CN111208603B - 一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置和方法，该装置包括准分子激光器、整形透镜组、聚焦透镜、相位掩模板和渐变衰减片，渐变衰减片安装在聚焦透镜和相位掩模板之间，将曝光于光纤的光斑能量进行有效调制，实现光斑沿光纤方向能量类似于高斯分布；渐变衰减片的上下宽度和渐变衰减系数根据聚焦光斑长度和对应光栅谱形进行设计，可以实现对不同长度的光栅的旁瓣抑制化处理。本发明可以实现在线制备具有高旁瓣抑制比的光栅阵列。

Description

一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置和方法

技术领域

本发明属于光栅制备技术领域，尤其涉及一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置和方法。

背景技术

随着物联网的不断发展，对以光纤传感器为主的传感网络提出了更高的要求。新一代光纤传感网络的性能要求主要有以下两个方面：一是传感的容量要大，包括测量的点数多和测量的范围广，如大型的石油管道火警需要数个公里长度和上万个传感点同时测量以第一时间对火源的产生进行预警；二是传感的精度要高，可以对局部小范围的物理量变化进行精确测量，如对桥梁、隧道等大型工程中裂纹或缺陷处应力的检测就需要传感网络具有足够高的精度。专利CN104635295发明了一种在线光纤光栅制备系统，基于光纤光栅拉丝塔在线制备技术，已经可以实现在一根完整的光纤上连续写入大量的弱布拉格光栅，形成具有高强度的光纤光栅阵列。基于拉丝塔在线制备的光纤光栅阵列在新一代光纤传感网络的发展中，扮演了重要的作用。

目前，对基于光纤光栅阵列的传感网络的应用，是将每一个光栅作为一个光纤传感单元，再利用波分复用解调(WDM)技术和时分复用解调(TDM)技术对每一个光栅反射回来的信号进行区分识别，并通过对光栅中心波长的准确测量实现对整个光纤光栅传感网络的实时监测。这种技术需要系统可以精确判断出每一个光栅的实时中心波长的变化，要求其光栅发射信号具有较高的信噪比。随着光栅阵列中光栅个数和光栅密度的不断提高，普通光栅的旁瓣反射信号的累加成为了干扰系统检测光栅主峰反射信号的主要因素，限制了光栅传感网络的进一步发展。

专利CN108732668A发明了一种单次激光脉冲曝光写入反射谱形无旁瓣或弱旁瓣的切趾光栅的方法。该发明可以在线刻写光栅，有效降低了光栅阵列中存在的光栅旁瓣信号串扰影响，提高了光纤传感网络的精度。该方法需要对脉冲光斑进行二次整形，对刻写光栅的技术难度较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中刻写出的光栅阵列具有较为明显的旁瓣累加，限制光栅阵列传感网络向大容量、高精度方向发展的问题，提供一种刻写具有高旁瓣抑制比光栅阵列的方法，最大程度减少旁瓣累加对光栅阵列下游光栅信号的串扰，可以满足更高精度的光纤传感网络应用要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置，包括激光器刻写装置、整形凹透镜、整形凸透镜、聚焦柱面透镜、渐变衰减片、相位掩模板，所述整形凹透镜和整形凸透镜成对使用，用于对激光器刻写装置发出的光束进行扩束整形；所述聚焦柱面透镜的聚焦点位于光纤所在位置后方1-2mm处，所述渐变衰减片位置位于聚焦柱面透镜后方3-5cm，所述相位掩模板位于裸纤前方3-5mm处。

按上述技术方案，所述的渐变衰减片其中心区域的衰减损耗低于上下边缘处，中心区域的衰减损耗最低处为0dB，上下边缘处最大损耗为80～100dB，所述渐变衰减区域的变化规律为，其中心向上下两侧损耗变化呈递进渐变关系。渐变衰减片的上下有效宽度由实际刻写的光栅长度进行选择，大于实际刻写光栅长度1～2mm。

按上述技术方案，渐变衰减区域为线性递增和抛物线性递增。

按上述技术方案，所述的相位掩模板取决于刻写光栅所要求的中心波长，写入的光栅反射谱型中心波长λ与准分子激光器波长无关，由相位掩模板周期Λ_pm确定，具体关系式如下：

λ＝n_effΛ_pm

式中，λ为刻写光栅反射谱型的中心波长，n_eff为写入光栅所用光纤纤芯的有效折射率。基于该公式通过选择不同周期的相位掩模板，可任意改变刻写光栅的中心波长。

本发明还提供一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，控制光纤的运动速度，预设激光器刻写装置参数，选择光束脉冲强度；

