3）转动角度量程为0-12mrad，转动角度的控制精度优于0.25μrad。
4.一种长周期光纤光栅的纳米级精度栅距的激光刻写方法，其特征在于步骤如下：
第一步，激光器（1-1）发出激光入射到可调焦柱面镜组（1-2），利用可调焦柱面镜组（1-2）对激光进行会聚；
第二步，经可调焦柱面镜组（1-2）汇聚的激光光束入射到置于转台（1-4）上的Tip/Tilt快反镜（1-3）；
第三步，通过光干涉精密测角子系统（2）测得转台（1-4）转动所带来的相位分布信息，利用计算机（3）计算得到转台（1-4）所转动的实际角度，根据转台（1-4）所转动的实际角度来控制Tip/Tilt快反镜（1-3）转动角度；
第四步，经Tip/Tilt快反镜（1-3）反射的激光光束聚焦于放置在六维调整台（4）上的光纤（6）纤芯来刻写长周期光纤光栅；
第五步，宽带光源（5-1）发出的宽带激光经过光纤耦合器（5-3）耦合进刻写的光纤光栅中，经过光纤光栅后的光耦合进光谱仪（5-2）中，从而获得所刻写的光纤光栅的图谱信息。
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