CN110673258A - 一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统，主要包括光源部分、刻写部分和测试部分。该系统采用输出光斑面积小、光束质量好的五倍频固体激光作为曝光光源进行扫描曝光，光路中整合了拉力传感器、角位移台和CCD观察系统，能实现同一个系统、同一块掩模板下不同长度、不同中心波长以及不同倾斜角度光纤光栅的高质量刻写。克服了传统刻写系统结构复杂、刻写品种单一、操作繁琐、刻写效率低等缺点，且对待刻光纤尺寸没有特殊要求，能够满足多种光纤系统的应用需求，刻写结果优于传统刻写系统。

Description

一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统

技术领域

本发明属于光纤光栅刻写技术领域，涉及一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统。

背景技术

光纤光栅体积小、插入损耗低，且能够实现滤波、选频、色散补偿、传感、脉冲整形等多种功能，几乎达到了无处不在的地步。其自诞生至今的几十年时间里发展迅速，使光纤技术的各领域均实现了跨越式的进步。为了进一步配合层出不穷的新技术，人们在光纤光栅的刻写工艺、刻写种类等各方面还在进行更为深入地探索和研究。

目前，较为常用的光纤光栅刻写技术有两种：①逐点刻写。其优点是可以灵活控制光纤光栅的周期和啁啾率等参数，但若刻写低阶光纤布拉格光栅需要纳米量级的光斑尺寸，对光路的稳定性和实验环境要求极高，不易操作，故常用于高阶布拉格光纤光栅或长周期光纤光栅的刻写。②相位掩模板刻写。虽然该方法刻写的光纤光栅参数依赖于所用的相位掩模板，局限性较大，但操作简单，可重复性高，对光路稳定性的要求相对较低，较易完成低阶布拉格光纤光栅的刻写，是目前较为常用的刻写手段。

但是用于刻写布拉格光栅的相位掩模板制作工艺要求高，价格昂贵，且刻写参数单一，间接增加了光纤光栅的制作成本。且目前的研究中准分子光源是最常用的刻写光源，具有输出功率高，光斑面积大的特点。而也正是由于其较大的光斑面积，造成了能量分布的不均匀，在使用前必须先进行光束的整形，并用光阑限光，取能量均匀部分才能很好的完成刻写，增加光路复杂程度的同时也造成了能量的浪费。因此，如何扬长避短优化刻写工艺，同时又能提高刻写效率和效果，成为目前研究光纤光栅刻写技术的关键问题。另外由于刻写高质量光纤光栅的光路稳定性要求较高，当所要刻写的光纤光栅参数改变时，往往需要改变刻写光路的结构，重新整形光斑、调整光路，降低了刻写效率也相应增加了刻写的繁杂程度。

发明内容

为了克服上述传统刻写系统的缺陷，解决其局限性高，刻写光纤种类单一，刻写过程中不能随意调整的问题，本发明提出一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统。选择Nd:VO4五倍频固体激光作为刻写光源，依据其光斑小的特点，采用扫描刻写的办法，将拉力传感器、手动角位移台等模块融合在同一个系统中，并设计定制了满足不同尺寸光纤夹持要求的夹具V型槽以及掩模板夹持装置，可实现同一系统同一块掩模板下多种类、高质量光纤光栅的刻写，且刻写效率高，能满足多种光纤系统应用的需求。

该系统包括：光源部分、刻写部分和测试部分，其中光源部分由紫外激光光源、小孔光阑、45°全反镜、一维电动平移台、柱面镜组成；刻写部分由两个光纤夹具、掩模板夹持装置、拉力传感器和两台三维调整架组成，掩模板夹持装置由掩模板夹具、干板夹、手动平移台和手动角位移台组成；测试部分由反射端监测装置、光纤环形器、透射端监测装置和放大自发辐射光源组成。

