CN110879437B - 一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置及制备方法，该制备装置包括飞秒激光光纤光栅直写系统、光纤侧面成像系统、机械转盘、光谱测试系统和控制系统。首先通过光纤侧面成像系统使得用于刻写的飞秒激光精确聚焦定位于光纤纤芯位置；飞秒激光光纤布拉格光栅直写系统通过三维机械移动平台精确控制硫系光纤的移动速度，实现飞秒激光脉冲在光纤中的光栅刻写；通过机械转盘切换光纤侧面成像相机适应不同工作波长的飞秒激光的使用；通过光谱测试系统测试刻写的光纤光栅光谱特性；通过计算机控制各系统参数。本发明装置通用性高，可在不同组分的硫系玻璃光纤上实现不同中心波长光纤布拉格光栅刻写，系统操作简单、制备成本低、效率高。

Description

一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤布拉格光栅制备技术领域，具体涉及一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置及制备方法。

背景技术

随着远距离光纤通信技术的发展，光纤技术构成了光通信领域的重要支柱技术。在过去30年间，各类光纤器件得到了迅速的发展。光纤器件的主要优势在于：(1)器件结构紧凑、体积小、重量轻；(2)可大批量生产，单位长度器件成本低；(3)由于光纤本身是单横模光波导，其输出光束质量高。光纤布拉格光栅作为一种特殊的光纤光学器件，理论上可以在任意波长范围内实现中心波长可调谐、带宽可设计控制的带通(即透光)或带阻(即反射)功能，其透光率或反射率可以通过光纤布拉格光栅设计和制备工艺实现精确控制；此外光纤布拉格光栅也是优良的色散调节器件。

与作为常用光纤基质的石英玻璃相比，基于硫族元素(硫、硒、碲)形成的硫系玻璃有着以下几个优点：(1)折射率n高(n＝2.2-3.5)；(2)非线性折射率比石英玻璃高2-3个数量级；(3)透光波段可覆盖从0.6到20μm的超宽光谱范围(硫化物、硒化物和碲化物玻璃的红外透光范围分别为0.6～10μm、1～14μm和2～20μm)。以上优点使得硫系玻璃光纤可以在从可见光至中红外的超宽光谱波段范围内实现非线性光学功能或光信号传输功能。

光纤布拉格光栅的中心波长满足布拉格公式2n·Λ_FBG＝m·λ_FBG，即在一维周期性微结构周期为Λ_FBG时，光纤纤芯有效折射率为n的条件下，光纤布拉格光栅以λ_FBG为中心波长形成反射带，正整数m为光栅的阶数，峰值反射率R＝tanh²(κL)，反射带宽为Δλ＝(λ² _FBG/2n)/L·(κL/π)²+1)^1/2(其中耦合常数κ＝Δn·π/λ_FBG，Δn为激光诱导玻璃折射率变化绝对值)。因此，通过设计光纤材料组分、光纤光栅微结构的结构周期尺寸、激光诱导折射率变化量等，可以精确调控光纤布拉格光栅的中心波长位置、光栅带宽、光栅透过或反射率等性能参数。

常用的石英光纤布拉格光栅的主要制备方法包括：(1)激光全息干涉法，即利用石英玻璃材料在其带隙波段附近(紫外190-400纳米)的光敏性，将两束同一波长、相干的连续紫外激光或脉冲激光照射在光纤侧面，相干激光光束的全息干涉光斑诱导光纤纤芯上形成折射率周期性变化的一维微结构；(2)相位掩膜版法：连续或脉冲激光的平行光束通过具有周期性微结构的相位掩膜版后形成的周期性明暗条纹，诱导光纤纤芯处形成对应的周期性折射率起伏；(3)激光直写法，即在石英玻璃材料的高透明波段(即石英玻璃带隙的长波侧)，利用多光子吸收效应，把高脉冲能量、高峰值功率的超快飞秒激光脉冲聚焦于光纤纤芯中，沿光纤纤芯逐点构建形成折射率周期性变化的一维微结构光纤布拉格光栅。

