CN114019603B - 具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法，针对现有光纤光栅刻写方法无法在线精密测量与控制刻写参数导致的光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低的问题，提出了一种兼具短周期与长周期光纤光栅刻写模式的高效精密智能刻写系统及方法。在光栅刻写之前，能够结合自准直仪、光谱仪与电控多维组合台实现光纤水平度的高精度标定与调整，能够快速切换刻写模式；在光栅刻写过程中，计算机能够根据测得的刻写参数智能调节电控旋转台转动紫外反射镜、调节电控多维组合台高度优化刻写参数。与现有方法相比，本发明提出的方法能够保障刻写的光纤光栅的光学性能，提升光纤光栅刻写的智能化水平与批量生产效率。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅制造领域，具体涉及一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法。
背景技术
光纤光栅能够对激光进行纵模调制，因此光纤光栅不仅可以作为光纤激光器谐振腔的腔镜起到振荡选频的作用，还可以通过光栅的特殊结构对非线性效应产生的纵模恶化现象进行抑制，并且其具有的全兼容于光纤的特点使基于光纤光栅技术的高功率激光非线性效应抑制方法成为目前最有效的解决途径。2009年，德国耶拿大学首次提出可以将长周期光纤光栅（LPFG）应用于光纤激光器中实现受激拉曼散射（SRS）效应的抑制，并对该方法的可行性进行了理论分析。2018年，国防科技大学在PS-GDF-20/400-M光纤上成功实现了啁啾倾斜光纤光栅（CTFBG）的刻写，并首次将CTFBG应用于光纤激光器中抑制SRS效应。2019年，南京理工大学攻克了基于光纤光栅的高功率光纤激光器SRS抑制技术，成功研制出了具有抑制SRS功能的kW级CTFBG。2020年，南京理工大学在LMA-GDF-10/130-M光纤和LMA-GDF-14/250-M光纤刻写了LPFG，并在kW级MOPA光纤激光器的种子源和放大级中分别利用10/130和14/250的LPFG实现了SRS效应的抑制。2021年，南京理工大学在kW级MOPA光纤激光器的种子源利用相移长周期光纤光栅实现了非线性折射效应的抑制，优化了激光输出光谱线宽。
抑制非线性效应的光纤光栅因其良好的抑制效果与全兼容于光纤的特性在科研院所与产业界需求较大。基于相位掩模板的紫外扫描刻写技术是目前布拉格光纤光栅刻写应用最为广泛的方法，具体原理为：紫外激光通过相位掩模板时会发生衍射，衍射所产生的正负一级光发生干涉并形成明暗不一的干涉条纹，所产生的干涉条纹对具有良好光敏性的光纤进行曝光处理，使得纤芯的折射率产生周期性扰动，最终形成光栅。但是目前用于抑制非线性效应的光纤光栅制作的基于相位掩模板的紫外扫描刻写技术缺乏刻写参数的闭环控制手段，导致光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低，无法满足科研院所与产业界的较大需求，具体问题如下：紫外反射镜在紫外刻写激光长期照射下出现的膜系损伤点会导致紫外激光能量分布偏离理想的基模高斯光束，光纤轴向与刻写光扫描方向的偏移会导致激光焦斑成栅位置偏离纤芯，每次架取光纤的操作会影响光纤的水平度从而导致光纤与相位掩模板之间夹角变化。因此为了保障刻写出的光纤光栅的光学性能，并提升刻写的智能化程度，急需一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于针对目前刻写系统因缺乏短周期/长周期刻写模式自动切换、光纤水平度高精度标定、紫外激光能量分布与激光焦斑成栅位置的在线精密测量与闭环控制导致的光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低的问题，提出了一种兼具短周期与长周期光纤光栅刻写模式的高效精密智能刻写系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，在中国人民解放军国防科技大学提出的切趾光纤光栅刻写系统的基础上，将聚焦柱透镜替换为非球面镜片，将三维手动线位移平台替换为电控多维组合台，同时增加了第二高精度电动平移台、自由曲面镜片、合成石英楔板、紫外激光能量分布在线测量模块、电控倾斜台、自准直仪、可见光CCD、电控旋转台、荧光板、精密电控升降台、电控快门。紫外激光器发出的紫外激光经过电控快门后被紫外反射镜反射，经过非球面镜片后被合成石英楔板分为刻写光与待测光，刻写光聚焦至相位掩模板，最终曝光于光纤，待测光进入紫外激光能量分布在线测量模块。第一高精度电动平移台与紫外反射镜结合控制刻写光扫描光纤形成光纤光栅，电控快门控制刻写激光通断。电控倾斜台与精密电控升降台位于相位掩模板下方，自准直仪位于光纤支架侧方，可见光CCD位于相位掩模板侧方，光纤熔接于光谱参数在线测量系统，紫外反射镜装夹于电控旋转台，电控多维组合台位于光纤支架下方，荧光板位于刻写光经过光纤的延长线上，计算机能够获取紫外CCD、自准直仪、可见光CCD、光谱仪的数据，能够控制第一高精度电动平移台、第二高精度电动平移台、电控倾斜台、电控多维组合台、精密电控升降台、电控快门的状态。
