CN111302616A - 一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法 - Google Patents

一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，通过搭建包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机的飞秒激光直写装置，通过光功率计检测激光脉冲的功率，精准控制衰减后的激光脉冲达到最合适的功率；通过计算机控制的光束整形系统和聚焦系统控制激光光斑的尺寸及三维移动平台的移动和电子快门的启闭，在硫系玻璃光纤内部一次性激光直写得到硫系玻璃纤芯，解决传统加工方式的工艺复杂、容易引入杂质等问题，同时可实现对激光直写过程的实时监测，且激光直写能够精确定位到光纤内部，适用于快速制备各种高精度的单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤。

Description

一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法
技术领域
本发明涉及硫系玻璃光纤的制备技术领域，具体是一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法。
背景技术
硫系玻璃光纤是由硫系玻璃制成的传光介质，具有极宽的红外工作范围、极高的非线性和良好的物理化学稳定性，在中红外波段的光纤激光器、光纤传感器、光纤开关等领域均具有重要的应用价值。
硫系玻璃光纤的制备和传统的石英光纤有着明显的区别。现阶段所使用的石英光纤的制备主要是通过化学气相沉积(CVD)工艺获得高纯度的光纤预制棒。而硫系玻璃通常是先通过原料合成玻璃，再利用套管法、挤压法获得预制棒后拉制成光纤，除此之外，也可以采用双坩埚方法直接拉制硫系玻璃光纤。
预制棒拉制技术需要首先制备硫系玻璃的预制棒，用于拉制硫系玻璃光纤的预制棒一般由芯棒玻璃和包层玻璃组成，包层玻璃的折射率小于芯棒的折射率。套管法是制备硫系玻璃光纤预制棒最常用方法，该方法十分容易控制纤芯和包层的外径比，难点在于需要先制备出具有高光学质量的芯棒和套管。硫系玻璃的套管一般采用旋管法和钻孔法获得，旋管法的优点是获得的玻璃管内壁光滑，无损伤和划痕，这种方法存在的主要问题是难以精确控制内孔直径大小，且难以制备内外径比较小的玻璃管，此外，套管法这种加工工艺容易对界面引入杂质或缺陷，从而对光纤损耗产生负面影响。挤压法利用特殊设计的模具将纤芯和包层玻璃直接挤压成预制棒，可以解决纤芯和包层玻璃界面的缺陷，但是该方法对纤芯和包层玻璃的热学稳定性具有较高的要求，且在挤压过程中容易因为受力不均匀和形成折射率缺陷而增加光纤的损耗，而且挤压法对于多个纤芯的光子晶体光纤的制备存在很大的困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种低成本、高效率的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，可直接将硫系玻璃预制棒拉制成硫系玻璃裸丝，在硫系玻璃光纤内部一次性激光直写得到硫系玻璃纤芯，解决了传统加工方式的工艺复杂、容易引入杂质等问题，同时可实现对硫系玻璃裸丝的激光直写过程的实时监测，并且激光直写能够精确定位到光纤内部，适用于快速制备各种高精度的单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，包括如下步骤：
(1)搭建一飞秒激光直写装置，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的所述的飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜和三维移动平台，将所述的光功率计与所述的分束镜连接，从所述的分束镜射出的激光脉冲经所述的双色镜反射后射入所述的聚焦物镜，所述的CCD检测系统包括CCD光源、Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置，将所述的Z轴CCD检测装置设置在所述的双色镜的正上方，并在所述的Z轴CCD检测装置与所述的双色镜之间设置凸透镜，将所述的X轴CCD检测装置设置在所述的三维移动平台的正前方，将所述的CCD光源设置在所述的三维移动平台的正下方，所述的电子快门、所述的三维移动平台、所述的光束整形系统和所述的CCD检测系统分别与所述的计算机相连，所述的三维移动平台上架设有滑轮组，所述的滑轮组包括两个从动轮和两个主动轮，所述的两个从动轮和所述的两个主动轮分别对称设置在所述的三维移动平台的两侧，所述的两个主动轮分别由马达驱动，所述的两个主动轮的转向相同；