玻璃的带隙波长与玻璃组分有关，硫系玻璃带隙波长位于可见光到中红外较大的波长范围内，目前硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备主要采用相位掩膜版法，辐照源为500-1100纳米波长的连续或脉冲激光，能够这样使用的光纤仅限于硫化物玻璃光纤和部分硒化物玻璃光纤。同时，相位掩膜版的价格昂贵，约几万人民币一块，其微结构尺寸固定，长度有限，对于特定玻璃组分和折射率的硫系玻璃光纤，只能写出固定布拉格波长的光纤光栅，灵活性差，制备成本高，通用性差。因此如果要适用于所有组分的硫系玻璃光纤，必须在飞秒激光直写光纤布拉格光栅系统、光纤侧面辅助成像系统上予以改进。

发明内容

为了解决现有硫系玻璃光纤光纤布拉格光栅刻写装置只能适用于刻写硫化物玻璃光纤和某些硒化物玻璃光纤的问题，以及高度依赖相位掩膜版、使得刻写的光纤布拉格光栅的中心波长和光栅长度严重受限等问题，本发明提供一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置及制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置，包括波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统、光纤侧面成像系统、机械转盘、光纤光栅光谱测试系统和控制系统，其中，

所述波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统包括纳米精度三维机械移动平台、波长可调谐飞秒激光光源、反射金镜、二向色镜、氟化钙透镜一，待加工的硫系玻璃光纤固定在所述纳米精度三维机械移动平台上，所述氟化钙透镜一固定在辅助飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤纤芯内的第一三维调整架上，所述波长可调谐飞秒激光光源产生的激光脉冲经过所述反射金镜反射后到达所述二向色镜，经所述二向色镜反射后的激光光路通过所述氟化钙透镜一聚焦于所述硫系玻璃光纤纤芯中，

所述光纤侧面成像系统包括氟化钙透镜二、可见光-近红外硅基相机、近红外-中红外扩展铟镓砷相机、中红外碲镉汞相机、宽谱非相干光源灯，所述氟化钙透镜二位于所述二向色镜上方，且与所述氟化钙透镜一同轴，所述可见光-近红外硅基相机、近红外-中红外扩展铟镓砷相机、中红外碲镉汞相机均固定在所述机械转盘上，所述机械转盘固定在辅助相机聚焦成像的第二三维调整架上，通过调整机械转盘，使可见光-近红外硅基相机、近红外-中红外扩展铟镓砷相机、中红外碲镉汞相机分别与所述氟化钙透镜二同轴；

所述光纤光栅光谱测试系统包括飞秒超连续谱光源、高精度光谱仪、分别位于所述硫系玻璃光纤前后的氟化钙透镜三和氟化钙透镜四，所述飞秒超连续谱光源产生的光通过所述氟化钙透镜三耦合到硫系玻璃光纤的输入端纤芯中，硫系玻璃光纤的输出端光信号通过所述氟化钙透镜四耦合进所述高精度光谱仪中；

所述控制系统包括计算机，所述计算机分别与所述纳米精度三维机械移动平台、波长可调谐飞秒激光光源、机械转盘和高精度光谱仪通信连接。

优选的，所述可见光-近红外硅基相机、近红外-中红外扩展铟镓砷相机、中红外碲镉汞相机分别位于以所述机械转盘的圆面圆心为中心的三个等距的对称点上，通过同心转动转盘进行相机的机械切换。

优选的，所述飞秒激光波长可调谐范围：0.4-10μm；脉冲宽度：50-500飞秒；重复频率：1千赫兹-100千赫兹；单脉冲能量：0.1-1000纳焦耳。

优选的，所述第一三维调整架和所述第二三维调整架均为μm级精度。

本发明还提供一种基于上述装置的硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据使用的硫系玻璃光纤的基质材料带隙波长的波段，选择相应的波长可调谐飞秒激光光源的光栅刻写波长，借助反射金镜、二向色镜、氟化钙透镜一、第一三维调整架使得飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤纤芯内；

