CN111221072A - 使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法，涉及光纤光栅制备技术领域，解决了光纤光栅制备不够灵活，材料损耗大的技术问题，其技术方案要点是通过半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器和扩束准直透镜组对飞秒激光器输出的激光进行质量测试、光束的滤波、准直、扩束、聚焦以及对准，确保实现高性能光纤光栅的刻写；再利用任意切趾模块进行光纤变迹调制，利用激光衍射成像检测刻写光纤和相位掩模板的相对位置，利用白光源往返经过显微聚焦物镜对激光逐线直写结构进行成像监控，利用端面成像实现单模光纤和多模光纤对准的监测，使用光纤光谱仪对光纤光栅模式特性、光谱特性、热稳定性等进行全面表征测试，确保获得性能优良的光纤光栅。

Description

使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法

技术领域

本公开涉及光纤光栅制备技术领域，尤其涉及一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法。

背景技术

飞秒激光不仅可以在很多特殊材料、特殊结构和特殊尺寸的光纤上刻写光纤光栅，而且还可以进一步提升现有光栅的性能，具有很强的先进性和广泛的通用性，越来越受到学术界和工业界的重视，尤其是，这种光源有望生产出全光纤化高功率和特殊波段光纤激光器所需的超高功率光纤光栅、以及耐超高温光纤光栅等特种光纤光栅。

飞秒激光刻写光纤光栅，目前常用的方法有两种，其一是使用聚焦的飞秒激光在纤芯上打点，也叫激光直写法，例如公告号为CN209231557U的中国实用新型专利。该方法的优点在于不需要相位掩模板，也不需要光敏光纤；相对普通紫外准分子激光刻写方法获得的光折射率调制度更大、折射率变化的阶跃性更明显；具有极高的热稳定性，可以在接近1000℃时稳定工作；具有一定的偏振相关性；可以不去涂覆层直接刻写等。但该方法需要精确的聚焦与定位系统，现有设备的商业化设备的精度很难达到，而且操作过程非常复杂。

公告号为CN203573000U的中国实用新型专利保护了一种中红外布拉格光纤光栅制备装置，该装置是使用相位掩模板的特殊构造，使用相位掩模板产生的衍射光干涉光纤的折射率改变成栅。其优点在于，光纤一般不需要任何增敏；制作的光纤光栅折射率调制大；有较好的温度稳定性，可以在450℃稳定工作；光栅周期与入射激光无关，仅由相位掩模板决定等。其缺点在于，过分的依赖相位掩模板，降低了制作光栅的灵活性；高强度飞秒激光对相位掩模板有潜在的损伤，可能会打坏相位掩模板造成损失。因而如何结合激光直写法和相位掩模板两种方法的优点来制备光纤光栅是值得研究的问题。

发明内容

本公开提供了一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法，技术目的是无需精确的聚焦与定位系统，且不过分依赖相位掩模板，实现逐线刻写光纤光栅。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，包括依序连接的飞秒激光器、第三反射镜、半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组、任意切趾模块、第一反射镜、第二反射镜和刻写光束成形模块；

所述任意切趾模块、刻写光束成形模块均与数据采集及驱动控制模块连接，所述数据采集及驱动控制模块还连接有光束质量分析系统、光谱光纤仪、第一调整架、第二调整架、第三调整架和第四调整架；所述光束质量分析系统与所述第三反射镜连接；

所述第一调整架连接有第一单模光纤，所述第二调整架连接有第二单模光纤，所述第三调整架、第四调整架连接有特殊光纤，所述第一单模光纤、第二单模光纤均与所述特殊光纤连接，所述第一单模光纤与所述光谱光纤仪连接。

进一步地，所述刻写光束成形模块包括线聚焦模块、相位掩模板和显微聚焦物镜，所述相位掩模板、显微聚焦物镜均与所述线聚焦模块连接。

进一步地，所述相位掩模板连接有第五调整架，所述显微聚焦物镜连接有第六调整架，所述第五调整架、第六调整架均与所述数据采集及驱动控制模块连接。

进一步地，所述相位掩模板还连接有衍射成像设备，且所述衍射成像设备与所述数据采集及驱动控制模块连接；

所述显微聚焦物镜还连接有反射成像设备，且所述反射成像设备与所述数据采集及驱动控制模块连接。

进一步地，所述第一单模光纤和所述特殊光纤之间连接有第一成像设备，所述第二单模光纤和所述特殊光纤之间连接有第二成像设备，所述第一成像设备和第二成像设备均与所述数据采集及驱动控制模块连接。