进一步地，所述的具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，紫外激光能量分布在线测量模块包括反射型滤光片、紫外扩束镜、光阑、紫外衰减片、紫外CCD、暗室系统。所述待测光经过两个反射型滤光片衰减后入射至紫外扩束镜，所述光阑中心对准紫外扩束镜轴心，待测光经过光阑与两个紫外衰减片后入射紫外CCD。所述紫外扩束镜、光阑、紫外衰减片、紫外CCD均在暗室系统内。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，光谱参数在线测量系统包括光纤光栅、光纤支架、ASE光源、环形器、第一模场匹配器、第二模场匹配器、光谱仪，所述光纤光栅固定于光纤支架，光纤支架固定于电控多维组合台。通过环形器和第一模场匹配器将ASE光源发出的光耦合进光纤光栅，再经第二模场匹配器耦合后进入光谱仪可测得光纤光栅的透射谱，将环形器剩余的一端接入光谱仪可测得光纤光栅的反射谱。
一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，利用所述的种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统进行刻写，步骤如下：
步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器的功率，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求。
步骤2、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统，并将上述光纤架于光纤支架。
步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处。
步骤4、选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式。
步骤5、完成刻写前准备工作。
步骤6、开始刻写，刻写过程中，电控快门依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机实时接收紫外CCD、可见光CCD、光谱参数在线测量系统的测量数据并实时分析，对紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台旋转紫外反射镜、优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD获取的荧光板处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处。
步骤7、将刻写完成的光纤光栅取出。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，步骤1中所述的自动调节紫外激光能量分布，计算机能够实时计算紫外CCD采集到的紫外待测光图像与标准高斯光束图像的结构相似度，若结构相似度大于0.6，即紫外待测光能量分布均匀性满足光栅刻写需求，则不发出指令，否则自动控制电控旋转台旋转紫外反射镜优化紫外激光能量分布。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，