S2、根据光栅刻写波长，通过机械转盘切换到工作波段0.4-1μm的可见光-近红外硅基相机或工作波段1-2.4μm的近红外-中红外扩展铟镓砷相机或工作波段2.5-10μm的中红外碲镉汞相机进行成像，借助第二三维调整架、宽谱非相干光源灯、氟化钙透镜二，使得成像光路与二向色镜下方的刻写飞秒激光光路共轴，通过相机对刻写飞秒激光聚焦于光纤纤芯位置精确定位成像，确保刻写飞秒激光聚焦于纤芯内所需位置；

S3、飞秒超连续谱光源耦合到硫系玻璃光纤的输入端纤芯中，在硫系玻璃光纤的输出端用高精度光谱仪采集输出的刻写的光纤光栅光谱，并把信号传输到计算机上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

a)通过适配于不同硫系玻璃组分的带隙波长位置和波长可调谐飞秒激光光源，可以在包括硫化物、硒化物和碲化物玻璃在内所有硫系玻璃材料的特种光纤的纤芯内精确直写中心波长覆盖红外1-10μm波段的光纤布拉格光栅。

b)飞秒激光直写硫系玻璃光纤布拉格光栅不受到相位掩膜版结构参数的局限，可以刻写任意波长的多阶光纤布拉格光栅。

c)飞秒激光直写硫系玻璃光纤布拉格光栅不受到相位掩膜版结构参数的局限，可以刻写任意复杂结构的光纤布拉格光栅。

d)飞秒激光直写硫系玻璃光纤布拉格光栅不受到相位掩膜版长度的局限，可以实现20厘米以上长度的超长光纤布拉格光栅的刻写，而超长光纤布拉格光栅在许多中红外光谱应用场景中有着重要的应用前景(如选择窄线宽单色激光输出等)。

附图说明

图1是本发明硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置的结构示意图。

图2是机械转盘的结构示意图。

图3是本发明实施例1-3中不同硫系玻璃的透过谱曲线。

图4是本发明实施例1采用800纳米飞秒激光直写布拉格光栅光谱在波长1.56μm的透过谱。

图5是本发明实施例2采用1.55μm飞秒激光直写布拉格光栅光谱在波长2.16μm的透过谱。

图6是本发明实施例3采用3.0μm飞秒激光直写布拉格光栅光谱在波长3.92μm的透过谱。

图中，1-纳米精度三维机械移动平台，2-波长可调谐飞秒激光光源，3-反射金镜，4-二向色镜，5-氟化钙透镜一，6-硫系玻璃光纤，7-第一三维调整架，8-氟化钙透镜二，9-可见光-近红外硅基相机，10-近红外-中红外扩展铟镓砷相机，11-中红外碲镉汞相机，12-宽谱非相干光源灯，13-机械转盘，14-第二三维调整架，15-飞秒超连续谱光源，16-高精度光谱仪，17-氟化钙透镜三，18-氟化钙透镜四，19-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备装置，包括波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统、光纤侧面成像系统、机械转盘13、光纤光栅光谱测试系统和控制系统。

所述波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统包括纳米精度三维机械移动平台1、波长可调谐飞秒激光光源2、反射金镜3、二向色镜4、透过波段为0.4-8μm的氟化钙透镜一5，待加工的硫系玻璃光纤6固定在所述纳米精度三维机械移动平台1上，所述氟化钙透镜一5固定在辅助飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤6纤芯内的μm级精度第一三维调整架7上，所述波长可调谐飞秒激光光源2产生的激光脉冲经过所述反射金镜3反射后到达所述二向色镜4，经所述二向色镜4反射后的激光光路通过所述氟化钙透镜一5聚焦于所述硫系玻璃光纤6纤芯中。针对不同组分硫系玻璃(硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃及它们的混合物玻璃)带隙波长位置，采用红外超快激光器，其中红外超快激光器波长可调谐范围：0.4-10μm；脉冲宽度：50-500飞秒；重复频率：1千赫兹-100千赫兹；单脉冲能量：0.1-1000纳焦耳。

