CN110389404B - 贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置 - Google Patents

贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤光栅制作技术，为提出新的长周期光纤光栅刻写装置。为此，本发明采取的技术方案是，贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，由激光器、轴锥镜及位移台组成，由激光器发出的光经过柱状轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯或单芯光纤进行曝光，然后，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。本发明主要应用于光纤光栅制作场合。

Description

贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅制作技术，具体涉及贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅的方法。
背景技术
现有的刻写长周期光纤光栅的方法有紫外曝光法刻写、CO2激光器刻写等。紫外曝光法是早期出现的一种方法，但这种方法有诸多的缺点，例如，要求纤芯材料为光敏材料、加工过程需要掩模版、不够灵活且价格昂贵、热稳定性差等。因此，近年来，CO2激光器刻写激光器受到越来越多的关注，图1展示了现有的技术系统示意图。
图1中，由CO2激光器发出的激光经过透镜聚焦到光纤上，由于热效应引入折射率变化，但是由于光斑较小，当多芯光纤需要刻写光栅时，使用这种方法每次只能刻写其中一条光纤，且在刻写排布在中心处的光纤时将对周围的光纤产生不可避免的影响，可能致使其完全无法实现既定功能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的长周期光纤光栅刻写装置。为此，本发明采取的技术方案是，贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，由激光器、轴锥镜及位移台组成，由激光器发出的光经过柱状轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯或单芯光纤进行曝光，然后，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。
其中轴锥镜为轴截面为三角形的锥镜或柱状轴锥镜。
轴锥镜为由截面三角形沿轴线旋转得到，其产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：
Figure BDA0002049302630000011
其中，D表示轴锥镜的口径大小，n代表轴锥镜材料折射率，α表示轴锥镜底角，Zmax表示贝塞尔光斑的长度，即“无衍射传输距离”，DA表示光斑直径，λ表示激光波长；
其中，光斑无衍射距离Zmax应大于包层直径，且光束宽度W也应大于包层直径，光斑直径DA应小于相邻光纤之间的间距。
使用一个轴锥镜后加倒置望远系统的方法任意调控无衍射距离和光斑尺寸大小，倒置望远系统由两个透镜组成，第一个透镜的焦距是f1，第二个透镜的焦距是f2,且第一个透镜的右焦点与第二个透镜的左焦点重合，产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：
Figure BDA0002049302630000012
轴锥镜为超表面结构形成，超表面结构包括若干结构相同的单元，所述单元由两部分组成，基底和放置在其上的微纳结构，基底只起到承托作用，基底材料对于工作激光波长无吸收，而微纳结构为柱状结构，激光入射到超表面结构表面时，不同位置处放置不同的微纳结构引入相位突变，在原始波阵面上叠加附加相位使得波阵面发生改变，当波阵面转化为球面时，则实现透镜的聚焦功能，而当波阵面恰好满足轴锥镜的波阵面时则生成贝塞尔光束。
超表面结构中：
Figure BDA0002049302630000021
其中，θ表示波阵面的倾角，波阵面倾角指的是入射波前与超表面结构底面的法线方向之间的夹角。
包括三个轴锥镜级联，第一个轴锥镜可以移动，光从其底面入射，而第二、三个轴锥镜底面与底面相对，保证光从第二个轴锥镜平行出射并平行入射第三个轴锥镜，且第二、三个轴锥镜位置固定，通过移动第一个轴锥镜，可以把光斑移动到任意位置进行调整以刻写光纤的不同位置。