(2)将需要刻写的硫系玻璃裸丝依次绕设在一个主动轮、两个从动轮和另一个主动轮上，使位于两个从动轮之间的硫系玻璃裸丝的横截面与从聚焦物镜射出的激光脉冲的出射方向平行；
(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量低于5nJ；再调整三维移动平台和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(4)通过计算机控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝中的光斑直径和纵向深度；
(5)通过Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器射出的激光脉冲能量衰减至适当值；
(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝以恒定的运行速度平移，同时打开电子快门，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝中，开始对硫系玻璃裸丝进行刻写；刻写的过程中，根据Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置实时监测硫系玻璃裸丝的位置，通过控制三维移动平台调整激光脉冲的光斑处于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(8)通过计算机控制电子快门的开启和关闭，一次性在硫系玻璃裸丝内部形成折射率变化，激光直写制备得到硫系玻璃光纤。
飞秒激光具有于峰值功率高、与介质作用时间短、作用材料广泛、对环境无污染等优点，被广泛运用于透明材料的微纳加工。当飞秒激光通过物镜聚焦到材料的内部并且达到一定的阈值，在非线性吸收和雪崩电离的相互作用下，产生激发电子并且将能量传递到晶格，晶格吸收能量之后其结构被破坏，可以在材料内部造成了永久性的折射率变化。本发明利用飞秒激光的这种特性，搭建了飞秒激光直写装置，利用该飞秒激光直写装置，通过激光直写的方法直接制备硫系玻璃光纤。
本发明搭建的飞秒激光直写装置，其分束镜将衰减后的一束激光分为两束激光，其中一束激光脉冲射出至光功率计中，通过光功率计进行功率检测，精准控制衰减后的激光脉冲达到最合适的功率；另一束激光脉冲沿着主光路射入双色镜，由双色镜反射后射向聚焦物镜，经聚焦物镜入射到待加工的硫系玻璃裸丝上。CCD光源发出的光源光线采用透射的方式，依次穿过待加工的硫系玻璃裸丝、聚焦物镜、光束整形系统、双色镜、凸透镜，先后入射至X轴CCD检测装置和Z轴CCD检测装置中，X轴CCD检测装置和Z轴CCD检测装置将硫系玻璃裸丝的激光直写过程实时反馈至计算机。计算机通过控制电子快门的启闭，来调整激光曝光时间。计算机通过控制三维移动平台，调节滑轮组和硫系玻璃裸丝的位置，并控制制备的硫系玻璃光纤的长度。
作为优选，所述的光束整形系统包括空间光调制器、第一半波片和聚焦系统，所述的空间光调制器与所述的计算机相连，所述的聚焦系统由多片焦距不同的透镜依次排列而成。通过空间光调制器可使激光光束的光斑调整为细长结构，从而减少激光在硫系玻璃裸丝中的自聚焦效应。通过第一半波片可对激光光束的偏振方向进行旋转，使激光光束的偏振方向能够有效垂直于硫系玻璃裸丝的写入方向。通过聚焦系统可以调整激光光束的光斑大小，调整出不同直径的光斑，使不同直径的光斑通过聚焦物镜聚焦到硫系玻璃裸丝中，以便直写制备不同直径的硫系玻璃光纤。
进一步地，所述的飞秒激光器为800nm的飞秒激光器，脉冲宽度为100～300fs，重复频率为1～100000Hz。
更进一步，所述的空间光调制器的分辨率大于1024×768像素，填充比率为80，相位调制深度大于2π。
作为优选，所述的扩束系统包括第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜的焦距小于所述的第二透镜的焦距。第一透镜对激光光束进行聚焦，减小激光光束的腰斑，第二透镜的焦距大于第一透镜，通过焦距的一大一小实现对激光光束的扩束。
作为优选，所述的衰减系统包括依次设置在所述的扩束系统后侧的第二半波片、偏振棱镜和衰减片。衰减系统采用第二半波片、偏振棱镜和衰减片的设置方式可以精确、灵活地控制激光衰减达到所需功率。根据所用飞秒激光器的功率不同，也可以只用第二半波片、偏振棱镜的方式对激光脉冲的功率进行衰减达到所需的制备硫系玻璃光纤的合适的功率。偏振棱镜可选择格兰棱镜，用以调整飞秒激光器射出的激光功率。
作为优选，在制备单模硫系玻璃光纤时，选择放大倍数为40倍、数值孔径NA为0.65的聚焦物镜；在制备多模硫系玻璃光纤时，选择放大倍数为10倍、数值孔径NA为0.25的聚焦物镜。