所述紫外激光光源发出的光通过所述小孔光阑后，经所述45°全反镜反射，再通过所述柱面镜聚焦，经所述掩模板夹持系统固定的掩模板衍射后打在待刻光纤上。待刻光纤剥除相应长度的涂覆层后通过所述的两个光纤夹具夹持，分别固定在所述三维调整架一和所述拉力传感器上，所述拉力传感器固定于所述三维调整架二上。通过调节所述的两个三维调整架令待刻光纤位于所述柱面镜焦点附近。所述光纤环形器的输入端连接所述放大自发辐射光源，反射端连接待刻光纤的一端，输出端连接所述反射端监测装置，待刻光纤另一端连接所述透射端监测装置。

所述紫外激光光源波长213nm，脉宽6.1ns，输出的光斑直径约0.5mm，可通过改变泵浦电流实现输出功率0～150mW可调。刻写过程中可将泵浦电流降低，用<5mW的输出功率精调光纤位置，完成后增大输出功率进行刻写。

所述小孔光阑通光直径大于光源的输出光斑直径，即令输出光全部通过，其作用是限制输出光经所述柱面镜的返回光。

所述45°全反镜与所述柱面镜固定在所述一维电动平移台上，能够按照给定的函数同时做一维运动，实现扫描刻写，还能够根据实际需要进行局部曝光，满足不同的应用需求。

作为本发明的进一步改进，所述的电动平移台可以通过输入更复杂的函数完成切趾光纤光栅的刻写，比如控制运动函数产生类似高斯切趾或正弦切趾的曝光结果，刻写出高斯切趾、正弦切趾光纤光栅等。

所述的两个光纤夹具上的V型槽部分可方便拆卸，根据待刻光纤的不同尺寸选择合适的V型槽，实现在多种尺寸光敏光纤上刻写光栅的目的。

所述三维调整架的三个轴分别可用于精调光纤纤芯在扫描范围内始终位于聚焦光斑中心位置，光纤平行于掩模板和控制施加到待刻光纤上的拉力，并通过与拉力传感器连接的仪表读取拉力值，实现光纤光栅中心波长的定量调节。

所述的掩模板夹持装置中，所述的掩模板夹具为聚四氟乙烯材质，中间凹槽宽刚好为掩模板的厚度，用于夹持掩模板，再由所述干板夹夹紧，确保金属的干板夹不与石英基底的掩模板直接接触，以保护掩模板。

所述的干板夹通过所述的手动平移台固定于手动角位移台上，所述的手动平移台用于微调掩模板与待刻光纤间的距离，并经CCD观察系统确认为0.05mm，所述的手动角位移台用于调整掩模板与待刻光纤间的倾角，以实现倾斜光纤光栅的刻写。

作为本发明的进一步改进，可以根据需要更换不同倾斜方向的手动角位移台，得到不同倾斜方向的刻写结果。

根据需要，所述的透射端和反射端监测装置可设置为功率计和光谱仪，实时监测所刻光纤光栅的透射、反射功率和透射、反射谱。

有益效果

本发明提出的系统，对比传统刻写系统，具有以下优点：

1、本系统融合了扫描刻写、拉力传感器和手动角位移台三个模块，实现同一系统下不同长度、不同中心波长和不同倾斜角度光纤光栅的刻写，光路调整简单，可满足不同光纤系统对光纤光栅的需求。

2、刻写光源的光斑面积小，刻写前无需进行光束整形，提升了刻写效率；光源前设置稍大于输出光斑尺寸的小孔光阑，不影响输出功率的同时又能阻挡柱面镜的返回光，延长光源寿命的同时又提高了刻写效率；通过控制电动平移台，令其上的45°全反镜按不同函数扫描刻写，不必受限于光斑面积，实现同系统、同块掩模板下不同长度光纤光栅刻写，更进一步地，通过控制运动函数改变曝光累积能量的分布实现不同切趾光纤光栅等的刻写。

3、光纤夹具精度高，设计定制了针对不同尺寸光纤的V型槽，在不改变光路的前提下可随意更换，以满足不同尺寸待刻光纤的刻写；V型槽结构保护光纤不受损的同时又能提供足够的夹紧力以实现给光纤上施加拉力的目的。