一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的方法，包括：

打开数据采集及驱动控制模块，在数据采集及驱动控制模块上设置需要刻写的光纤光栅的参数；

将特殊光纤光栅装载到第三调整架和第四调整架；

数据采集及驱动控制模块依照所需刻写光纤光栅的参数不同，自动切换好显微聚焦物镜的的第六调整架和相位掩模板的第五调整架；

打开ASE光源，ASE光源通过第二单模光纤至第二调整架；

打开光纤光谱仪，光纤光谱仪通过第一单模光纤至第一调整架，观察成型光纤光栅的透射谱；

数据采集及驱动控制模块通过端面成像反馈的数据，对准第一单模光纤、特殊光纤和第二单模光纤；

数据采集及驱动控制模块控制飞秒激光器开启，飞秒激光器输出激光，该激光部分经由第三反射镜反射到光束质量分析系统对该激光进行质量分析，分析完成后光束质量分析系统将分析结果传送给数据采集及驱动控制模块；剩余激光依次到达半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组和任意切趾模块；

所述半波片和格兰激光棱镜对激光进行能量控制，所述光阑和空间滤波器滤除激光中的杂光，所述扩束准直透镜组将激光由点光源转换成线光源并进行准直；

所述任意切趾模块对激光进行强度变迹调制，当激光打到特殊光纤上时，光纤光栅刻写开始；

数据采集及驱动控制模块接收到荧光衍射成像及白光反射成像或光纤光谱仪反馈的光纤光栅参数符合所需的设定后，控制关闭飞秒激光器；

取下刻好的光纤光栅。

本公开的有益效果在于：本发明通过对飞秒激光器输出的激光进行质量测试、光束的滤波、准直、扩束、聚焦以及对准，确保实现高性能光纤光栅的刻写；利用任意切趾模块进行光纤变迹的处理，利用端面成像实现单模光纤和多模光纤对准的可视化，使用光纤光谱仪对光纤光栅模式特性、光谱特性、热稳定性等进行全面表征测试，确保获得性能优良的光纤光栅。

本发明使用逐线刻写替代传统的逐点刻写，既结合了现有技术的优点也规避了现有技术的缺点，使得使用同一装置进行相位掩模法刻写光纤光栅和直写法刻写光纤光栅成为可能，该装置对聚焦与定位系统的要求大幅降低，现有的商业化的电控位移台(微米级精度)就能够符合需求；同时有效降低了单位面积上的激光强度，能够避免单位面积上能量过高的点光源损伤相位掩模板。

使用任意切趾模块进行强度变迹调制，使成栅过程中光纤是从无光栅区域开始缓慢增加折射率调制，最大限度的弱化FP效应(在光纤光栅中由于光栅区域与无光栅区域的交接处由于折射率突然改变会形成FP效应，这种效应会形成驻波干涉条纹叠加在光栅的布拉格反射特征上面，使光栅光谱中出现旁瓣以及不对称等现象，从而恶化光栅的光谱质量)，同时对光栅的整体平均折射率进行调节，使光栅的光谱形状更加对称规范、梯形率更高，从而得到良好的光谱质量。

同时，本发明在数据采集及驱动控制模块的统一控制下，使得整个强度变迹调制过程通过软件系统的控制在光纤光栅刻写的过程中完成，而不需要对光纤进行重复曝光，影响光纤光栅的参数控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明刻写光束成形模块结构示意图；

图3为本发明特殊光纤与单模光纤的连接示意图；

图4为相位掩模板成像原理图；

图5为显微聚焦透镜成像原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，而只是用来区分不同的组成部分。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明结构示意图，如图1所示，本发明所述的使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置包括依序连接的飞秒激光器、第三反射镜、半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组、任意切趾模块、第一反射镜、第二反射镜和刻写光束成形模块。其中，任意切趾模块、刻写光束成形模块均与数据采集及驱动控制模块连接，数据采集及驱动控制模块还连接有光束质量分析系统、光谱光纤仪、第一调整架、第二调整架、第三调整架和第四调整架；且光束质量分析系统与第三反射镜连接，第一调整架连接有第一单模光纤，第二调整架连接有第二单模光纤，第三调整架、第四调整架则连接特殊光纤，光纤光谱仪则与第一单模光纤连接。

其中，第一反射镜为特殊类型反射镜，能够反射飞秒激光器输出的激光，同时可完全透过白光源输出的白光，用于将飞秒激光器输出的激光偏转90度。第二反射镜为特殊类型反射镜，用于将白光源输出的白光偏转90度打到显微聚焦物镜上。第三反射镜为特殊类型反射镜，用于将飞秒激光器输出的微量激光(例如小于0.5％)反射输入到光束质量分析系统。