步骤3中所述的自动调节激光焦斑成栅位置，所述计算机能够实时计算可见光CCD实时采集到的荧光板处的紫外曝光质心位置A与理想位置B之间的像素距离AB，若AB≤500，即激光焦斑成栅位置位于光纤光栅纤芯处，则不发出指令，若AB>500则自动调整电控多维组合台高度直到AB≤500，从而在线优化激光焦斑成栅位置。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，步骤4所述的选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式，选择短周期刻写模式后，所述计算机控制第二高精度电动平移台将非球面镜片移入刻写光、控制精密电控升降台上升将相位掩模板移入刻写光。选择长周期刻写模式后，所述计算机控制第二高精度电动平移台将自由曲面镜片移入刻写光、控制精密电控升降台下降将相位掩模板移出刻写光。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，步骤5中所述的完成刻写前准备工作，选择短周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-1、调节相位掩模板位姿，保证入射紫外激光与相位掩模板入射面垂直。
步骤5-2、调节电控多维组合台保证光纤贴近相位掩模板，但两者不接触。
步骤5-3、高精度标定光纤水平度。
步骤5-4、所述计算机控制电控倾斜台将相位掩模板旋转指定的角度。
步骤5-5、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统并架于光纤支架，调节电控多维组合台保证光纤贴近相位掩模板，但两者不接触。
步骤5-6、自动调整光纤水平度。
步骤5-7、设置第一高精度电动平移台的始末位置与移动速度。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，所述步骤5-3中的高精度标定光纤水平度，具体如下：用光谱仪测量刻写的布拉格光栅光谱，若光谱中心波长与标准布拉格光栅光谱中心波长差小于0.03nm，则判定光纤水平，此时，调整自准直仪使其出射光与被光纤支架侧面反射的回光夹角小于10″，然后取下布拉格光栅，完成光纤水平度的高精度标定。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，所述步骤5-6中的自动调整光纤水平度，具体如下：计算机根据自准直仪测到的偏移夹角自动调节电控多维组合台直到该夹角小于10''，完成光纤水平度的自动调整。
进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，所述步骤5中所述的完成刻写前准备工作，选择长周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-A、自动调整光纤水平度。
步骤5-B、设置第一高精度电动平移台的起始位置、移动速度、步长、移动次数、每个点暂停时间。
步骤4中，所述的选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式，所述非球面镜片直径为40mm、曲率常数为-0.8、曲率半径为253mm，能够在消去球差的同时对激光光斑进行纵向压缩，使得最终刻写时更多的能量聚焦于光纤纤芯，提升纤芯处的折射率扰动以及成栅的均匀性，进而提升光纤光栅的刻写效率。所述自由曲面镜片直径为40mm、曲率半径为253mm、Zernike系数中Z4项为0.23、Z8项为0.2，能够在消像散与球差的同时将激光光斑纵向与横向压缩至200μm以下，相比于短周期光纤光栅刻写时增加了对光斑的横向压缩。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）现有技术无法实现短周期/长周期光纤光栅刻写模式的自动切换。而本发明可以根据刻写人员选择的短周期/长周期光纤光栅刻写模式控制第二高精度电动平移台将非球面/自由曲面镜片移入刻写光，控制精密电控升降台上升/下降相位掩模板从而移入/移出刻写光，从而快速自动切换短周期/长周期光纤光栅刻写模式。
（2）现有技术无法实现紫外刻写激光能量分布的在线测量与控制。而本发明可以利用分束与衰减相结合的方法实现了光纤光栅刻写过程中对刻写紫外激光能量分布的在线测量，并且首创了旋转紫外反射镜优化紫外激光能量分布的方法，解决了因紫外激光入射至紫外反射镜膜系损伤点造成的激光能量分布不均所导致的光纤光栅刻写质量问题。
（3）现有技术无法实现激光焦斑成栅位置的在线测量与控制。而本发明能够利用算法对可见光CCD采集到的荧光板处紫外曝光信息进行处理从而得到激光焦斑成栅位置信息，并且采用本发明得到的激光焦斑成栅位置信息准确，因此计算机能够针对可见光CCD采集到的信息控制电控多维组合台高度使得激光焦斑成栅位置位于光纤光栅纤芯处，从而解决因曝光位置偏离纤芯导致的光纤光栅刻写质量问题。
（4）现有技术无法实现光纤水平度的高精度标定与调整。而本发明首次将布拉格光栅标准光谱与光纤水平度的标定相结合，且光谱仪0.02nm的测量分辨率保障了光纤水平度的高精度标定。自准直仪的测量精度为±1″，能够保障光纤水平度的高精度调整。
