CN111552023B - 基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统与方法。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、相位掩模板、相位补偿板、光纤夹具、光纤V形槽连接器和光栅刻写在线监测系统，相位补偿板一面与相位掩模板贴合，另一面刻有凹形半圆槽，用于固定待刻写光纤，同时还可以消除光纤包层曲面结构引起的光束会聚效应。本发明可有效改进刻写光束在光纤横截面内的均匀分布，适合于异形芯光纤的光栅刻写。
Description
(一)技术领域
本发明涉及光纤光栅制备技术领域，具体是一种适用于异形芯光纤的光栅制备技术。
(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纤光栅刻写方法，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制备 FBG。该方法大大减低了对光源的相干性要求，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，减低了光栅制备工艺难度。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，但由于特殊光纤的结构与单模光纤存在很大不同，部分特殊光纤属于异形芯光纤，即这类光纤的波导纤芯未处在光纤中心，而是分布在整个光纤界面内。因此，在采用相位掩模板制备光纤光栅时，由于光纤本身的柱状透镜效应，使得从掩模板出射的±1级衍射光束难于在整个光纤横截面上形成均匀光强分布，因而难以制备出高质量的光纤光栅。
为解决上述问题，目前可查阅到两种方法：
(1)文献(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniformmulticore fiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)提出了一种改进方法：选择一段尺寸合适的石英毛细管，将毛细管一侧打磨一定厚度后抛光，将待刻写光纤插入该毛细管内，使相位掩模板的衍射光束从毛细管的侧抛面照射，以消除光纤本身的柱状透镜效应。
(2)专利(授权号：CN 106249348B)提出一种切趾光纤光栅刻写方法，该方法建议在刻写光栅的同时旋转待刻写光纤，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(1)中，对石英毛细管实现侧抛的工序复杂，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；方法(2)中，FBG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FBG的刻写效果。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备技术。该技术可以均匀刻写光束在光纤内的分布，从而提高光栅刻写质量。
本发明的目的是这样实现的：
发明一种适用于异形芯光纤的光栅制备系统，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、相位掩模板、相位补偿板、光纤夹具、光纤V形槽连接器和光栅刻写在线监测系统组成，所述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，所述光阑、扩束镜组、柱透镜、相位掩模板、相位补偿板沿反射镜组出射光束方向依次布置在光学平台上，所述相位补偿板一面有凹形半圆槽用于固定待刻写光纤，另一面与相位掩模板贴合，所述光纤夹具用于固定待刻写光纤，所述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。
上述的相位补偿板,长度与宽度与相位掩模板相等、厚度在100～200微米之间，必须大于待刻写光纤的包层半径，材质为石英玻璃，在刻写用紫外光波段具有高透射率，能将相位掩模板产生的衍射光束无损失的传输到待刻写光纤，同时可保护相位掩模板不被待刻写光纤污染。
上述的相位补偿板，一面刻有凹形半圆槽,槽方向与相位掩模板栅周期方向一致，槽宽度与待刻写光纤包层直径相等，槽深度与待刻写光纤包层半径相等。
上述的相位补偿板，未刻凹形半圆槽的一面与相位掩模板贴合。
上述的光纤夹具，其底部通过位移台与光学平台固定，布置在相位补偿板两侧，用于固定待刻写光纤和调节待刻写光纤位置。
上述的光栅刻写在线监测系统，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口作为光栅刻写监测系统的透射输入端。
发明一种适用于异形芯光纤的光栅制备方法，包括如下步骤：
步骤1：设置准分子激光器频率和能量参数，调节相位掩模板和相位补偿板的位置，使刻写光束聚焦在相位补偿板的凹形半圆槽内；
步骤2：剥离待刻写光纤上待刻写区域的光纤涂覆层，剥离长度大于相位补偿板的凹形半圆槽的长度，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，通过调节光纤夹具的位置，使待刻写光纤靠近相位补偿板一侧进入凹形半圆槽并与凹形半圆槽贴合；
步骤3：将待刻写光纤两端通过光纤V形槽连接器分别接入光栅刻写在线监测系统；
步骤4：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待刻写光纤的反射谱和透射谱进行监测，当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5：打开光纤V形连接器，将已完成刻写的光纤与光栅刻写在线监测系统断开连接，打开光纤夹具，取出光纤，完成光栅制备。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)相位补偿板的凹形半圆槽，可改善光束进入光纤后的会聚效应，从而使得刻写光在光纤横截面内分布更广，光强分布更均匀；
(2)相位补偿板的凹形半圆槽可通过现有的CO2激光加工系统制作，制作时间短，加工精度有保证；
(3)刻写过程操作步骤简单，可实现光栅的快速刻写、且光栅的一致性有保证。
(四)附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
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为相位补偿板示意图；
图4为光栅刻写在线监测系统示意图；
图5为相位掩板板、相位补偿板、光纤夹具和待刻写光纤空间位置示意图