4、掩模板夹持装置中聚四氟乙烯夹具与金属干板夹的组合保护掩模板的同时又提供了足够的夹持力，同时可根据不同掩模板的尺寸随意更换聚四氟乙烯夹具而不改变光路；手动平移台能够进行位置精调以保证掩模板与光纤之间的距离为0.05mm～0.1mm；手动角位移台能够实现掩模板0～15°倾斜角的调整，实现倾斜光纤光栅的刻写。

附图说明

图1为本发明实施方式的紫外激光掩模板法刻写光纤光栅的光路示意图；

图2为图1中的光源部分结构示意图；

图3为图1中的刻写部分结构示意图；

图4为图1中的测试部分结构示意图；

图5为图3中光纤夹具的结构示意图；

图6为图3中的掩模板夹持装置结构示意图；

图7为该系统刻写的不同长度光纤光栅透射谱；

图8为该系统刻写的不同中心波长光纤光栅的反射谱；

图9为该系统刻写的不同倾斜角度光纤光栅的透射谱；

图中：10、光源部分；11、紫外激光光源；12、小孔光阑；13、45°全反镜；14、一维电动平移台；15、柱面镜；

20、刻写部分；21、光纤夹具一、211、V型槽、22、掩模板夹持装置；221、掩模板夹具；222、干板夹；223、手动平移台；224、手动角位移台；23、光纤夹具二；24、拉力传感器；25、三维调整架一；26、三维调整架二；

30、测试部分；31、反射端监测装置；32、光纤环形器；33、透射端监测装置；34、放大自发辐射光源；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种紫外激光掩模板法刻写光纤光栅的系统，主要包括光源部分、刻写部分、测试部分；其中光源部分包括紫外激光光源、小孔光阑、45°全反镜、一维电动平移台、柱面镜；刻写部分包括光纤夹具一、三维调整架一，掩模板夹持装置、光纤夹具二、拉力传感器、三维调整架二，掩模板夹持装置包括掩模板夹具、干板夹、手动平移台、手动角位移台；测试部分包括反射端监测装置、光纤环形器、透射端监测装置、放大自发辐射光源。

本发明的技术路线是基于光纤光栅的紫外光掩模板刻写法设计了一种新的系统，紫外激光光源采用Nd:VO₄五倍频固体激光，可提供6.1ns、12.5KHz、0.5mm直径的紫外光输出，平均功率0～150mW可调；刻写部分设置了拉力传感器和三维调整架调整中心波长，角位移台实现倾斜光栅的刻写，并设置CCD观察系统保证待刻光纤位置的精确；测试部分采用光纤环形器保证测试光的单向输出，进而获得准确数据来分析刻写的效果。

本发明的技术路线可实现不同光纤、同种光纤不同种类光纤光栅、不同中心波长光纤光栅刻写的目的，为进一步研究分析光纤光栅的特点和应用技术奠定了基础。同时，不同光纤以及不同种类光纤光栅刻写的转换便捷，操作简单，可重复性好，调整精度高。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1-9所示，本发明公开了一种紫外激光掩模板法刻写光纤光栅的系统，包括光源部分10、刻写部分20、测试部分30；其中光源部分10包括紫外激光光源11、小孔光阑12、45°全反镜13、一维电动平移台14、柱面镜15；刻写部分20包括光纤夹具一21、掩模板夹持装置22、光纤夹具二23、拉力传感器24、三维调整架一25、三维调整架二26；光纤夹具一21与光纤夹具二23结构相同，均如图5所示带有V型槽211，掩模板夹持装置22包括掩模板夹具221、干板夹222、手动平移台223、手动角位移台224；测试部分30包括反射端监测装置31、光纤环形器32、透射端监测装置33、放大自发辐射光源34

紫外激光光源11可输出6.1ns，12.5KHz，213nm，平均功率0～150mW可调，0.5mm直径的激光，出光口处放置透光直径1mm的小孔光阑12，45°全反镜13和柱面镜15固定于一维电动平移台14上，45°全反镜13的放置角度要保证紫外激光光源11输出的光经反射后可以垂直入射柱面镜15。

