CN113534331A - 一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置及方法。包括全反射镜、激光器、宽带光源、光谱分析仪、耦合器、第一CCD相机与第二CCD相机、二向色镜、第一聚焦物镜与第二聚焦物镜、光纤夹具和平台，平台为三轴微动平台。本发明使用两个CCD相机从两个不同方向监测光纤姿态，使用两个CCD相机自动完成光纤位姿的测量，提出了一种自动补偿光纤姿态误差的方法，克服了在加工过程中光纤初始放置位置不统一导致的加工轨迹精度低的问题。本发明无需昂贵的掩模板，刻写方式灵活。相比于飞秒激光逐点刻写人工对齐的方式，本发明人工介入少，精度更高，适合大规格生产。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及布拉格光纤光栅的制备。
背景技术
光纤光栅作为一种附加损耗小、体积小的无源光学器件，已经在光通信、光纤传感以及激光器中广泛应用。在光通信系统中，光纤光栅可应用于光源、色散补偿、波分复用器件等。光纤光栅抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、对外界环境变化敏感，可用于温度、应变、压力、折射率等物理量的测量。同时容易与现有光通信网络集成，光纤光栅传感已经在航空航天、土木工程、基建健康监控、采矿等行业大量应用。
现有技术中，通过激光照射相位掩模板，使用掩模板产生的衍射条纹刻写光纤光栅。或者使用飞秒激光逐点刻写的方式制作光纤光栅，刻写过程采用人工将光纤与激光焦点对齐。
使用掩模板刻写的问题如下：
1、使用相位掩模板刻写时，光纤光栅的周期由掩模板的周期决定，如果刻写不同周期就需要多块掩模板，而掩模板价格昂贵；
2、掩模板刻写前需要将光纤放入高压氢气中进行5～7天的载氢处理，该操作周期长且具有一定危险性；
3、在使用掩模板刻写光纤光栅过程中，需要将光纤的涂敷层剥掉。被剥离涂覆层的光纤机械强度明显下降，不利于后续加工同时减小光纤光栅的使用寿命；
4、受限于掩模板结构，无法使用掩模板刻写一些特殊结构的光纤光栅；
5、掩模板刻写时激光强度低，无法刻写耐高温(>300℃)的光纤光栅。
飞秒激光逐点直写，人工对齐的问题如下：
1、刻写精度低，光纤光栅各项性能指标差；
2、人工干预多，不适合大规模生产；
3、逐点刻写调制区域小，低波长插损大。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，
其中包括全反射镜、激光器、宽带光源、光谱分析仪、耦合器、第一CCD相机与第二CCD相机、二向色镜、第一聚焦物镜与第二聚焦物镜、光纤夹具和平台，平台为三轴微动平台；
激光器出射的激光经过全反射镜后进入二向色镜，然后经过第一聚焦物镜聚焦到光纤中；平台能够在XYZ三轴分别进行nm级移动，光纤夹具固定在平台上，用于夹持光纤；
第一CCD相机用于观测焦点与光纤在XY平面上的相对位置，第二聚焦物镜与第二CCD相机一起用于观测焦点与光纤在XZ平面上的相对位置；
宽带光源、光谱分析仪与耦合器用于在刻写过程中对光栅的反射谱进行实时监控；宽带光源的光经过耦合器之后进入光纤，光纤中的光栅将宽带光源的光反射后经过耦合器进入光谱分析仪，实时监测到待刻写光栅的反射谱。
作为本发明的进一步改进，所述激光器出射的激光波长为515、257或1030nm，脉冲频率为1kHz到200kHz范围内能够调节，最小脉宽为50fs，单脉冲最大能量为500uJ。
作为本发明的进一步改进，第一聚焦物镜放大倍数80-100，数值孔径为1.1-1.25，油浸液体的折射率与光纤相近，第二聚焦物镜放大倍数80-100。
作为本发明的进一步改进，所述耦合器使用50比50的一分二耦合器。
作为本发明的进一步改进，所述激光器出射的激光功率内部能够调节。
作为本发明的进一步改进，第一聚焦物镜为油浸物镜，油浸液体的折射率与光纤相近，第二聚焦物镜非油浸。
作为本发明的进一步改进，还包括LED照明光源，LED照明光源分别为第二CCD相机与第一CCD相机提供视场光源。