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- 相位掩模板、7-相位补偿板、8-光栅刻写在线监测系统、9-待刻写光纤、10-光纤夹具、11-光纤V形槽连接器、12-刻写光束、100-光学平台、801-宽谱光源、802- 光谱仪、803-光纤环形器、804-1×2光开关、805-输出/反射输入端、806-透射输入端。
(五)具体实施方式
本发明提出一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备技术，图2列举了部分本发明可适用的光纤，本发明不仅可用于异形芯光纤的光栅制备，也可用于普通单模和多模光纤的光栅制备。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做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统，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、相位掩模板6、相位补偿板7、光纤夹具10、光纤V形槽连接器和光纤刻写在线监测系统8，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的位置与高度，光阑3、扩束镜组5、柱透镜5、相位掩模板6、相位补偿板7 沿反射镜组2的出射光束方向依次布置在光学平台100上。
相位补偿板7为石英材质，长度与宽度与相位掩模板6相等，厚度在 100～200微米之间，需大于待刻写光纤9的包层半径，如图3所示，相位补偿板7的一面刻有凹形半圆槽，槽方向与相位掩模板6的栅周期方向一致，槽宽与待刻写光纤9的包层直径相等，槽深与待刻写光纤9的包层半径相等。
如图5所示，相位掩模板6与相位补偿板7未刻槽的一面贴合，光纤夹具 10布置在相位补偿板7两侧，用于固定待刻写光纤9。
本发明的基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备方法，包括如下步骤：
步骤1，参数调节：设置准分子激光器频率和能量参数，调节相位掩模板和相位补偿板的位置，使刻写光束聚焦在相位补偿板的凹形半圆槽内；
步骤2，放置光纤：剥离待刻写光纤上待刻写区域的光纤涂覆层，剥离长度大于相位补偿板的凹形半圆槽的长度，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，通过调节光纤夹具的位置，使待刻写光纤靠近相位补偿板一侧进入凹形半圆槽并与凹形半圆槽贴合；
步骤3，接入光纤：将待刻写光纤两端通过光纤V形槽连接器分别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4，刻写光栅：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待刻写光纤的反射谱和透射谱进行监测，当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5，完成制备：打开光纤V形连接器，将已完成刻写的光纤与光栅刻写在线监测系统断开连接，打开光纤夹具，取出光纤，完成光栅制备。
Claims (4)
1.一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统，其特征是：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、相位掩模板、相位补偿板、光纤夹具、光纤V形槽连接器和光栅刻写在线监测系统，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、相位掩模板、相位补偿板沿反射镜组出射光束方向依次布置在光学平台上，相位补偿板一面有凹形半圆槽，槽方向与相位掩模板栅周期方向一致，槽宽度与待刻写光纤包层直径相等，槽深度与待刻写光纤包层半径相等，相位掩模板与相位补偿板未刻槽一面贴合，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，异形芯光纤是指纤芯未处在光纤中心，而被分布在整个光纤界面内的光纤。
2.根据权利要求1所述的基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的相位补偿板的长宽与相位掩模板相等、厚度在100～200微米之间，且大于待刻写光纤的包层半径，材质为石英玻璃，在刻写用紫外光波段具有高透射率，能将相位掩模板产生的衍射光束无损失的传输到待刻写光纤，同时保护相位掩模板不被待刻写光纤污染。
3.根据权利要求1所述的基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的光纤夹具的底部通过位移台与光学平台固定，安装在相位补偿板两侧，用于调节和固定待刻写光纤的位置。
4.一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备方法，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，调节相位掩模板和相位补偿板的位置，相位补偿板一面刻有凹形半圆槽，槽方向与相位掩模板栅周期方向一致，槽宽度与待刻写光纤包层直径相等，槽深度与待刻写光纤包层半径相等，相位补偿板未刻槽一面与相位掩模板贴合，刻写光束聚焦在相位补偿板的凹形半圆槽内，待刻写光纤为异形芯光纤，是一种纤芯未处在光纤中心，而被分布在整个光纤界面内的光纤；
步骤2：剥离待刻写光纤上待刻写区域的涂覆层，剥离长度大于相位补偿板的凹形半圆槽的长度，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，通过调节光纤夹具的位置，使待刻写光纤靠近相位补偿板一面进入凹形半圆槽并与凹形半圆槽贴合；
步骤3：将待刻写光纤两端通过光纤V形槽连接器接入光栅刻写在线监测系统；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Application publication date: 20200818 Assignee: Aifeibo (Ningbo) Optoelectronic Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045807 Denomination of invention: Preparation System and Method of Irregular Core Fiber Bragg Grating Based on Half Circle Phase Compensation Plate Granted publication date: 20221025 License type: Common License Record date: 20231105 |