（5）现有技术在批量刻写光纤光栅的过程中需要人为观察并调整。而本发明能够在线精密闭环控制刻写参数，智能水平更高，这能够大大提升光纤光栅的批量生产效率。
附图说明
图1为用于解释说明本发明提出的方法的光纤光栅精密刻写系统示意图。
图2为本发明一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法的流程图。
图3为本发明中光纤水平度高精度自动调整的流程图。
图4为本发明中紫外激光能量分布在线测量与闭环控制的流程图。
图5为本发明中激光焦斑成栅位置在线测量与闭环控制的流程图。
图6为本发明在实施例1中的应用效果图。
图7为本发明在实施例2中的应用效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施案例方法仅用于说明和解释本发明案例，并不用于限制本发明实施例。
本发明所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，如图1所示，在中国人民解放军国防科技大学提出的切趾光纤光栅刻写系统（公开号CN106249348A）的基础上，将聚焦柱透镜替换为非球面镜片5，将三维手动线位移平台替换为电控多维组合台15，同时增加了第二高精度电动平移台4、自由曲面镜片6、合成石英楔板7、紫外激光能量分布在线测量模块8、电控倾斜台9、自准直仪11、可见光CCD12、光谱参数在线测量系统13、电控旋转台14、荧光板16、精密电控升降台17、电控快门18。紫外激光器1发出的紫外激光（功率约100mW，波长213nm）经过电控快门18后被紫外反射镜3反射，经过非球面镜片5后被合成石英楔板7（合成石英楔板7在213nm波段处的透过率约为95%，反射率约为5%，能够在不影响光纤光栅刻写的同时对紫外激光进行在线测量）分为刻写光与待测光，刻写光聚焦至相位掩模板10，最终曝光于光纤，待测光进入紫外激光能量分布在线测量模块8。第一高精度电动平移台2与紫外反射镜3结合控制刻写光扫描光纤形成光纤光栅13-1，电控快门18控制刻写激光通断。电控倾斜台9与精密电控升降台17位于相位掩模板下方，自准直仪11位于光纤支架13-2侧方，可见光CCD12位于相位掩模板10侧方，光纤熔接于光谱参数在线测量系统13（Jiao K R, Shu J, Shen Hua, et al. Fabrication of kW-levelchirped andtilted fiber Bragg gratings and filtering of stimulated Raman scattering inhigh-power CW oscillators[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2019,7:e31），紫外反射镜3装夹于电控旋转台14，电控多维组合台15位于光纤支架13-2下方，荧光板16位于刻写光经过光纤的延长线上，计算机19能够获取紫外CCD8-5、自准直仪11、可见光CCD12、光谱仪13-7的数据，能够控制第一高精度电动平移台2、第二高精度电动平移台4、电控倾斜台9、电控多维组合台15、精密电控升降台17、电控快门18的状态。
进一步地，所述紫外激光能量分布在线测量模块8包括反射型滤光片8-1、紫外扩束镜8-2、光阑8-3、紫外衰减片8-4、紫外CCD8-5、暗室系统8-6。所述待测光经过两个反射型滤光片8-1衰减后入射至紫外扩束镜8-2，所述光阑8-3中心对准紫外扩束镜8-2轴心，待测光经过光阑与两个紫外衰减片8-4后入射紫外CCD8-5。所述紫外扩束镜8-2、光阑8-3、紫外衰减片8-4、紫外CCD8-5均在暗室系统8-6内。其中，所述反射型滤光片8-1对45°入射的紫外光反射率约为12%，并且起到了折转光路的作用，避免了测量光路与紫外激光器重合。所述紫外衰减片8-4有两个，集成于紫外CCD，紫外透过率约为1.4%。所述紫外CCD8-5的饱和光强为0.97μW/cm2，最低可响应光强为1.2nW/cm2。所述紫外激光器1高达105mW的输出激光经过合成石英楔板7的分束、两个反射型滤光片8-1的衰减折转与两个紫外衰减片8-4的衰减，入射至紫外CCD8-5的光强约为4.7nW/cm2，因此能够保证紫外CCD8-5对紫外激光能量分布的低损耗探测。所述暗室系统8-6实现了紫外扩束镜8-2、光阑8-3与紫外CCD8-5集成化，并且解决了背景光过强导致的紫外CCD8-5对微弱待测光无响应的问题，保障了对衰减后微弱待测光的探测效果。
