CN111552022B - 一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统与方法。其特征是：系统包括光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束镜组、柱透镜、光栅刻写装置、光纤夹具、光纤V形连接器和光栅刻写在线监测系统，光栅刻写装置包括直角反射镜、相位掩模板和光纤载板，光纤载板具有储液池和U形槽，用于存放光纤匹配液和放置待刻写光纤，可消除光纤曲面和空气介质对刻写光束的影响。本发明可以有效改善纤芯是任何形状与分布的光纤的光栅刻写效果和效率。

Description

一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写技术

(一)技术领域

本发明涉及光纤光栅刻写技术领域，具体是一种适用光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写技术。

(二)背景技术

光纤光栅指通过一定技术手段在光纤纤芯上构造折射率周期性变化而形成的光栅结构。刻写在单模光纤上的布拉格光纤光栅(FBG)是目前研究最成熟的光纤光栅，该类光栅具有优异的光学窄带滤波特性与传感特性，已经在光电子领域和光纤传感领域有着广泛的应用。近些年来，为满足通信与传感的需求，很多特殊光纤被设计和制作出来，如少模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、多包层光纤等等，开展特殊光纤的光栅特性研究也逐年增多，如：魏颖(魏颖，焦明星.保偏光纤Bragg光栅传感特性的实验研究[J].红外与激光工程,2008(37)：107-110.)指出在保偏光纤的快轴和慢轴上刻写的FBG对横向负载灵敏度存在差异，可应用到称重等领域；包维佳(包维佳.新型光纤布拉格光栅矢量应变传感器研究[D].西北大学,2018.)研究了在多包层光纤上刻写FBG并实现矢量应变测量；E.Lindley(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniform multicorefiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)开展了多芯光纤的FBG刻写技术研究，该FBG可用于抑制太空探测中的噪声信号，在天体光子学领域有着非常重要的应用前景。

相位掩模板法是目前广泛使用的光栅刻写方法，该方法通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，利用±1级衍射条纹侧面曝光光敏光纤可制备得到FBG。该方法大大减低了对紫外光光源相干性的要求，而且制备的FBG的布拉格波长只取决于相位掩模板的条纹周期，因而减低了FBG的制备工艺难度。基于紫外激光的相位掩模板法作为最普遍采用的FBG制备方法，为FBG的实用化与产业化奠定了基础。

基于紫外激光的相位掩模板方法也被尝试用于特殊光纤的光栅刻写，但刻写效果远不如单模光纤，特殊光纤的波导纤芯未必处在光纤的中心，而是被分布在整个光纤截面内。如多模光纤、少模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、多形芯光纤等等。光纤具有柱状曲面结构，且在刻写过程中，光纤暴露于空气，空气与光纤包层的折射率差异大(空气折射率1，光纤包层折射率约为1.46)，因此刻写光束在进入光纤后产生会聚现象，造成在光纤横截面内的光强分布不均匀。这种光强的分布不均匀在光纤纤芯区域较小时影响不大，仅需将最大光强区域覆盖住纤芯即可。但对于上述的特殊光纤而言，很难实现整个纤芯区域的光照均匀。光照的不均匀导致了折射率调制的不均匀，最终造成该类光纤刻写光栅的效果不佳。

为解决上述问题，目前可查阅到两种方法：

(1)文献(E.Lindley,S.-S.Min,S.Leon-Saval,N.Cvetojevic,J.Lawrence,S.Ellis,and J.Bland-Hawthorn,"Demonstration of uniform multicore fiber Bragggratings,"Opt.Express 22,31575(2014).)提出了一种适用于多芯光纤的FBG刻写方法：首先选择一段合适的石英毛细管，将毛细管一侧打磨一定厚度后抛光；再将待刻写光纤插入该毛细管内；最后将刻写光从侧抛面照射完成FBG制备。