本发明的特点及有益效果是：
本发明通过设计轴锥镜，得到细长的贝塞尔光束，利用贝塞尔光束进行刻写，从而克服传统透镜聚焦每次只能刻写单根光纤的缺陷，提高刻写效率。
附图说明：
图1现有二氧化碳激光器刻写长周期光纤光栅系统示意图。
图2新型系统示意图。
图3贝塞尔光束照射光纤局部示意图。图中，(a)使用轴锥镜(b)使用柱状轴锥镜。(c)柱状轴锥镜光束形成部分局部放大图
图4轴锥镜和柱状轴锥镜形成方式。图中，(a)为轴锥镜(b)为柱状轴锥镜。
图5传统轴锥镜示意图。
图6 19芯6模光纤截面图
图7轴锥镜加倒置望远系统示意图。
图8基于超表面的轴锥镜俯视图和单个结构三维图。
图9超表面工作原理侧试图。
图10轴锥镜产生的波阵面相位分布
图11超表面组成的轴锥镜仿真结果
图12级联轴锥镜组示意图。
具体实施方式
本发明通过将透镜改为柱轴锥镜，将激光器发出的高斯光束转化为贝塞尔光束。与透镜聚焦形成的光斑不同，贝塞尔光束在传输方向上有一段较长的“无衍射距离”。通过设计轴锥镜，可以得到细长的贝塞尔光束，克服传统透镜聚焦每次只能刻写单根光纤的缺陷，提高刻写效率。
如图2所示，系统主要由激光器、轴锥镜、光纤、位移台等组成。由激光器发出的光经过柱状轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯(或单芯)光纤，曝光一定时间，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。
图3展示了轴锥镜产生贝塞尔光束刻写光栅的放大局部图。图3中(a)使用传统轴锥镜，产生一束贝塞尔光束，但是由于光斑大小有限，因此依此只能照射一条路径上的多条光纤。图3中(b)中所使用的是图(a)中的轴锥镜对应的柱状结构，其形成的光束为一个平面，这样可以一次性照射不同位置处的光纤，刻写效率将大大提高。图3(a)和(b)中所使用的轴锥镜截面形状相同，不同的是图3(a)由截面三角形沿轴线旋转得到，而图(b)则是使用截面三角形无限延伸得到(可类比透镜与柱透镜)，如图4所示。由轴锥镜得到的光束为一条轴对称的贝塞尔光束，而由柱状结构得到的光束将为贝塞尔光束截面无限延伸得到的平面。如图3所示，这两种结构可分别用于刻写线性排列的多条光纤和非线性排列的多条光纤。
下面着重介绍贝塞尔光束形成部分。如图3所示，贝塞尔光束由轴锥镜实现，这里，我们以入射光源10.6um波长、刻写19芯6模光纤为例进行轴锥镜的设计。(这里只是通过一种常见多芯为例介绍设计方法，对于其他模式数、芯数的光纤这里的方案仍然适用)如前所述，轴锥镜是否为柱状结构只是适用情景不同。从设计的角度来看，只要轴锥镜的截面设计完成，通过轴向旋转或无限延伸即可实现轴锥镜或柱状轴锥镜(可类比透镜和柱透镜的关系,图3中的(a)和(b)形成光束所用的)。
方案一：使用传统轴锥镜
对于传统轴锥镜，如图5所示，其产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为
Figure BDA0002049302630000031
其中，D表示轴锥镜的口径大小，上式在光充满整个口径的情况下推导得到，因此D也可以认为是入射光斑的直径，n代表轴锥镜材料折射率，α表示轴锥镜底角(以弧度为单位)，Zmax表示贝塞尔光斑的长度，即“无衍射传输距离”，DA表示光斑直径。
假设锥透镜的折射率为1.52，考虑一个19芯6模光纤，即包含19个纤芯，每个纤芯传播6个模式的光纤，如图6所示，其典型包层直径在250um左右，相邻光纤之间的距离约在50um左右。
若要实现高效刻写，一次照射即可覆盖所有纤芯，那么要求图3(c)中的光斑无衍射距离Zmax应大于250um，且光束宽度W也应大于250um，若同时还能实现单独刻写某根或某几根光纤而不影响周围的光纤，那么要求光斑直径DA应小于相邻光纤之间的间距50um。综合上述要求，通过公式(1)计算可以得到，轴锥镜的口径应选择250um，底角应选为18.13度，此时光斑宽度即为250um，无衍射距离为751um，光束完全可以覆盖所有光纤截面，实现高效刻写。
方案二:使用轴锥镜+倒置望远系统[1]
从公式(1)中可以看出，光斑的长度和光斑的大小均与轴锥镜的底角大小有关，底角越小，则Zmax越大，DA越大，这在某些情况下是不利的，例如当我们要求精确刻写多芯光纤中的某几根光纤，尤其是光纤直径较小时，我们需要更细的光斑以保证相邻的其他光纤不被干扰。