进一步地，所述光谱参数在线测量系统13包括光纤光栅13-1、光纤支架13-2、ASE光源13-3、环形器13-4、第一模场匹配器13-5、第二模场匹配器13-6、光谱仪13-7，所述光纤光栅13-1固定于光纤支架13-2，光纤支架13-2固定于电控多维组合台15。通过环形器13-4和第一模场匹配器13-5将ASE光源13-3发出的光耦合进光纤光栅13-1，再经第二模场匹配器13-6耦合后进入光谱仪13-7可测得光纤光栅13-1的透射谱，将环形器13-4剩余的一端接入光谱仪13-7可测得光纤光栅13-1的反射谱。
一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，如图2所示，利用上述具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统进行刻写，步骤如下：
步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器1的功率，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求。
所述自动调节紫外激光能量分布，结合图4，计算机19能够实时计算标准高斯光束图像与紫外CCD8-5采集到的待测光图像的结构相似度，若结构相似度大于0.6，即紫外待测光能量分布均匀性满足光栅刻写需求，则不发出指令，否则自动控制电控旋转台14旋转紫外反射镜3优化紫外激光能量分布，解决了现有刻写系统因紫外激光入射至紫外反射镜膜系损伤点造成的激光能量分布不均所导致的光纤光栅刻写质量问题。
步骤2、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统13，并将上述光纤架于光纤支架13-2。
步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处。
所述的自动调节激光焦斑成栅位置，所述计算机19能够实时计算可见光CCD12实时采集到的荧光板16处的紫外曝光质心位置A与理想位置B之间的像素距离AB，若AB≤500，即激光焦斑成栅位置位于光纤光栅纤芯处，则不发出指令，若AB>500则自动调整电控多维组合台15高度直到AB≤500，从而在线优化激光焦斑成栅位置。
步骤4、操作人员选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式。
操作人员选择短周期光纤光栅刻写模式后，能够自动切换至短周期光纤光栅刻写模式，具体如下：所述计算机19控制第二高精度电动平移台4将非球面镜片5移入刻写光、控制精密电控升降台17上升将相位掩模板10移入刻写光；操作人员选择长周期光纤光栅刻写模式后，能够自动切换至短周期光纤光栅刻写模式，具体如下：所述计算机19控制第二高精度电动平移台4将自由曲面镜片6移入刻写光、控制精密电控升降台17下降将相位掩模板10移出刻写光。
步骤5、完成刻写前准备工作：
当操作人员选择短周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-1、调节相位掩模板10位姿，保证入射紫外激光与相位掩模板10入射面垂直。
步骤5-2、调节电控多维组合台15保证光纤贴近相位掩模板10，但两者不接触。
步骤5-3、高精度标定光纤水平度，具体如下：用光谱仪13-7测量刻写的布拉格光栅光谱，若光谱中心波长与标准布拉格光栅光谱中心波长差小于0.03nm，则判定光纤水平，此时，调整自准直仪11使其光路完全垂直于光纤支架13-2侧面，然后取下布拉格光栅，完成光纤水平度的高精度标定。
步骤5-4、所述计算机19控制电控倾斜台9将相位掩模板10旋转指定的角度。
步骤5-5、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统13并架于光纤支架13-2，调节电控多维组合台15保证光纤贴近相位掩模板10，但两者不接触。
步骤5-6、自动调整光纤水平度，具体如下：计算机19根据自准直仪11接收到的回光信息自动调节电控多维组合台15控制光纤支架13-2侧面与自准直仪11光路完全垂直，完成光纤水平度的自动调整。
步骤5-7、设置第一高精度电动平移台2的始末位置与移动速度。
当操作人员选择长周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-A、自动调整光纤水平度。
步骤5-B、设置第一高精度电动平移台2的起始位置、移动速度、步长、移动次数、每个点暂停时间。