进一步，掩模板经掩模板夹持装置22夹持置于柱面镜15的焦点前方，待刻光纤一端置于光纤夹具一21的V型槽211内，通过光纤夹具一21固定于三维调整架一25上，另一端由与光纤夹具一21结构相同的光纤夹具二23夹持固定于拉力传感器24一个臂上，另一个臂固定于三维调整架二26上，光纤的位置保证在柱面镜15的焦点处，与掩模板的距离约0.05mm。

进一步，待刻光纤一端连接透射端监测装置33，另一端连接光纤环形器32的反射端，输入端连接放大自发辐射光源34，输出端连接反射端监测装置。

掩模板夹持装置22中，掩模板直接由掩模板夹具221夹持，紧固于干板夹222中，整体置于手动平移台223上，最下方为手动角位移台224。

本系统的具体工作过程如下：

紫外激光光源11输出的0.5mm直径的紫外激光无损的穿过直径1mm的小孔光阑12，经45°全反镜13反射改变方向，再通过柱面镜15聚焦，45°全反镜13和柱面镜15均固定在一维电动平移台14上实现光斑的一维扫描。将待刻光纤中间部分涂覆层剥除，一端由光纤夹具一21夹持，固定于三维调整架一25上，另一端由光纤夹具二23夹持固定于拉力传感器24的一个臂上，另一个臂固定于三维调整架二26上。通过调整三维调整架一25和三维调整架二26，确保剥除涂覆层部分光纤纤芯位于柱面镜15的焦点位置附近，并始终在扫描光斑的中心位置，且平行于前方的掩模板，同时还能给待刻光纤施加定量的拉力，由拉力传感器采集并读取。

掩模板由掩模板夹具221夹持并紧固于干板夹222内，置于手动平移台223上，下方为手动角位移台224。保证掩模板栅区裸露，没有膜层的面紧贴待刻光纤，调整手动平移台223，令掩模板与光纤间的距离约0.05mm。保证紫外激光光源11发出的光经柱面镜15聚焦后先经过掩模板栅区衍射再照射待刻光纤被剥除部分。

刻写时为了实时监测刻写效果，用放大自发辐射光源34连接光纤环形器32的输入端，反射端连接待刻光纤的一端，输出端连接反射端监测装置31，待刻光纤另一端连接透射端监测装置33。根据需要，监测装置可为功率计、光谱仪，或其它测试仪器。

调节光纤位置时降低紫外激光光源11的输出功率，以一定时间内不会引起所用待刻光纤的折射率变化为佳，调节完成后再增大输出功率进行刻写。小孔光阑12的透光直径要稍大于输出光斑的直径，目的是保证输出光能量不受损的同时又能阻挡经柱面镜15后的返回光，保证紫外激光光源11长时间工作的安全性。

根据实际需要确定一维电动平移台14的运动函数，以实现待刻光纤上不同位置累积不同的曝光能量，达到不同长度光纤光栅以及不同切趾光纤光栅刻写的目的，还能根据需要进行局部曝光，得到满足不同应用需求的光纤光栅。

根据需要调整手动角位移台17，令掩模板栅区严格垂直待刻光纤或呈不同的倾斜角度，以实现普通光纤光栅和不同角度倾斜光栅的刻写。

图7为在掺锗光敏光纤上所刻写的长度分别为3mm、10mm和20mm的光纤光栅的透射谱，可见随长度增大，透射谱存在明显的增宽。透射谱深度-50～-60dB，刻写效果优于其它紫外光源的刻写系统。原则上任意长度光纤光栅均可实现刻写。

图8为在掺锗光敏光纤上所刻写的长度相同，但中心波长不同的光纤光栅的反射谱，可见光谱形状大致相同，但是中心波长有明显不同。原则上结合掩模板的线性啁啾和定量拉力的施加，可实现约5～6nm光纤光栅中心波长的调节。