因此我们提出方案二，如图7所示，使用一个轴锥镜后加倒置望远系统的方法可以任意调控无衍射距离和光斑尺寸大小，倒置望远系统由两个透镜组成，第一个透镜的焦距是f1，第二个透镜的焦距是f2,且第一个透镜的右焦点与第二个透镜的左焦点重合，此时公式(1)变为如下形式：
Figure BDA0002049302630000041
假设我们规定轴锥镜的底角为4°，如果D、f2/f1分别为250um和0.448，则可以得到长度为751um,光斑尺寸小于100um的光斑，光斑宽度为250um的光束，与方案一同理，此时可以一次性刻写所有光纤。这种方法可以帮助我们设计任意长度和光斑大小的贝塞尔光束，对于我们刻写光栅的用途来说，即可以任意调整光纤被照射点的位置和大小，对于折射率变化的精确控制意义重大。
方案三：使用超表面形成柱状轴锥镜
如图8(a)所示，超表面是一种可以任意调控光束波前的二维结构，它由如图8(b)所示的亚波长单元紧密排列而成，所谓亚波长，即结构的各个尺寸均小于入射波长，对于光波段，亚波长意味着尺寸在微米或纳米尺度，因此也可以称之为微纳结构。
之所以称之为二维结构，也正是由于其高度方向的尺寸较小且一致，因此人们通常将其视为平面结构。
图8(b)中所示的单元由两部分组成，基底和放置在其上的微纳结构，基底只起到承托作用，不过多讨论，所选材料对于工作波长无吸收即可使用，而微纳结构可以使立方柱、椭圆柱或其他结构，其尺寸改变，经过结构的光场响应也会改变，相位和幅度被调制，引入相位突变，重塑波阵面。
如图9所示，图9(a)和(b)分别展示了普通表面和超表面的工作原理。图中平行线代表波阵面，箭头代表波矢方向，波矢方向与波阵面互相垂直，光从空气中入射至表面后经表面后又出射到空气中。图9(a)中的表面为普通的表面，可理解为玻璃或水等介质形成的平行平板，根据光学传播原理，垂直表面入射的光将垂直表面出射。而图(b)中的光入射到表面时，不同位置处放置不同的微纳结构则可引入相位突变，在原始波阵面上叠加附加相位使得波阵面发生改变。
如图9(c)所示，当所选择的结构尺寸使得波阵面可以转化为球面时，那么该器件就实现了透镜的聚焦功能，形成了一个超表面透镜。而当波阵面恰好满足轴锥镜的波阵面时那么该器件就可以形成贝塞尔光束，用在我们提出的系统中。
根据轴锥镜工作示意图不难发现，其波阵面为两列对称的倾斜平面，如图9(d)所示，因此，超表面在x方向上的结构需要满足的相位如图10所示，在y方向上重复排列即可形成柱状轴锥镜。
由于超表面器件为平面结构，因此不存在器件的底角这个变量，我们使用公式(1)的变形形式来完成设计
Figure BDA0002049302630000042
其中，θ表示波阵面的倾角，如图5中所示，波阵面倾角指的是波前与器件底面的法线方向之间的夹角。
根据贝塞尔光束的波前相位轮廓，挑选合适的微纳结构，可设计新型轴锥镜，这里我们使用图8(b)所示的结构作为最小单元。根据指标，光束波前倾角和器件口径应分别为4.642度和250um。根据图9(d)和图10分析可知，器件在x方向上关于原点对称，而在原点的同一侧，是微结构周期性排布的形成的，因此我们只要完成左侧第一个周期的设计，通过重复排列和对称即可得到完整的x方向上的设计，在y方向上重复排列即可得到完整器件。若要满足波阵面倾角为4.642度，结构的周期应约为130m，即每130um引入2π的相位变化，我们将这130um划分为26个单元，每个单元周期为5um，引入的相位变化满足图10所示的曲线。
对于10.6um的窗口，微纳结构的基底和结构材料分别选为BaF2和Ge。如图8(b)所示，对于一个小单元而言，基底厚度为500um,底面为长度是5um的正方形，而放置在基底上的柱子是底面为正方形的长方体，高度均为1um,正方形的边长根据不同的相位需求有不同选择，这26个单元引入的相位及其柱子底面边长大小满足下表所示。其中p代表结构引入的相位，单位为度，l代表结构尺寸，单位为um。
表1一个周期中26个超表面单元的柱子边长和引入的相位
p -40 -53.846 -67.692 -81.538 -95.385 -109.231 -123.077 -136.923 -150.769 -164.615
l 1.4 1.507 1.565 1.613 1.644 1.675 1.705 1.726 1.746 1.764
p -178.462 167.69 153.84 140 126.15 112.31 98.46 84.61 70.77 56.92