(2)专利授权公告号为CN 106249348 B的专利提出一种切趾光纤光栅刻写方法，该方法通过旋转待刻写光纤，以消除由于大芯径导致的光感折射率调制不对称性。

在上述方法中，对石英毛细管侧抛工序复杂，加工时间长，并且为了能让光纤插入毛细管，毛细管内径必然要比光纤直径大，这两者之间填充的空气依然会对刻写结果产生影响；在光栅刻写的同时旋转待刻写光纤，光路的细微不对称性或旋转马达的轻微震动都会影响到光栅的刻写效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写技术。

本发明的目的是这样实现的：

发明一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，它是由光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束镜组、柱透镜、光栅刻写装置、光纤夹具、光纤V形连接器和光栅刻写在线监测系统组成，反射镜组安装在光学平台上用于调节准分子激光器输出光束的高度和位置，光阑、扩束镜组、柱透镜、光栅刻写装置沿反射镜组出射光束方向依次布置在光学平台上，光栅刻写装置包括直角反射镜、相位掩模板和光纤载板，柱透镜出射的水平刻写光束经直角反射镜调整为竖直方向，依次照射相位掩模板和光纤载板，光纤载板上有储液池，用于存储光纤匹配液，储液池有一对U形槽，用于放置待刻写光纤，光栅刻写在线监测系统由宽谱光源、光谱仪、光纤环形器、1×2光开关组成，可实现在刻写过程中对待刻写光纤的透射谱与反射谱的实时监测。

所述的光纤载板，所用材质在刻写用紫外光波段具有高透射率，光纤载板的下部分是一个矩形薄片，薄片厚度50微米，长宽与相位掩模板相等，光纤载板的上部分为储液池，储液池外部尺寸小于下部分的薄片，储液池内部的储液区域大于相位掩模板的栅区域，以保证相位掩模板形成的衍射光都能透过基片进入储液池内，储液池深度大于待刻写光纤包层直径，储液池沿相位掩模板栅周期方向有一对U形槽，U形槽宽度和深度都略大于刻写光纤包层直径，保证待刻写光纤能放入U形槽内。

所述的相位掩模板的上表面与光纤载板的下表面贴合并固定，与直角反射镜之间的距离可以调节。

所述的光纤匹配液，以水为溶剂，甘油为溶质，对刻写紫外光波段具有高透射率，通过精确控制水与甘油的比例获得与光纤包层一致的折射率。

所述的光纤夹具，放置在光栅刻写装置两侧，高度与光纤载板的U形槽一致，用于固定待刻写光纤。

所述的光栅刻写在线监测系统，其宽谱光源输出端连接光纤环形器1口，光纤环形器3口连接光开关输入1口，光开关输出口连接光谱仪输入端，所述连接采用光纤跳线，环形器2口作为光纤刻写监测系统的输出/反射输入端，光开关输入2口作为光纤刻写监测系统的透射输入端。

发明一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写方法，包括如下步骤：

步骤1：设置准分子激光器频率和能量参数，调节光栅刻写装置与柱透镜的距离以及光栅刻写装置内相位掩模板与直角反射镜的距离，使柱透镜出射的刻写光束聚焦在光纤载板的U形槽内；

步骤2：剥离待刻写光纤上待刻写区域的光纤涂覆层，剥离长度大于光纤载板的储液池长度，用酒精擦拭干净，将光纤两端略微施力拉直后夹持在光纤夹具内，保证待刻写光纤完全沉入在储液池内；

步骤3：取适量光纤匹配液滴入光纤载板的储液池内，光纤匹配液应完全淹没储液池内的光纤；

步骤4：将待刻写光纤两端通过光纤V形槽连接器与光栅刻写在线监测系统的输出/反射输入端和透射输入端连接；

步骤5：启动准分子激光器输出，启动光栅刻写在线监测系统，通过控制光开关分别对光栅的反射谱和透射谱进行监测，当待刻写光纤满足光栅刻写要求后，停止准分子激光器输出，关闭光栅刻写在线监测系统；