作为本发明的进一步改进，利用权利要求上述任意一项所述装置在放置光纤后测量并计算光纤姿态信息，飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法包括如下步骤：
步骤1：将待加工光纤放置在光纤夹具，以平台的三轴XYZ建立坐标系XnYnZn，放置完光纤后，由CCD相机观测光纤在XnYn平面与XnZn平面的初始位置；
步骤2：控制平台将光纤沿Zn轴运动到穿过第二CCD相机的中心位置，同时沿Yn轴运动到光纤穿过第一CCD相机的中心位置；
步骤3：控制平台沿Xn轴移动长度为x1的距离，移动后光纤刚好经过坐标XnYnZn中心；
步骤4：控制平台沿Zn轴移动到光纤穿过第二CCD相机的中心，移动后光纤刚好经过坐标XnYnZn中心，沿Zn轴移动的距离记为z1；同时沿Yn轴移动光纤穿过第一CCD相机的中心，沿Yn轴移动的距离记为y1；
步骤5：以光纤轴线为X轴，垂直轴线方向为YZ轴建立光纤坐标系XbYbZb，则光纤坐标系XbYbZb在微动平台XnYnZn坐标系中的姿态用欧拉角表示为俯仰角θ＝tan-1(z1/x1)，偏航角ψ＝tan-1(y1/x1)，其中光纤沿纤芯方向各向同性，横滚角
步骤6：计算光纤坐标系XbYbZb到微动平台XnYnZn坐标系的方向余弦变换矩阵
步骤7：根据变换矩阵
微动平台精确控制光纤纤芯的位置按照设计的加工轨迹进行移动；
放置完光纤，得到光纤姿态后进行光栅的刻写，加工过程中激光焦点位置不变，通过移动光纤位置改变焦点在光纤的位置。
作为本发明的进一步改进，所述光纤夹具为第一光纤夹具与第二光纤夹具。
作为本发明的进一步改进，全反射镜为若干个，激光器为飞秒激光器。
本发明的有益效果是：
本发明使用两个CCD相机从两个不同方向监测光纤姿态，使用两个CCD相机自动完成光纤位姿的测量，提出了一种自动补偿光纤姿态误差的方法，克服了在加工过程中光纤初始放置位置不统一导致的加工轨迹精度低的问题。
本发明采用由点成线，划线的方式刻写一个光栅，采用划线覆盖光纤纤芯一半的方式进行光栅的刻写，在不明显降低加工效率的情况下减小光栅的插损。
本发明提供的装置与方法可高精度的制作各种特殊结构的光纤光栅，将进一步扩大光纤光栅的应用场合。
本发明无需昂贵的掩模板，刻写方式灵活。相比于飞秒激光逐点刻写人工对齐的方式，本发明人工介入少，精度更高，适合大规格生产。
附图说明
图1：本发明提供的飞秒激光刻写光纤光栅装置的结构示意图；
图2：本发明在刻写中自动识别光纤姿态的过程示意图；
图3：本发明飞秒激光在光纤上刻写光栅的移动轨迹示意图。
图中各部件名称如下：
全反射镜1-1，激光器1-2，宽带光源1-3，光谱分析仪1-4，耦合器1-5，第一CCD相机1-6，二向色镜1-7，第一聚焦物镜1-8，第一光纤夹具1-9，光纤1-10，第二光纤夹具1-11，第二聚焦物镜1-12，平台1-13，第二CCD相机1-14，LED照明光源1-15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示为本发明提供的飞秒激光刻写布拉格光纤光栅的装置结构框图，其中包括全反射镜1-1、激光器1-2、宽带光源1-3、光谱分析仪1-4、耦合器1-5、第一CCD相机1-6与第二CCD相机1-14、二向色镜1-7、第一聚焦物镜1-8与第二聚焦物镜1-12、第一光纤夹具1-9与第二光纤夹具1-11、平台1-13、LED照明光源1-15和光纤1-10。
全反射镜1-1为若干个，激光器1-2为飞秒激光器，光纤1-10为待加工光纤1-10，平台1-13为三轴微动平台。
激光器1-2出射的激光功率内部可调节，无需外部增加能量调节机构。飞秒激光经过全反射镜1-1后进入二向色镜1-7，然后经过第一聚焦物镜1-8聚焦到光纤1-10中。激光器1-2可出射的激光波长为515、257或1030nm，脉冲频率为1kHz到200kHz范围内可调，最小脉宽为50fs，单脉冲最大能量为500uJ。第一聚焦物镜1-8为油浸物镜，放大倍数100，数值孔径为1.25，油浸液体的折射率与光纤相近。