l 1.782 1.8 1.819 1.839 1.86 1.88 1.9 1.935 1.97 2.01
p 43.07 29.23 15.38 1.54 -12.31 -26.16
l 2.069 2.144 2.2457 2.374 2.515 2.6543
根据上述尺寸建模得到的结果如图11所示，光斑长度远远超过250um，满足要求。可以实现高校刻写。
方案四：使用三个轴锥镜级联[2]
如图12所示，使用三个轴锥镜级联，第一个轴锥镜可以移动，光从其底面入射，而第二、三个轴锥镜底面与底面相对，保证光可以从第二个轴锥镜平行出射并平行入射第三个轴锥镜，且第二、三个轴锥镜位置固定，从光路图可以看出，通过移动第一个轴锥镜，可以把光斑移动到任意位置进行调整以刻写光纤的不同位置，选择性灵活刻写，可选择单根或多根。
参考文献
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Claims (6)

1.一种贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，由激光器、轴锥镜及位移台组成，由激光器发出的光经过轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯或单芯光纤进行曝光，然后，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成；其中，轴锥镜为超表面结构形成，超表面结构包括若干结构相同的单元，所述单元由两部分组成，基底和放置在其上的微纳结构，基底只起到承托作用，基底材料对于工作激光波长无吸收，而微纳结构为柱状结构，激光入射到超表面结构表面时，不同位置处放置不同的微纳结构引入相位突变，在原始波阵面上叠加附加相位使得波阵面发生改变，当波阵面转化为球面时，则实现透镜的聚焦功能，而当波阵面恰好满足轴锥镜的波阵面时则生成贝塞尔光束。
2.如权利要求1所述的贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，轴锥镜为轴截面为三角形的锥镜或柱状轴锥镜。
3.如权利要求1所述的贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，轴锥镜为由截面三角形沿轴线旋转得到，其产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：
Figure FDA0002589468430000011
其中，D表示轴锥镜的口径大小，n代表轴锥镜材料折射率，α表示轴锥镜底角，Zmax表示贝塞尔光斑的长度，即“无衍射传输距离”，DA表示光斑直径，λ表示激光波长；
其中，光斑无衍射距离Zmax应大于包层直径，且光束宽度也应大于包层直径，光斑直径DA应小于相邻光纤之间的间距。
4.如权利要求3所述的贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，使用一个轴锥镜后加倒置望远系统的方法任意调控无衍射距离和光斑尺寸大小，倒置望远系统由两个透镜组成，第一个透镜的焦距是f1，第二个透镜的焦距是f2,且第一个透镜的右焦点与第二个透镜的左焦点重合，产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：
Figure FDA0002589468430000012
5.如权利要求4所述的贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，超表面结构中：
Figure FDA0002589468430000013
其中，θ表示波阵面的倾角，波阵面倾角指的是入射波前与超表面结构底面的法线方向之间的夹角。
6.如权利要求4所述的贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，其特征是，包括三个轴锥镜级联，第一个轴锥镜可以移动，光从其底面入射，而第二、三个轴锥镜底面与底面相对，保证光从第二个轴锥镜平行出射并平行入射第三个轴锥镜，且第二、三个轴锥镜位置固定，通过移动第一个轴锥镜，可以把光斑移动到任意位置进行调整以刻写光纤的不同位置。
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