该装置的工作原理为：飞秒激光器为在特殊光纤上刻写光纤光栅的工作激光，首先飞秒激光器输出激光，该激光极少部分经由第三反射镜反射到光束质量分析系统对该激光进行质量分析，分析完成后光束质量分析系统将分析结果传送给数据采集及驱动控制模块，以便数据采集及驱动控制模块精准控制飞秒激光器的参数。剩余激光依次到达半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组和任意切趾模块，半波片和格兰激光棱镜用于对激光进行能量控制，光阑和空间滤波器则用于滤除激光中的杂光，扩束准直透镜组用于将激光由点光源转换成线光源并进行准直，任意切趾模块用于对激光进行强度变迹调制。

激光从任意切趾模块出来后经由第一反射镜反射到第二反射镜，再透过第二反射镜到刻写光束成形模块中的线聚焦模块，如图2所示，经聚焦后的激光再到相位掩模板或显微聚焦物镜上。相位掩模板对激光产生衍射，并将0级衍射抑制，±1级衍射互相干涉(如图4所示)，形成干涉条纹后辐照在特殊光纤上，使特殊光纤产生光致折射率改变，形成光纤光栅；显微聚焦物镜则将激光聚焦在特殊光纤上(如图5所示)，形成光纤光栅。

同时飞秒激光器的激光经过相位掩模板衍射后，得到荧光衍射成像，通过该荧光衍射成像可获取相位掩模板刻写的光纤光栅的光学切片图像并反馈至数据采集及驱动控制模块，以便数据采集及驱动控制模块对相位掩模板进行控制与调整。

另外白光源提供的白光经由第二反射镜反射往返经过显微聚焦物镜，从而对显微聚焦物镜逐线直写的光纤光栅形成白光反射成像，该白光反射成像反馈至数据采集及驱动控制模块，数据采集及驱动控制模块再对显微聚焦模块进行控制与调整。

另外，ASE光源为宽带连续辐射光源，用于提供最终在特殊光纤上刻写出的光纤光栅的探测光(即通过单模光纤输入到特殊光纤)，测量光纤光栅的透射谱。首先，ASE光源经由第二单模光纤到特殊光纤再到第一单模光纤，第一单模光纤和特殊光纤之间连接有第一成像设备，如图3所示，第二单模光纤和特殊光纤之间连接有第二成像设备。第一成像设备获取第一单模光纤和特殊光纤的端面成像，第二成像设备获取第二单模光纤和特殊光纤的端面成像，由端面成像可知第一单模光纤、第二单模光纤与特殊光纤的对准情况，并将对准情况反馈到数据采集及驱动控制模块，以便数据采集及驱动控制模块控制第一调整架、第二调整架、第三调整架和第四调整架以实现单模光纤和特殊光纤的端面对准。

单模光纤和特殊光纤的端面对准后，ASE光源作为探测光测量特殊光纤上刻写的光纤光栅的透射谱，然后光谱信息通过第一单模光纤传入光纤光谱仪中，光纤光谱仪再将光谱信息发送给数据采集及驱动控制模块。由此，数据采集及驱动控制模块接收到荧光衍射成像和白光反射成像或光纤光谱仪反馈的光纤参数符合设定的需求后，数据采集及驱动控制模块控制关闭飞秒激光器。