平台1-13可在XYZ三轴分别进行nm级移动，第一光纤夹具1-9与第二光纤夹具1-11固定在平台1-13上，用于夹持光纤1-10。加工过程中激光焦点位置不变，通过移动光纤1-10位置改变焦点在光纤1-10的位置。第一CCD相机1-6用于观测焦点与光纤1-10在XY平面上的相对位置。第二聚焦物镜1-12非油浸，放大倍数100，与第二CCD相机1-14一起用于观测焦点与光纤1-10在XZ平面上的相对位置。LED照明光源1-15分别为第二CCD相机1-14与第一CCD相机1-6提供视场光源。
宽带光源1-3、光谱分析仪1-4与耦合器1-5用于在刻写过程中对光栅的反射谱进行实时监控。宽带光源1-3的光经过耦合器1-5之后进入光纤1-10，其中耦合器1-5可使用50比50的一分二耦合器。光纤1-10中的光栅将宽带光源1-3的光反射后经过耦合器1-5进入光谱分析仪1-4，可实时监测到待刻写光栅的反射谱。
为消除放置光纤后的姿态误差，上述制备装置在放置光纤1-10后将测量并计算光纤姿态信息，图2展示了该过程，其中2-0表示放置后的待加工光纤。测量与计算步骤如下：
步骤1：如图1所示将待加工光纤放置在第一光纤夹具1-9与第二光纤夹具1-11上，以平台1-13的三轴XYZ建立坐标系XnYnZn，图2中的2-1表示放置完光纤后CCD相机观测到光纤在XnYn平面与XnZn平面的初始位置；
步骤2：控制平台1-13将光纤1-10沿Zn轴运动到穿过第二CCD相机1-14的中心位置，同时沿Yn轴运动到光纤1-10穿过第一CCD相机1-6的中心位置，如图2中的2-2所示；
步骤3：控制平台1-13沿Xn轴移动长度为x1的距离，移动后光纤1-10刚好经过坐标XnYnZn中心，如图2中的2-3所示；
步骤4：如图2中的2-4所示，控制平台1-13沿Zn轴移动到光纤1-10穿过第二CCD相机1-14的中心，沿Zn轴移动的距离记为z1；同时沿Yn轴移动光纤穿过第一CCD相机1-6的中心，沿Yn轴移动的距离记为y1；
步骤5：以光纤轴线为X轴，垂直轴线方向为YZ轴建立光纤坐标系XbYbZb，则光纤坐标系XbYbZb在微动平台XnYnZn坐标系中的姿态可用欧拉角表示为俯仰角θ＝tan-1(z1/x1)，偏航角ψ＝tan-1(y1/x1)，其中光纤沿纤芯方向各向同性，则可认为横滚角
步骤6：计算光纤坐标系XbYbZb到微动平台XnYnZn坐标系的方向余弦变换矩阵
步骤7：根据变换矩阵
可通过微动平台精确控制光纤纤芯的位置按照设计的加工轨迹进行移动。如为了控制光纤沿轴线平移xb0，则在XbYbZb坐标系下原始平移向量为Ab0＝(xb0 0 0)T，转换到微动平台XnYnZn坐标系后的平移向量为
微动平台只需按照Bn0向量进行移动便可控制光纤沿轴线平移xb0。
放置完光纤，得到光纤姿态后就可以进行光栅的刻写。刻写轨迹的俯视图如图3所示，其中3-1为光纤涂覆层，3-2为纤芯包层，3-3为光纤纤芯，纤芯直径为d。3-5与3-4为激光焦点在纤芯内的运动轨迹，在3-5区域打开激光快门进行刻写，长度为d/2，在3-4区域关闭激光快门，3-4区域的长度决定了光栅刻写的周期。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：
其中包括全反射镜(1-1)、激光器(1-2)、宽带光源(1-3)、光谱分析仪(1-4)、耦合器(1-5)、第一CCD相机(1-6)与第二CCD相机(1-14)、二向色镜(1-7)、第一聚焦物镜(1-8)与第二聚焦物镜(1-12)、光纤夹具和平台(1-13)，平台(1-13)为三轴微动平台；
激光器(1-2)出射的激光经过全反射镜(1-1)后进入二向色镜(1-7)，然后经过第一聚焦物镜(1-8)聚焦到光纤(1-10)中；平台(1-13)能够在XYZ三轴分别进行nm级移动，光纤夹具固定在平台(1-13)上，用于夹持光纤(1-10)；
第一CCD相机(1-6)用于观测焦点与光纤(1-10)在XY平面上的相对位置，第二聚焦物镜(1-12)与第二CCD相机(1-14)一起用于观测焦点与光纤(1-10)在XZ平面上的相对位置；