步骤6：打开光纤V形连接器，断开已完成刻写的光纤与光栅刻写在线监测系统的连接，打开光纤夹具，从光栅刻写装置中取出光纤，完成光栅刻写。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)使用光纤匹配液，消除了光纤内外的折射率差异，避免了光束会聚效应，使得刻写光在光纤横界面上分布更广，光强分布更均匀，满足光纤芯是任何形状和分布的光纤光栅刻写；

(2)光栅刻写装置内的光纤载片可通过现有的CO₂激光加工系统制作，制作时间短，加工精度有保证；

(3)操作步骤简单，可实现光纤光栅的快速刻写。

(四)附图说明

图1为一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统示意图；

图2为本发明可适用的部分光纤类型：(a)单模光纤结构示意图，(b)多模光纤结构示意图，(c)环形芯光纤结构示意图，(d)多芯光纤结构示意图；

图3为光栅刻写装置结构示意图；

图4为光栅刻写在线监测系统示意图；

图中：1-准分子激光器、2-反射镜组、3-光阑、4-扩束镜组、5-柱透镜、6-光栅刻写装置、7-光栅刻写在线监测系统、8-光纤夹具、9-待刻写光纤、10-光纤V形槽连接器、11-刻写光束、100-光学平台、601-直角反射镜、602-相位掩模板、603-光纤载板、604-光纤匹配液、701-宽谱光源、702-光谱仪、703-光纤环形器、704-1×2光开关、705-输出/反射输入端、706-透射输入端。

(五)具体实施方式

本发明提出一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统和方法。图2列举了部分本发明可适用的光纤。光纤的选择对本发明的制备装置与制备方法没有影响，因此如下实例中未明确具体的光纤类型。

下面结合附图和具体实施例对本发明的一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统做进一步的详细说明。

如图1所示，一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，包括光学平台100、准分子激光器1、反射镜组2、光阑3、扩束镜组4、柱透镜5、光栅刻写装置6、光纤夹具8、光纤V形连接器10和光栅刻写在线监测系统7，反射镜组2安装在光学平台100上用于调节准分子激光器输出光束11的位置与高度，光阑3、扩束镜组5、柱透镜5、光栅刻写装置6沿反射镜2的出射光束11方向依次布置在光学平台100上。

如图3所示，光栅刻写装置6，由直角反射镜601、相位掩模板602和光纤载板603组成，水平方向的刻写光束11经直角反射镜601调整为竖直向上方向后，依次透过相位掩模板602和光纤载板603，照射在待刻写光纤9上。

如图3所示，光纤载板603，所用材质在刻写用紫外光波段具有高透射率，光纤载板603的底部是一个矩形薄片，薄片厚度50微米，长宽不小于相位掩模板602，光纤载板的上部为储液池，储液池外部尺寸小于底部的薄片，储液池内部的储液区域大于相位掩模板602的栅区域，以保证相位掩模板形成的衍射光都能透过基片进入储液池内，储液池深度大于待刻写光纤9包层直径，储液池沿相位掩模板栅周期方向有一对U形槽，U形槽宽度和深度都略大于刻写光纤9的包层直径，保证待刻写光纤9能放入U形槽内；

图3中的光纤匹配液604，是以水为溶剂，甘油为溶质，对刻写紫外光波段具有高透射率，通过精确控制水与甘油的比例获得与光纤包层一致的折射率。

一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写方法，包括如下步骤：

步骤1，系统调节与设置：设置准分子激光器1频率和能量参数，调节光栅刻写装置6与柱透镜5的距离以及光栅刻写装置6内相位掩模板602与直角反射镜601的距离，使柱透镜5出射的刻写光束聚焦在光纤载板603的U形槽内；

步骤2，准备光纤：剥离待刻写光纤9上待刻写区域的光纤涂覆层，剥离长度大于光纤载板603的储液池长度，用酒精擦拭干净，将光纤两端略微施力拉直后固定在光纤夹具8内，保证待刻写光纤9完全沉入在储液池内；