所述光纤侧面成像系统包括透过波段为0.4-8μm的氟化钙透镜二8、可见光-近红外硅基相机9、近红外-中红外扩展铟镓砷相机10、中红外碲镉汞相机11、辅助相机成像的宽谱非相干光源灯14，所述氟化钙透镜二8位于所述二向色镜4上方，且与所述氟化钙透镜一5同轴，所述可见光-近红外硅基相机9、近红外-中红外扩展铟镓砷相机10、中红外碲镉汞相机11均固定在所述机械转盘13上，所述机械转盘13固定在辅助相机聚焦成像的μm级精度第二三维调整架14上，通过调整机械转盘13，使可见光-近红外硅基相机9、近红外-中红外扩展铟镓砷相机10、中红外碲镉汞相机11分别与所述氟化钙透镜二8同轴；较优的，如图2所示，本实施例中所述可见光-近红外硅基相机9、近红外-中红外扩展铟镓砷相机10、中红外碲镉汞相机11分别位于以所述机械转盘13的圆面圆心为中心的三个等距的对称点上，通过同心转动转盘进行相机的机械切换。

所述光纤光栅光谱测试系统包括飞秒超连续谱光源15、高精度光谱仪16、分别位于所述硫系玻璃光纤6前后的透过波段为0.4-8μm的氟化钙透镜三17和氟化钙透镜四18，所述飞秒超连续谱光源15产生的光通过所述氟化钙透镜三17耦合到硫系玻璃光纤6的输入端纤芯中，硫系玻璃光纤6的输出端光信号通过所述氟化钙透镜四18耦合进所述高精度光谱仪16中。

所述控制系统包括计算机19，所述计算机19分别与所述纳米精度三维机械移动平台1、波长可调谐飞秒激光光源2、机械转盘13和高精度光谱仪16通信连接，计算机19通过程序控制纳米精度三维机械移动平台1，根据所需光栅周期，利用飞秒光源可调谐重复频率，通过精确控制平台移动速度，在光纤纤芯中逐点刻写布拉格光栅，每一点对应一个飞秒脉冲，此外计算机19还要处理高精度光谱仪16采集的光纤光栅光谱信息。

本发明还提供一种基于上述装置的硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据使用的硫系玻璃光纤6的基质材料带隙波长的波段，选择相应的波长可调谐飞秒激光光源2的光栅刻写波长，借助反射金镜3、二向色镜4、氟化钙透镜一5、第一三维调整架7使得飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤6纤芯内；

S2、根据光栅刻写波长，通过机械转盘13切换到工作波段0.4-1μm的可见光-近红外硅基相机9或工作波段1-2.4μm的近红外-中红外扩展铟镓砷相机10或工作波段2.5-10μm的中红外碲镉汞相机11进行成像，借助第二三维调整架14、宽谱非相干光源灯12、氟化钙透镜二8使得成像光路与二向色镜4下方的刻写飞秒激光光路共轴，通过相机对刻写飞秒激光聚焦于光纤纤芯位置精确定位成像，确保刻写飞秒激光聚焦于纤芯内所需位置；

S3、飞秒超连续谱光源15耦合到硫系玻璃光纤6的输入端纤芯中，在硫系玻璃光纤6的输出端用高精度光谱仪16采集输出的刻写的光纤光栅光谱，并把信号传输到计算机19上。