宽带光源(1-3)、光谱分析仪(1-4)与耦合器(1-5)用于在刻写过程中对光栅的反射谱进行实时监控；宽带光源(1-3)的光经过耦合器(1-5)之后进入光纤(1-10)，光纤(1-10)中的光栅将宽带光源(1-3)的光反射后经过耦合器(1-5)进入光谱分析仪(1-4)，实时监测到待刻写光栅的反射谱。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：所述激光器(1-2)出射的激光波长为515、257或1030nm，脉冲频率为1kHz到200kHz范围内能够调节，最小脉宽为50fs，单脉冲最大能量为500uJ。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：第一聚焦物镜(1-8)放大倍数80-100，数值孔径为1.1-1.25，油浸液体的折射率与光纤相近，第二聚焦物镜(1-12)放大倍数80-100。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：所述耦合器(1-5)使用50比50的一分二耦合器。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：所述激光器(1-2)出射的激光功率内部能够调节。
6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：第一聚焦物镜(1-8)为油浸物镜，油浸液体的折射率与光纤相近，第二聚焦物镜(1-12)非油浸。
7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的装置，其特征在于：还包括LED照明光源(1-15)，LED照明光源(1-15)分别为第二CCD相机(1-14)与第一CCD相机(1-6)提供视场光源。
8.一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于，利用权利要求1至7任意一项所述装置在放置光纤(1-10)后测量并计算光纤姿态信息，飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法包括如下步骤：
步骤1：将待加工光纤放置在光纤夹具，以平台(1-13)的三轴XYZ建立坐标系XnYnZn，放置完光纤后，由CCD相机观测光纤在XnYn平面与XnZn平面的初始位置；
步骤2：控制平台(1-13)将光纤(1-10)沿Zn轴运动到穿过第二CCD相机(1-14)的中心位置，同时沿Yn轴运动到光纤(1-10)穿过第一CCD相机(1-6)的中心位置；
步骤3：控制平台(1-13)沿Xn轴移动长度为x1的距离，移动后光纤(1-10)刚好经过坐标XnYnZn中心；
步骤4：控制平台(1-13)沿Zn轴移动到光纤(1-10)穿过第二CCD相机(1-14)的中心，移动后光纤(1-10)刚好经过坐标XnYnZn中心，沿Zn轴移动的距离记为z1；同时沿Yn轴移动光纤穿过第一CCD相机(1-6)的中心，沿Yn轴移动的距离记为y1；
步骤5：以光纤轴线为X轴，垂直轴线方向为YZ轴建立光纤坐标系XbYbZb，则光纤坐标系XbYbZb在微动平台XnYnZn坐标系中的姿态用欧拉角表示为俯仰角θ＝tan-1(z1/x1)，偏航角ψ＝tan-1(y1/x1)，其中光纤沿纤芯方向各向同性，横滚角
步骤6：计算光纤坐标系XbYbZb到微动平台XnYnZn坐标系的方向余弦变换矩阵
步骤7：根据变换矩阵
微动平台精确控制光纤纤芯的位置按照设计的加工轨迹进行移动；
放置完光纤，得到光纤姿态后进行光栅的刻写，加工过程中激光焦点位置不变，通过移动光纤(1-10)位置改变焦点在光纤(1-10)的位置。
9.根据权利要求8所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于：所述光纤夹具为第一光纤夹具(1-9)与第二光纤夹具(1-11)。
10.根据权利要求8所述的一种飞秒激光制备布拉格光纤光栅的方法，其特征在于：全反射镜(1-1)为若干个，激光器(1-2)为飞秒激光器。
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