CN112558216A - 一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板、光纤夹具、补偿反射镜和三维调节架。本发明提供的高密度多芯光纤光栅制备系统，通过补偿反射镜将通过相位掩模板的前向紫外光反射回光纤上，用来补偿由于光纤柱面效应导致的照射区域紫外光缺失的情况。本发明可有效改善刻写光束在光纤横截面上的光场分布，实现高密度多芯光纤及其他异形芯光纤光栅的制备。

Description

一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统
(一)技术领域
本发明涉及光纤光栅制备技术领域，具体涉及一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统。
(二)背景技术
光纤光栅是指在光纤纤芯内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。单模光纤布拉格光纤光栅(FBG)是目前研究较为成熟的光纤光栅，该类光栅具有优异的光学窄带滤波特性与传感特性，因其制作简单、造价低、稳定性好、体积小等诸多优点，已经在光电子领域和光纤传感领域有着广泛的应用。近年来，为了满足通信和传感的需求，很多特殊的光纤结构被设计和制作出来，如大芯径光纤、多芯光纤、环形芯光纤、多包层光纤等，开展特种光纤光栅特性的研究也逐年增多。
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，由于光纤本身的柱面透镜效应，使得从掩模板出射的±1级衍射光束很难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。文献(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniform multicore fiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)提出了一种多芯光纤光栅制备方法，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。该方法需要剥除较长的涂覆层，夹持起来较为困难，且需要的毛细管尺寸较小，抛磨起来较为困难。专利CN 106249348 B提出了一种切趾光纤光栅刻写方法，该方法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。该方法在刻写的同时需旋转待刻写光纤，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，对环境的要求较为严苛，制作起来较为困难。专利CN111552023A提出了一种半圆形补偿板的制作方法，通过一个半圆形的补偿板与光纤贴合，来抵消掉光纤的柱面效应，但此方法需要将补偿板与掩模板贴合，对掩模板会造成损伤，同时在平板上制作一个可与光纤贴合的半圆槽较为复杂，成本相对较高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统。该技术可以补偿由于光纤柱面效应导致的紫外光未照射区域，提高光栅刻写质量，实现多芯光纤光栅刻写。
本发明的目的是这样实现的：
发明一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、光栅掩模板、光纤夹具、补偿反射镜和三维调节架，补偿反射镜放置在三维调节架上。
激光器发出的光经紫外反射镜改变光的传播方向，经扩束镜扩大光斑的面积，由光阑选择光斑质量较好的区域。紫外光通过柱透镜后，光斑被聚焦成为线状光斑。光纤剥除涂覆层后放置在光栅掩模板后方，由光纤夹具夹持；调整三维调节架，使补偿反射镜靠近光纤，经过掩模板的紫外光穿过光纤照射到补偿反射镜上，经补偿反射面反射的光再一次照射到光纤上。
所述的紫外激光器光源波长为248nm，频率可调，光斑直径0.5mm，可通过改变电压实现输出能量的调节。
所述的紫外反射镜放置在激光器紫外光的输出方向，其248nm波长的反射率不小于95％。反射镜与入射光成45°角，用来改变光束的传输方向。
所述的柱透镜位于光阑后方，用来对刻写光束进行聚焦，使紫外光聚焦成线状光斑。
所述的光栅掩模板可选用各种适用于光栅刻写的相位掩模板，紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，光纤放置在掩模板后方的线状光斑上，利用±1级衍射形成的干涉条纹实现光栅的制备，如图2所示。
所述的补偿反射镜位于光纤后方，根据实际需求及制作工艺，其反射面形状为平面夹角型、半圆形、抛物线形或任意函数曲线形；可以通过对石英、玻璃或有机物表面镀膜实现反射功能。
所述的补偿反射镜在248nm波长下的反射率不小于90％，使反射回去的光可以有效的实现对纤芯折射率的调制，且反射镜的长度不小于聚焦后线状光斑的长度。
所述的补偿反射镜放置在一个三维调节架上，该调节架可以利用计算机控制实现三维微调节，也可以通过手动调节实现对反射补偿镜的位置调节。
作为本发明的进一步改进，其中一个光纤夹具可与一拉力计相连，通过对拉力的监测，可以实现光栅刻写中心波长的一致性；同时，通过调整对光纤的拉力，可以实现使用一块掩模板制备不同中心波长的光栅。
作为本发明的进一步改进，光栅掩模板可以通过一个旋转夹具夹持，通过对掩模板的旋转，实现对倾斜光纤光栅的刻写。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明通过反射补偿了因光纤柱面效应引起的光纤受照区域光场不均匀性，可实现大芯径光纤、高密度多芯光纤、环形芯光纤等特种光纤光栅的刻写。
(2)本发明无需使用匹配液等材料，同时不需要贴合掩模板，对光栅掩模板起到一定的保护作用，增加了掩模板的使用寿命。