图9为掺锗光敏光纤上所刻写的长度相同，但倾斜角度不同的光纤光栅透射谱，可见随着倾斜角度的增加，中心波长发生了明显的红移，透射深度逐渐变浅的同时在短波区出现越来越深的包层耦合凹陷，正是啁啾倾斜光纤布拉格光栅的特点。

本发明克服了传统紫外光掩模板法刻写光纤光栅的缺陷，采用小光斑输出的Nd:VO₄五倍频固体激光作为刻写光源，设置不同一维运动函数扫描刻写的办法，有效提高了刻写效率，实现了同一个系统下不同光纤光栅的刻写。

以上仅为本发明专利的优选实施例而已，并不用于限制本发明专利，对于本领域的技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种紫外激光掩模板法刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：系统包括光源部分、刻写部分和测试部分；光源部分沿光路依次包括紫外激光光源、小孔光阑、一维电动平移台及其上所固定的45°全反镜和柱面镜；刻写部分由掩模板夹持装置、两台三维调整架及其上固定的两个光纤夹具和拉力传感器组成；测试部分由光纤环形器、放大自发辐射光源、反射端监测装置和透射端监测装置组成；

光源发出的光穿过小孔光阑后打在45°全反镜上改变传播方向，再由柱面镜聚焦成线状光斑；待刻光纤剥除大于刻写长度的涂覆层后沿光源聚焦的线状光斑放置在柱面镜焦点位置，两端未剥除部分分别置于光纤夹具V型槽内夹持，一端直接固定在三维调整架上，另一端通过拉力传感器固定在三维调整架上，掩模板通过掩模板夹持装置固定在待刻光纤前方0.05mm～0.1mm处；光纤环形器输入端连接放大自发辐射光源，反射端连接待刻光纤一端，输出端连接反射端监测装置，透射端监测装置连接待刻光纤的另一端。

2.根据权利要求1所述刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：掩模板夹持装置包括掩模板夹具、干板夹、手动平移台和手动角位移台；所述掩模板夹具固定于所述干板夹内，所述干板夹固定在所述手动平移台上，所述手动平移台固定于所述手动角位移台上；所述的掩模板夹具为凹槽型，槽内宽度同掩模板厚度，长度同掩模板长度，聚四氟乙烯材质防止掩模板与金属干板夹直接接触保护掩模板的同时也能提供夹紧掩模板的力；所述掩模板夹具的凹槽深度小于掩模板基底边缘到栅区的距离；金属干板夹的夹持操作简单，可在不改变光路的情况下更换掩模板夹具。

3.根据权利要求1所述的刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：所述小孔光阑阻挡经柱面镜聚焦的返回光，但通光直径大于光源输出的光斑直径，令光源输出光全部通过。

4.根据权利要求1所述的刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：所述光纤夹具上的V型槽可拆卸，可在不影响光路其它器件的情况下更换V型槽。

5.根据权利要求1所述的刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：所述紫外激光光源输出的光斑通过设定一维电动平移台带动其上固定的所述45°全反镜与所述柱面镜做一维周期运动而沿光纤轴线扫描，扫描长度即所刻光纤光栅的长度；若所需刻写的光纤光栅长度小于掩模板栅区长度时，对于线性啁啾掩模板，可根据光纤光栅不同的中心波长选择栅区的不同位置进行刻写，也可在一根光纤上完成光栅对的刻写，相移光栅、切趾光栅的刻写。

6.根据权利要求1所述的刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：通过调节所述三维调整架一和二的其中一个轴，给固定于其上的待刻光纤施加相应的拉力，拉力的大小由所述拉力传感器采集并读取；可施加拉力的最大值由所述光纤夹具和待刻光纤能够承受的最大拉力值共同决定，最小值由所述拉力传感器和三维调整架的精度共同决定。

7.根据权利要求1所述的刻写多种光纤光栅的系统，其特征在于：所述手动角位移台可调节其上固定的掩模板相对待刻光纤产生0～15°的倾斜，并保证倾斜后二者间距不变且待刻光纤依然平行于掩模板，倾斜角读取精度为0.1°。

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