下面以具体的硫系玻璃光纤为例进行说明。

实施例1：硫系玻璃光纤6使用硫化物玻璃单模光纤(纤芯：As_0.40S_0.60，包层：As_0.39S_0.61)，光纤直径为160μm，纤芯直径为4μm；其带隙波长位于～0.52μm(如图3所示)。首先将光纤固定于纳米精度三维机械移动平台1上，选择飞秒激光波长为0.8μm，脉冲重复频率为1千赫兹，脉宽为120飞秒，单脉冲能量为5纳焦耳。通过机械转盘13切换到工作波段0.4-1.1μm的可见光-近红外硅基相机9，借助光纤侧面辅助成像系统实现飞秒激光光斑在纤芯中的聚焦位置(包括中心度和上下位置)的精确定位，并使纳米精度三维机械移动平台1的X移动方向和光纤轴向精确准直平行，直写出长度为5厘米的光纤布拉格光栅。光纤光栅光谱测试系统测出光栅透过谱如图4所示，光栅中心波长位于1.5687μm，10dB带宽为0.3纳米，光栅深度约20dB。

实施例2：硫系玻璃光纤6使用硒化物玻璃单模光纤(纤芯：Ge_0.1As_0.3Se_0.6，包层：Ge_0.13As_0.2S_0.67)，光纤直径为240μm，纤芯直径为6.5μm。其带隙波长位于0.8μm(如图3所示)。首先将光纤固定于纳米精度三维机械移动平台1上，选择飞秒激光波长为1.5μm，脉冲重复频率为100千赫兹，脉宽为100飞秒，单脉冲能量为0.1纳焦耳。通过机械转盘13切换到工作波段1-2.4μm的近红外-中红外扩展铟镓砷相机10，借助光纤侧面辅助成像系统实现飞秒激光光斑在纤芯中的聚焦位置(包括中心度和上下位置)的精确定位，并使纳米精度三维机械移动平台1的X移动方向和光纤轴向精确准直平行，直写出长度为20厘米的光纤布拉格光栅。光纤光栅光谱测试系统测出光栅透过谱如图5所示，光栅中心波长位于2.16μm，3dB带宽为0.1纳米，光栅深度约13dB。

实施例3：硫系玻璃光纤6使用碲化物玻璃单模光纤(纤芯：Ga₁₀Ge₁₂Te₇₈，包层：Ga₁₀Ge₁₅Te₇₅)，光纤直径为300μm，纤芯直径为8μm。其带隙波长位于1.8μm(如图3所示)。首先将光纤固定于纳米精度三维机械移动平台上，选择飞秒激光波长为3.0μm，脉冲重复频率为1千赫兹，脉宽为200飞秒，单脉冲能量为0.5纳焦耳。通过机械转盘13切换到工作波段2.5-10μm的中红外碲镉汞相机11，借助光纤侧面辅助成像系统实现飞秒激光光斑在纤芯中的聚焦位置(包括中心度和上下位置)的精确定位，并使纳米精度三维机械移动平台1的X移动方向和光纤轴向精确准直平行，直写出长度为0.5厘米的光纤布拉格光栅。光纤光栅光谱测试系统测出光栅透过谱如图6所示，光栅中心波长位于3.922μm，10dB带宽为7纳米，光栅深度约28dB。

Claims (3)

1.一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，使用的制备装置包括波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统、光纤侧面成像系统、机械转盘（13）、光纤光栅光谱测试系统和控制系统，其中，

所述波长可调谐飞秒直写光纤布拉格光栅系统包括纳米精度三维机械移动平台（1）、波长可调谐飞秒激光光源（2）、反射金镜（3）、二向色镜（4）、氟化钙透镜一（5），待加工的硫系玻璃光纤（6）固定在所述纳米精度三维机械移动平台（1）上，所述氟化钙透镜一（5）固定在辅助飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤（6）纤芯内的第一三维调整架（7）上，所述波长可调谐飞秒激光光源（2）产生的激光脉冲经过所述反射金镜（3）反射后到达所述二向色镜（4），经所述二向色镜（4）反射后的激光光路通过所述氟化钙透镜一（5）聚焦于所述硫系玻璃光纤（6）纤芯中；