作为优选，所述的硫系玻璃裸丝为As2S3、As2Se3、Ge-As-S或Ge-As-Se硫系玻璃裸丝。
作为优选，所述的硫系玻璃裸丝的直径为150～400μm，长度为10mm以上。
作为优选，刻写的过程中，所述的硫系玻璃裸丝的平移速度为50～100μm/s。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明搭建的飞秒激光直写装置，通过光功率计对激光脉冲进行功率检测，精准控制衰减后的激光脉冲达到最合适的功率；通过计算机控制的光束整形系统和聚焦系统控制激光光斑的尺寸，并通过计算机控制三维移动平台的移动和电子快门的启闭，实现硫系玻璃光纤的精准的一次直写制备加工。一次加工得到硫系玻璃光纤，可有效减少在光纤制造过程中其他因素的不利影响，并且能够对硫系玻璃光纤的制备过程进行实时监测，提高加工的精度。同时，通过优化协调激光功率与硫系玻璃裸丝的平移速度之间的关系，可以制备出纤芯直径范围在10～60μm、不同折射率变化的硫系玻璃光纤，提高硫系玻璃光纤制备的灵活性。本发明硫系玻璃光纤的激光直写制备方法是一种低成本、高效率的硫系玻璃光纤的飞秒激光直写制备方法，可直接将硫系玻璃预制棒拉制成硫系玻璃裸丝，在硫系玻璃光纤内部一次性激光直写得到硫系玻璃纤芯，解决了传统加工方式的工艺复杂、容易引入杂质等问题，同时可实现对硫系玻璃裸丝的激光直写过程的实时监测，并且激光直写能够精确定位到光纤内部，适用于快速制备各种高精度的单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤。
附图说明
图1为实施例1中搭建的飞秒激光直写装置的结构示意图；
图2为实施例1中激光直写硫系玻璃裸丝的直写状态示意图；
图3为实施例1中制备的硫系玻璃光纤的横截面示意图；
图4为实施例2中Ge-As-S硫系玻璃的折射率变化与入射的激光脉冲的功率之间的关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，包括如下步骤：
(1)搭建一飞秒激光直写装置，如图1所示，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器1、扩束系统、衰减系统、电子快门3、分束镜52、光功率计51、双色镜63、光束整形系统、聚焦物镜8、三维移动平台9、CCD检测系统和计算机4，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的飞秒激光器1、扩束系统、衰减系统、电子快门3、分束镜52、双色镜63、光束整形系统、聚焦物镜8和三维移动平台9，其中，飞秒激光器1为800nm的飞秒激光器1，脉冲宽度为150fs，重复频率为1～1000Hz；扩束系统包括第一透镜21和第二透镜22，第一透镜21的焦距小于第二透镜22的焦距；光束整形系统包括空间光调制器71、第一半波片72和聚焦系统，空间光调制器71的分辨率大于1024×768像素，填充比率为80，相位调制深度大于2π，聚焦系统由两片焦距不同的透镜73和74依次排列而成；衰减系统包括依次设置在扩束系统后侧的第二半波片23、偏振棱镜24和衰减片25；聚焦物镜8采用放大倍数为40倍、数值孔径NA为0.65的聚焦物镜8；将光功率计51与分束镜52连接，从分束镜52射出的激光脉冲经双色镜63反射后射入聚焦物镜8，CCD检测系统包括CCD光源64、Z轴CCD检测装置61和X轴CCD检测装置65，将Z轴CCD检测装置61设置在双色镜63的正上方，并在Z轴CCD检测装置61与双色镜63之间设置凸透镜62，将X轴CCD检测装置65设置在三维移动平台9的正前方，将CCD光源64设置在三维移动平台9的正下方，电子快门3、三维移动平台9、空间光调制器71和CCD检测系统分别与计算机4相连，三维移动平台9上架设有滑轮组10，滑轮组包括两个从动轮12和两个主动轮11，两个从动轮12和两个主动轮11分别对称设置在三维移动平台9的两侧，两个主动轮11分别由马达(图中未示出)驱动，两个主动轮11的转向相同；
(2)利用熔融淬冷技术制备组分为As2S3、直径为250μm的硫系玻璃裸丝101作为需要刻写的硫系玻璃裸丝101；将需要刻写的硫系玻璃裸丝101依次绕设在一个主动轮11、两个从动轮12和另一个主动轮11上，使位于两个从动轮12之间的硫系玻璃裸丝101的横截面与从聚焦物镜8射出的激光脉冲的出射方向平行；