(3)通过对本装置进行微调整可以由一块掩模板实现不同中心波长和不同倾斜角度的光纤光栅的刻写。
(四)附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为利用掩模板制备光栅的示意图；
图3(a)为平面夹角形反射原理示意图、(b)为平面夹角形反射7芯光纤光栅刻写仿真示意图；
图4(a)为半圆形反射原理示意图、(b)为半圆形反射7芯光纤光栅刻写仿真示意图；
图5(a)为抛物线形反射原理示意图、(b)为抛物线形反射7芯光纤光栅刻写仿真示意图；
图中：1-紫外激光器、102-紫外光、2-紫外反射镜、3-扩束镜、4-光阑、5-柱透镜、6-光栅掩模板、7-光纤、801-光纤夹具、802-光纤夹具、9-补偿反射镜、901-半圆形补偿反射镜、902-平面夹角形补偿反射镜、903-抛物线形补偿反射镜、10-三维调节架。
(五)具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有去做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统，系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、光栅掩模板、光纤夹具、补偿反射镜和三维调节架，补偿反射镜放置在三维调节架上。
本发明的技术路线是基于相位掩模板光栅刻写法设计了一套新的制备系统。激光器发出的光经紫外反射镜后改变传播方向，经扩束镜放大光斑面积，由光阑选择光斑质量较好的区域，通过柱透镜后，光斑被聚焦成为线状光斑；光纤剥除涂覆层后放置在掩模板后方，由光纤夹具夹持；调整三维调节架，使补偿反射镜靠近光纤，经过掩模板的紫外光穿过光纤照射到补偿反射镜上，经反射面反射的光再一次照射到光纤上。补偿了由于光纤柱面效应导致的光纤截面光场分布不均匀。
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。
本实施例将结合图1和图3说明本发明的光栅制备装置结构与工作原理。
如图1所示，本发明公开了一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统。包括紫外激光器1、紫外反射镜2、扩束镜3、光阑4、柱透镜5、光栅掩模板6、光纤7、光纤夹具801、802、补偿反射镜9、三维调节架10。
紫外激光器1输出可调谐紫外光，波长248nm，输出能量和频率可调，光斑直径0.5mm；输出的光102经紫外反射镜2反射后改变光的传播方向，反射镜与光束的角度可调；反射后的紫外光入射到扩束镜3上，经扩束镜后光斑的面积变大，经由光阑4选择光斑质量较好的区域，光阑的孔径小于扩大后光斑的大小。通过光阑选择后的紫外光照射到柱透镜5上，光斑被聚焦成为线状光斑，聚焦后的光斑照射到光栅掩模板6上。紫外光通过掩模板后形成衍射，利用±1级衍射形成的干涉条纹，在掩模板侧面曝光光敏光纤制备光纤光栅，如图2所示。将剥掉涂覆层的光纤7放置在掩模板后方，距离掩模板0.05mm-0.3mm，由光纤夹具801、802夹持；补偿反射镜9安装在三维调节架10上，放置在光纤后方，调整三维调节架，使补偿反射镜靠近光纤，经过掩模板的紫外光穿过光纤照射到补偿反射镜上，经反射面反射的光再一次照射到光纤上。
进一步的，所述的补偿反射镜位于光纤后方，根据实际需求及制作工艺，其反射面形状为平面夹角形，其原理示意图如图3(a)所示；半圆形，其原理示意图如图4(a)所示；抛物线形，其原理示意图如图5(a)所示或任意函数曲线形；可以通过对石英、玻璃或有机物表面镀膜实现反射功能。利用有限元分析法，对三种类型的补偿反射镜的射线轨迹进行分析，所用光纤为7芯光纤，结果分别为图3(b)、4(b)、5(b)。对于平面夹角形补偿反射镜902，光束照射到反射镜后，反向照射到光纤上，如图3(b)所示，反射回的光束可以有效的补偿由于光纤柱面效应引起的光场分布不均匀。对于半圆形补偿反射镜901和抛物线形补偿的反射镜903，反射回的光束如图3(b)和5(b)所示，通过调节光纤与反射镜的相对位置，可以实现对不同区域的补偿。

Claims (7)

1.一种反射补偿型的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：系统包括紫外激光器、紫外反射镜、扩束镜、光阑、柱透镜、掩模板、光纤夹具、补偿反射镜、三维调节架，补偿反射镜放置在三维调节架上；
激光器发出的光经紫外反射镜改变传播方向，经扩束镜放大光斑面积，由光阑选择光斑质量较好的区域，通过柱透镜后，光斑被聚焦成为线状光斑；光纤剥除涂覆层后放置在掩模板后方，由光纤夹具夹持；调整三维调节架，使补偿反射镜靠近光纤，经过掩模板的紫外光穿过光纤照射到补偿反射镜上，经反射面反射的光再一次照射到光纤上。
2.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的补偿反射镜为半圆形、抛物线形或平面夹角形。
3.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的补偿反射镜的长度不小于线状光斑的宽度。
4.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的补偿反射镜的反射率不小于90％。
5.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的紫外反射镜的反射率不小于95％。
6.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的光栅掩模板可选用各种适用于光栅刻写的相位掩模板。
7.根据权利要求1所述的高密度多芯光纤光栅制备系统，其特征是：所述的三维调节架由计算机控制调节或手动调节。
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