步骤二，调整整形透镜组，包括形凹透镜、整形凸透镜，获得刻写光栅的光斑长度；

步骤三，依据调整好的刻写光栅的光斑长度，选择具有匹配上下宽度的渐变衰减片；

步骤四，调整聚焦柱面透镜，使光束在水平方向进行聚焦，焦点位于光纤后方1～3mm；聚焦光束通过相位掩模板后曝光在裸纤上，完成光栅写入。

按上述技术方案，通过整形透镜组的调整，其光栅刻写长度的范围在6mm～10mm，

按上述技术方案，渐变衰减片的损耗渐变关系为线性、高斯、抛物线关系。所述的相位掩模板可以根据需求进行在线切换，实现不同波长的光栅阵列的在线刻写。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在聚焦透镜和相位掩模板之间加装一个渐变衰减片，可以将曝光于光纤的光斑能量进行有效调制，实现光斑沿光纤方向能量类似于高斯分布。本发明通过对渐变衰减片的上下宽度相对于聚焦光斑长度进行设计，可以实现对不同长度的光栅的旁瓣抑制化处理，实现在线制备具有高旁瓣抑制比的光栅阵列。与现有技术相比，本发明采用加装渐变衰减片的方案可以有效降低刻写光栅阵列时的光纤抖动等影响，在使用难度和可靠性上具有明显优势。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的装置示意图；

图2为本发明实施例中渐变衰减片的装置示意图；

图3为本发明实施例中经由衰减片后，聚焦光斑能量分布示意图；

图4为本发明实施例中刻写出的光栅的效果图，其中横坐标为波长值，纵坐标为光栅的光反射功率；

图5为本发明实施例中连续刻写150个光栅的效果图，其中横坐标为波长值，纵坐标为光栅的光反射功率；

其中：1—激光器刻写装置、2—整形凹透镜、3—整形凸透镜、4—聚焦柱面透镜、5—渐变衰减片、6—相位掩模板、7—裸纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1所示，在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅阵列的装置，它包括激光器刻写装置1、整形凹透镜2、整形凸透镜3、聚焦柱面透镜4、渐变衰减片5、相位掩模板6和裸纤7，所述整形凹透镜2和整形凸透镜3成对使用，用以对激光器刻写装置发出的光束进行扩束整形，所述聚焦柱面透镜4的聚焦点位于光纤所在位置后方1-2mm处，所述渐变衰减片5位置位于聚焦柱面透镜后方3-5cm，所述相位掩模板6位于裸纤7前方3-5mm处。

如图2所示的渐变衰减片5的结构示意图，其中心区域的衰减损耗较低，最低处为0dB，上下边缘处损耗较大，最大损耗为80～100dB，其中心向上下两侧损耗变化呈递进渐变关系，包括但不限于线性递增和抛物线性递增，所述渐变衰减片5的上下有效宽度由实际刻写的光栅长度进行选择，通常大于实际刻写光栅长度1～2mm。

相位掩模板5取决于刻写光栅所要求的中心波长，通常写入的光栅反射谱型中心波长λ与准分子激光器波长无关，由相位掩模板周期Λ_pm确定，具体关系式如下：

λ＝n_effΛ_pm

其中λ为刻写光栅反射谱型的中心波长，n_eff为写入光栅所用光纤纤芯的有效折射率，基于该公式通过选择不同周期的相位掩模板，可任意改变刻写光栅的中心波长。

实施例二：：

在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅阵列的装置包括一台193nm准分子激光器、整形透镜组、一个聚焦透镜、一个相位掩模板和一个渐变衰减片。所述的激光器通过参数设定，以一定间隔频率的方式发射出光斑为矩形的脉冲光束，该光束经一组光学透镜整形扩束后，通过渐变衰减片后聚焦在相位掩模板后方的裸纤处，实现单脉冲在线刻写光栅阵列。整形透镜组包括一个凹面透镜和一个凸面透镜，对激光器输出光斑进行整形，使光斑能量均匀化。聚焦透镜为一个球面平凸柱透镜，透镜凸面面向相位掩模板一侧，聚焦透镜的焦点位于后方的光纤上。渐变衰减片为一个平面透镜，其中心为低损耗区，上下两侧为高损耗区，损耗由中心向上下两侧呈渐变变化。衰减片中心损耗最低为00dB，边缘损耗最高为90dB，衰减片上下宽度略大于通过聚焦透镜的长度；准分子激光器单次曝光的脉冲宽度范围为纳秒级。

实施例三：

一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅阵列的方法，它包括如下步骤：

步骤1：控制光纤的运动速度，待其稳定状态时预设激光器刻写装置1参数，选择合适的光束脉冲强度；

步骤2：调整整形透镜组，包括形凹透镜2、整形凸透镜3，获得合适的刻写光栅的光斑长度；通过整形透镜组的调整，其光栅刻写长度的范围在6mm～10mm，使刻写光栅的带宽和谱形质量满足使用的要求。