(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计51检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器1，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量为1nJ；再调整三维移动平台9和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝101的正中心位置；
(4)通过计算机4控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝101中的光斑直径为10μm，纵向深度为125μm；
(5)通过Z轴CCD检测装置61和X轴CCD检测装置65接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝101的正中心位置；
(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝101组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器1射出的激光脉冲能量衰减至35nJ，此激光脉冲功率在As2S3硫系玻璃裸丝101中引起的折射率变化为0.007；
(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组10带动硫系玻璃裸丝101以100μm/s的恒定的运行速度平移，同时打开电子快门3，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝101中，开始对硫系玻璃裸丝101进行刻写；刻写的过程中，根据Z轴CCD检测装置61和X轴CCD检测装置65实时监测硫系玻璃裸丝101的位置，通过控制三维移动平台9调整激光脉冲的光斑处于硫系玻璃裸丝101的正中心位置；激光直写硫系玻璃裸丝的直写状态示意图见图2，图2中101为硫系玻璃裸丝，102为硫系玻璃纤芯；
(8)通过计算机4控制电子快门3的开启和关闭，一次性在硫系玻璃裸丝101内部形成折射率变化，激光直写制备得到As2S3单模硫系玻璃光纤，其横截面示意图见图3，图3中8为聚焦物镜，101为硫系玻璃裸丝，102为硫系玻璃纤芯。
实施例2的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，与实施例1的区别在于，实施例2的步骤(1)中，聚焦物镜8采用放大倍数为10倍、数值孔径NA为0.25的聚焦物镜8；步骤(2)中，利用熔融淬冷技术制备组分为Ge-As-S、直径为300μm的硫系玻璃裸丝101作为需要刻写的硫系玻璃裸丝101；步骤(4)中，光斑直径为60μm，纵向深度为150μm；步骤(6)中，将飞秒激光器1射出的激光脉冲能量衰减至30nJ，此激光脉冲功率在Ge-As-S硫系玻璃裸丝101中引起的折射率变化为0.0065(Ge-As-S硫系玻璃的折射率变化与入射的激光脉冲的功率之间的关系曲线见图4)；步骤(7)中，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝101以50μm/s的恒定的运行速度平移；步骤(8)中制备得到的为Ge-As-S多模硫系玻璃光纤。
实施例3的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，与实施例1的区别在于，聚焦物镜8采用放大倍数为10倍、数值孔径NA为0.25的聚焦物镜8；步骤(2)中，利用熔融淬冷技术制备组分为As2Se3、直径为300μm的硫系玻璃裸丝101作为需要刻写的硫系玻璃裸丝101；步骤(4)中，光斑直径为60μm，纵向深度为150μm；步骤(6)中，将飞秒激光器1射出的激光脉冲能量衰减至40nJ，此激光脉冲功率在As2Se3硫系玻璃裸丝101中引起的折射率变化为0.006；步骤(7)中，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝101以50μm/s的恒定的运行速度平移；步骤(8)中制备得到的为As2Se3多模硫系玻璃光纤。

Claims (10)

1.一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)搭建一飞秒激光直写装置，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的所述的飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜和三维移动平台，将所述的光功率计与所述的分束镜连接，从所述的分束镜射出的激光脉冲经所述的双色镜反射后射入所述的聚焦物镜，所述的CCD检测系统包括CCD光源、Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置，将所述的Z轴CCD检测装置设置在所述的双色镜的正上方，并在所述的Z轴CCD检测装置与所述的双色镜之间设置凸透镜，将所述的X轴CCD检测装置设置在所述的三维移动平台的正前方，将所述的CCD光源设置在所述的三维移动平台的正下方，所述的电子快门、所述的三维移动平台、所述的光束整形系统和所述的CCD检测系统分别与所述的计算机相连，所述的三维移动平台上架设有滑轮组，所述的滑轮组包括两个从动轮和两个主动轮，所述的两个从动轮和所述的两个主动轮分别对称设置在所述的三维移动平台的两侧，所述的两个主动轮分别由马达驱动，所述的两个主动轮的转向相同；