步骤3，注入光纤匹配液：取适量光纤匹配液604滴入光纤载板的储液池内，液面应淹没储液池内的待刻写光纤9；

步骤4，连接光路：将待刻写光纤9两端通过光纤V形槽连接器11分别与光栅刻写在线监测系统7的输出/反射输入端705和透射输入端706连接；

步骤5，刻写光栅：启动准分子激光器1输出，启动光栅刻写在线监测系统7，通过控制光开关704分别对光栅的反射谱和透射谱进行监测，当待刻写光纤9满足光栅刻写要求后，停止准分子激光器1输出，关闭光栅刻写在线监测系统7；

步骤6，结束刻写：打开光纤V形连接器11，将已完成刻写的光纤9与光栅刻写在线监测系统7断开连接，打开光纤夹具603，将光纤从光栅刻写装置6中取出，完成光栅刻写。

Claims (5)

1.一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，其特征是：它由光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束镜组、柱透镜、光栅刻写装置、光纤夹具、光纤V形连接器和光栅刻写在线监测系统组成，所述系统中的反射镜组安装在光学平台上用于调节准分子激光器输出光束的高度和位置，所述系统中的光阑、扩束镜组、柱透镜、光栅刻写装置沿反射镜组出射光束方向依次布置在光学平台上，所述系统中的光栅刻写装置包括直角反射镜、相位掩模板和光纤载板，光纤载板上有储液池，用于存储光纤匹配液，储液池两侧有一对U形槽，用于放置待刻写光纤，所述系统中的光纤夹具放置在光栅刻写装置两侧，用于固定待刻写光纤，所述系统中的光纤V形连接器用于连接待刻写光纤与光栅刻写在线监测系统，所述系统中光栅刻写在线监测系统包括宽谱光源、光谱仪、光纤环形器、1×2光开关。

2.根据权利要求1所述的适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，其特征是：所述的光纤载板，所用材质在刻写用紫外光波段具有高透射率，光纤载板的下部分为一个矩形薄片，薄片厚度50微米，长宽与相位掩模板相等，光纤载板的上部分为储液池，储液池外部的尺寸小于下部分的薄片，储液池内部的储液区域大于相位掩模板的栅区域，储液池在沿相位掩模板栅周期方向的两侧边有一对U形槽，U形槽的宽度和深度要比待刻写光纤包层直径稍大，保证待刻写光纤能放入U形槽内。

3.根据权利要求1所述的适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，其特征是：所述相位掩模板的上表面与光纤载板的下表面贴合并固定，相位掩模板与直角反射镜的距离可以调节。

4.根据权利要求1所述的适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写系统，其特征是：所述的光纤匹配液以水为溶剂，甘油为溶质，对刻写紫外光波段具有高透射率，通过精确控制水与甘油的比例获得与光纤包层一致的折射率。

5.一种适用于光纤芯是任何形状与分布的光栅刻写方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1：设置准分子激光器频率和能量参数，调节光栅刻写装置与柱透镜的距离以及光栅刻写装置内相位掩模板与直角反射镜的距离，使柱透镜出射的刻写光束聚焦在光纤载板的U形槽内；

步骤2：剥离待刻写光纤上待刻写区域的光纤涂覆层，剥离长度大于光纤载板的储液池长度，用酒精擦拭干净，将光纤两端略微施力拉直后固定在光纤夹具内，保证待刻写光纤完全沉入在储液池内；

步骤3：取适量光纤匹配液滴入光纤载板的储液池内，光纤匹配液应完全淹没储液池内的光纤；

步骤4：将待刻写光纤两端通过光纤V形槽连接器与光栅刻写在线监测系统的输出/反射输入端和透射输入端连接；

步骤5：启动准分子激光器输出，启动光栅刻写在线监测系统，通过控制光开关分别对光栅的反射谱和透射谱进行监测，当待刻写光纤满足光栅刻写要求后，停止准分子激光器输出，关闭光栅刻写在线监测系统；

步骤6：打开光纤V形连接器，断开已完成刻写的光纤与光栅刻写在线监测系统的连接，打开光纤夹具，从光栅刻写装置中取出光纤，完成光栅刻写。

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