所述光纤侧面成像系统包括氟化钙透镜二（8）、可见光-近红外硅基相机（9）、近红外-中红外扩展铟镓砷相机（10）、中红外碲镉汞相机（11）、宽谱非相干光源灯（12），所述氟化钙透镜二（8）位于所述二向色镜（4）上方，且与所述氟化钙透镜一（5）同轴，所述可见光-近红外硅基相机（9）、近红外-中红外扩展铟镓砷相机（10）、中红外碲镉汞相机（11）均固定在所述机械转盘（13）上，所述机械转盘（13）固定在辅助相机聚焦成像的第二三维调整架（14）上，通过调整机械转盘（13），使可见光-近红外硅基相机（9）、近红外-中红外扩展铟镓砷相机（10）、中红外碲镉汞相机（11）分别与所述氟化钙透镜二（8）同轴；

所述光纤光栅光谱测试系统包括飞秒超连续谱光源（15）、高精度光谱仪（16）、分别位于所述硫系玻璃光纤（6）前后的氟化钙透镜三（17）和氟化钙透镜四（18），所述飞秒超连续谱光源（15）产生的光通过所述氟化钙透镜三（17）耦合到硫系玻璃光纤（6）的输入端纤芯中，硫系玻璃光纤（6）的输出端光信号通过所述氟化钙透镜四（18）耦合进所述高精度光谱仪（16）中；

所述控制系统包括计算机（19），所述计算机（19）分别与所述纳米精度三维机械移动平台（1）、波长可调谐飞秒激光光源（2）、机械转盘（13）和高精度光谱仪（16）通信连接；

制备方法包括以下步骤：

S1、根据使用的硫系玻璃光纤（6）的基质材料带隙波长的波段，选择相应的波长可调谐飞秒激光光源（2）的光栅刻写波长，借助反射金镜（3）、二向色镜（4）、氟化钙透镜一（5）、第一三维调整架（7）使得飞秒激光聚焦于硫系玻璃光纤（6）纤芯内；其中硫系玻璃材料为硫化物玻璃、硒化物玻璃和碲化物玻璃中的一种；飞秒激光波长可调谐范围：0.4-10μm，脉冲宽度：50-500飞秒，重复频率：1千赫兹-100千赫兹，单脉冲能量：0.1-5纳焦耳；

S2、根据光栅刻写波长，通过机械转盘（13）切换到工作波段0.4-1μm的可见光-近红外硅基相机（9）或工作波段1-2.4μm的近红外-中红外扩展铟镓砷相机（10）或工作波段2.5-10μm的中红外碲镉汞相机（11）进行成像，借助第二三维调整架（14）、宽谱非相干光源灯（12）、氟化钙透镜二（8），使得成像光路与二向色镜（4）下方的刻写飞秒激光光路共轴，通过相机对刻写飞秒激光聚焦于光纤纤芯位置精确定位成像，聚焦光斑尺寸小于光纤纤芯直径，确保刻写飞秒激光聚焦于纤芯内所需位置；

S3、飞秒超连续谱光源（15）耦合到硫系玻璃光纤（6）的输入端纤芯中，在硫系玻璃光纤（6）的输出端用高精度光谱仪（16）采集输出的刻写的光纤光栅光谱，并把信号传输到计算机（19）上。

2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，所述可见光-近红外硅基相机（9）、近红外-中红外扩展铟镓砷相机（10）、中红外碲镉汞相机（11）分别位于以所述机械转盘（13）的圆面圆心为中心的三个等距的对称点上，通过同心转动转盘进行相机的机械切换。

3.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，所述第一三维调整架（7）和所述第二三维调整架（14）均为μm级精度。

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