(2)将需要刻写的硫系玻璃裸丝依次绕设在一个主动轮、两个从动轮和另一个主动轮上，使位于两个从动轮之间的硫系玻璃裸丝的横截面与从聚焦物镜射出的激光脉冲的出射方向平行；
(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量低于5nJ；再调整三维移动平台和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(4)通过计算机控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝中的光斑直径和纵向深度；
(5)通过Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器射出的激光脉冲能量衰减至适当值；
(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝以恒定的运行速度平移，同时打开电子快门，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝中，开始对硫系玻璃裸丝进行刻写；刻写的过程中，根据Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置实时监测硫系玻璃裸丝的位置，通过控制三维移动平台调整激光脉冲的光斑处于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(8)通过计算机控制电子快门的开启和关闭，一次性在硫系玻璃裸丝内部形成折射率变化，激光直写制备得到硫系玻璃光纤。
2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的光束整形系统包括空间光调制器、第一半波片和聚焦系统，所述的空间光调制器与所述的计算机相连，所述的聚焦系统由多片焦距不同的透镜依次排列而成。
3.根据权利要求2所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的飞秒激光器为800nm的飞秒激光器，脉冲宽度为100～300fs，重复频率为1～100000Hz。
4.根据权利要求3所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的空间光调制器的分辨率大于1024×768像素，填充比率为80，相位调制深度大于2π。
5.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的扩束系统包括第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜的焦距小于所述的第二透镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的衰减系统包括依次设置在所述的扩束系统后侧的第二半波片、偏振棱镜和衰减片。
7.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，在制备单模硫系玻璃光纤时，选择放大倍数为40倍、数值孔径NA为0.65的聚焦物镜；在制备多模硫系玻璃光纤时，选择放大倍数为10倍、数值孔径NA为0.25的聚焦物镜。
8.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的硫系玻璃裸丝为As2S3、As2Se3、Ge-As-S或Ge-As-Se硫系玻璃裸丝。
9.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，所述的硫系玻璃裸丝的直径为150～400μm，长度为10mm以上。
10.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，刻写的过程中，所述的硫系玻璃裸丝的平移速度为50～100μm/s。
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