步骤3：依据调整好的刻写光栅的光斑长度，选择具有合适上下宽度的渐变衰减片5；

步骤4：调整聚焦柱面透镜4，使光束在水平方向进行聚焦，焦点位于光纤后方1～3mm；聚焦光束通过相位掩模板6后曝光在裸纤7上，完成光栅写入。

渐变衰减片5的损耗渐变关系包括但不限于线性、高斯、抛物线等变化关系，使刻写光栅的谱形形状满足使用要求。相位掩模板6可以根据需求进行在线切换，实现不同波长的光栅阵列的在线刻写。通过在在线刻写光栅平台上加装渐变衰减片，调制刻写光栅光斑的轴向能量分布，使光斑中心能量高而两侧能量逐步衰减，达到刻写光栅谱形旁瓣抑制的目的。本实施例对经由一种渐变衰减片的光斑能量分布进行仿真，计算结果如图3所示。在光斑有效长度为6mm的基础上，通过渐变衰减片后其能量分布为中心区域高两侧区域低。因此，渐变衰减片可以有效调制光斑的能量分布。

本实施例中，利用该方法完成对单个光栅的在线刻写，其结果如图4所示。写入光栅的光纤处于稳定运动状态，运动速度为20m/min，相位掩模板周期为1070.59nm，激光器脉冲能量为8.0mJ。该光栅的旁瓣抑制比约为21.9dB，3dB半高宽约为0.06nm。

本实施例中，利用该方法完成对一根光纤上连续写入150个光栅，形成光栅阵列，其所有光栅谱形叠加结果如图5所示。写入光栅的光纤处于稳定运动状态，运动速度为20m/min，，相位掩模板周期为1070.59nm，激光器脉冲能量为8.0mJ。该光栅的旁瓣抑制比约为29.3dB，3dB半高宽约为0.08nm。因此该方法可以有效实现在线刻写具有高旁瓣抑制比的光栅阵列，其谱形质量和一致性均符合使用要求，可以有效提高解调精度。

实施例四：

在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅阵列的方法，包括以下步骤，准分子激光器发出单脉冲光束；光束经过整形透镜组扩束、整形后成为一个能量均匀的矩形光斑，其平行与光纤方向的光斑长度即为最终刻写光栅的长度；光束进过聚焦透镜在垂直于光纤方向上进行聚焦，经过渐变衰减片进行能量分布调制；聚焦光束通过相位掩模板后曝光在光纤处，完成一个光栅的在线刻写。其中，采用的渐变衰减片长度与最终刻写的光栅长度相关，大于光栅长度1～2mm。光栅主反射峰与旁瓣或检测基线的差值大于20dB，刻写光栅长度可在6mm～10mm范围内变化。刻写光栅的光纤拉丝速度在3m/min～25m/min范围内变化。

本发明通过在在线刻写光栅平台中加装渐变衰减片的方式，可以实现在线刻写高质量的具有高旁瓣抑制比的光栅阵列，并且可以应用于所有类型的在线刻写光栅阵列的制备中，可以有效提高刻写光栅的质量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置，其特征在于，包括激光器刻写装置、整形凹透镜、整形凸透镜、聚焦柱面透镜、渐变衰减片、相位掩模板，所述整形凹透镜和整形凸透镜成对使用，用于对激光器刻写装置发出的光束进行扩束整形；所述聚焦柱面透镜的聚焦点位于光纤所在位置后方1-2mm处，所述渐变衰减片位置位于聚焦柱面透镜后方3-5cm，所述相位掩模板位于裸纤前方3-5mm处，渐变衰减区域为线性递增和抛物线性递增，所述的衰减片其中心区域的衰减损耗低于上下边缘处，中心区域的衰减损耗最低处为0dB，上下边缘处最大损耗为80～100dB，所述渐变衰减区域的变化规律为，其中心向上下两侧损耗变化呈递进渐变关系。

2.根据权利要求1所述的在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的装置，其特征在于，所述的相位掩模板取决于刻写光栅所要求的中心波长，写入的光栅反射谱型中心波长λ与准分子激光器波长无关，由相位掩模板周期Λ_pm确定，具体关系式如下：

λ＝n_effΛ_pm

式中，λ为刻写光栅反射谱型的中心波长，n_eff为写入光栅所用光纤纤芯的有效折射率。

3.一种在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的方法，其特征在于，该方 法包括以下步骤：

步骤一，控制光纤的运动速度，预设激光器刻写装置参数，选择光束脉冲强度；

步骤二，调整整形透镜组，包括形凹透镜、整形凸透镜，获得刻写光栅的光斑长度；

步骤三，依据调整好的刻写光栅的光斑长度，选择具有匹配上下宽度的渐变衰减片；

步骤四，调整聚焦柱面透镜，使光束在水平方向进行聚焦，焦点位于光纤后方1～3mm；聚焦光束通过相位掩模板后曝光在裸纤上，完成光栅写入。

4.根据权利要求3所述的在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的方法，其特征在于，通过整形透镜组的调整，其光栅刻写长度的范围在6mm～10mm。

5.根据权利要求4所述的在线刻写具有高旁瓣抑制比光栅的方法，其特征在于，渐变衰减片的损耗渐变关系为线性、高斯、抛物线关系。

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