该装置的具体操作步骤如下：

(1)打开数据采集及驱动控制模块，在数据采集及驱动控制模块上设置需要刻写的光纤光栅的参数；

(2)将特殊光纤光栅装载到第三调整架和第四调整架，第三调整架和第四调整架为大芯径光纤电控夹持调整架；

(3)数据采集及驱动控制模块依照所需刻写光纤光栅的参数不同，自动切换好显微聚焦物镜的的第六调整架和相位掩模板的第五调整架；

(4)打开ASE光源，ASE光源通过第二单模光纤至第二调整架；

(5)打开光纤光谱仪，ASE光源通过第一单模光纤至第一调整架，准备观察成型光纤光栅的透射谱；

(6)数据采集及驱动控制模块通过端面成像反馈的数据，对准第一调整架和第二调整架、第三调整架和第四调整架。

(7)数据采集及驱动控制模块控制飞秒激光器开启，并控制任意切趾模块进行强度变迹调制，当光经整套装置达到特殊光纤上时，光纤光栅刻写开始；

(8)数据采集及驱动控制模块接收到荧光衍射成像及白光反射成像或光纤光谱仪反馈的光纤光栅参数符合所需的设定后，控制关闭飞秒激光器；

(9)取下刻好的光纤光栅。

本发明所述的任意切趾模块可参考公告号为CN102621609B的中国发明专利(任意切趾光纤光栅刻写装置和刻写方法)。

本发明通过对飞秒激光器输出的激光进行质量测试、光束的滤波、准直、扩束、聚焦以及对准，确保实现高性能光纤光栅的刻写；利用任意切趾模块进行光纤变迹的处理，利用飞秒激光器的激光衍射成像检测控制刻写光纤和相位掩模板的相对位置，利用白光源的白光往返经过显微聚焦物镜对激光逐线直写结构进行成像监控，利用端面成像实现单模光纤和多模光纤对准的可视化，使用光纤光谱仪对光纤光栅模式特性、光谱特性、热稳定性等进行全面表征测试，确保获得性能优良的光纤光栅。

以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物确定。

Claims (6)

1.一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，其特征在于，包括依序连接的飞秒激光器、第三反射镜、半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组、任意切趾模块、第一反射镜、第二反射镜和刻写光束成形模块；

所述任意切趾模块、刻写光束成形模块均与数据采集及驱动控制模块连接，所述数据采集及驱动控制模块还连接有光束质量分析系统、光谱光纤仪、第一调整架、第二调整架、第三调整架和第四调整架；所述光束质量分析系统与所述第三反射镜连接；

所述第一调整架连接有第一单模光纤，所述第二调整架连接有第二单模光纤，所述第三调整架、第四调整架连接有特殊光纤，所述第一单模光纤、第二单模光纤均与所述特殊光纤连接，所述第一单模光纤与所述光谱光纤仪连接。

2.如权利要求1所述的使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，其特征在于，所述刻写光束成形模块包括线聚焦模块、相位掩模板和显微聚焦物镜，所述相位掩模板、显微聚焦物镜均与所述线聚焦模块连接。

3.如权利要求2所述的使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，其特征在于，所述相位掩模板连接有第五调整架，所述显微聚焦物镜连接有第六调整架，所述第五调整架、第六调整架均与所述数据采集及驱动控制模块连接。

4.如权利要求3所述的使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，其特征在于，所述相位掩模板还连接有衍射成像设备，且所述衍射成像设备与所述数据采集及驱动控制模块连接；

所述显微聚焦物镜还连接有反射成像设备，且所述反射成像设备与所述数据采集及驱动控制模块连接。

5.如权利要求4所述的使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置，其特征在于，所述第一单模光纤和所述特殊光纤之间连接有第一成像设备，所述第二单模光纤和所述特殊光纤之间连接有第二成像设备，所述第一成像设备和第二成像设备均与所述数据采集及驱动控制模块连接。

6.一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的方法，其特征在于，包括：

打开数据采集及驱动控制模块，在数据采集及驱动控制模块上设置需要刻写的光纤光栅的参数；

将特殊光纤光栅装载到第三调整架和第四调整架；

数据采集及驱动控制模块依照所需刻写光纤光栅的参数不同，自动切换好显微聚焦物镜的的第六调整架和相位掩模板的第五调整架；

打开ASE光源，ASE光源通过第二单模光纤至第二调整架；

打开光纤光谱仪，光纤光谱仪通过第一单模光纤至第一调整架，观察成型光纤光栅的透射谱；

数据采集及驱动控制模块通过端面成像反馈的数据，对准第一单模光纤、特殊光纤和第二单模光纤；

数据采集及驱动控制模块控制飞秒激光器开启，飞秒激光器输出激光，该激光部分经由第三反射镜反射到光束质量分析系统对该激光进行质量分析，分析完成后光束质量分析系统将分析结果传送给数据采集及驱动控制模块；剩余激光依次到达半波片、格兰激光棱镜、光阑、空间滤波器、扩束准直透镜组和任意切趾模块；

所述半波片和格兰激光棱镜对激光进行能量控制，所述光阑和空间滤波器滤除激光中的杂光，所述扩束准直透镜组将激光由点光源转换成线光源并进行准直；

所述任意切趾模块对激光进行强度变迹调制，当激光打到特殊光纤上时，光纤光栅刻写开始；

数据采集及驱动控制模块接收到荧光衍射成像及白光反射成像或光纤光谱仪反馈的光纤光栅参数符合所需的设定后，控制关闭飞秒激光器；

取下刻好的光纤光栅。

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