步骤6、开始刻写，刻写过程中，电控快门18依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机19实时接收紫外CCD8-5、可见光CCD12、光谱参数在线测量系统13的测量数据并实时分析，对紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台14旋转紫外反射镜3、优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD12获取的荧光板16处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台15的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处。
所述紫外激光器1提供刻写光源，第一高精度电动平移台2（具有纳米级定位精度，扫描速度、起止位置与步长等参数均可根据光纤光栅的设计参数来设置）与紫外反射镜3结合控制刻写激光扫描光纤成栅，电控快门18能够控制紫外激光的通断，在短周期光纤光栅刻写模式下，第一高精度电动平移台2移动时电控快门打开（紫外激光通），第一高精度电动平移台2暂停时电控快门关闭（紫外激光断），在长周期光纤光栅刻写模式下，第一高精度电动平移台2暂停时时电控快门打开（紫外激光通），第一高精度电动平移台2移动时电控快门关闭（紫外激光断）。
步骤7、将刻写完成的光纤光栅13-1取出。
所述非球面镜片5直径为40mm、曲率常数为-0.8、曲率半径为253mm，能够在消去球差的同时对激光光斑进行纵向压缩，使得最终刻写时更多的能量聚焦于光纤纤芯，提升纤芯处的折射率扰动以及成栅的均匀性，进而提升光纤光栅的刻写效率；所述自由曲面镜片6直径为40mm、曲率半径为253mm、Zernike系数中Z4项为0.23、Z8项为0.2，能够在消像散与球差的同时将激光光斑纵向与横向压缩至200μm以下，相比于短周期光纤光栅刻写时增加了对光斑的横向压缩。这是因为本系统是对剥去涂覆层的光纤进行逐点曝光从而刻写出长周期光纤光栅的，而具有抑制非线性效应功能的长周期光纤光栅的周期在400μm左右，如果不对激光光斑进行横向压缩则会导致相邻的曝光点之间发生交叠，从而无法在纤芯处形成有效的周期性折射率扰动，无法实现长周期光纤光栅的刻写。
下面列举两个实施例分别说明和解释具有抑制非线性效应功能的短周期光纤光栅与长周期光纤光栅的刻写。
实施例1
本发明实施例1利用一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法制作应用于1080nm光纤激光器中抑制受激拉曼散射效应的短周期光纤光栅，结合图2，方法步骤如下：
步骤1、根据该种光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器1的功率为105mW，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求（具体流程如图4所示）。
步骤2、将经过载氢预处理的光纤（Nufern公司LMA-GDF-20/400-HP-M）熔接于光谱参数在线测量系统13，并将上述光纤架于光纤支架13-2。
步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处（具体流程如图5所示）。
步骤4、操作人员选择短周期光纤光栅刻写模式。
所述计算机19控制第二高精度电动平移台4将非球面镜片5移入刻写光、控制精密电控升降台17上升将将最小周期785nm、啁啾率1.5nm/cm的相位掩模板10移入刻写光；
步骤5、完成刻写前准备工作。
步骤6、开始刻写，刻写过程中电控快门18依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机19实时接收紫外CCD8-5、可见光CCD12、光谱参数在线测量系统13的测量数据并实时分析，对紫外CCD8-5获取的紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台14旋转紫外反射镜3，优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD12获取的荧光板16处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台15的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处。
步骤7、将刻写完成的光纤光栅13-1取出。
进一步地，所述步骤5中所述的完成刻写前准备工作，在短周期光纤光栅刻写模式下，具体步骤为：
步骤5-1、调节相位掩模板10位姿，保证入射紫外激光与相位掩模板10入射面垂直。
步骤5-2、调节电控多维组合台15保证光纤贴近相位掩模板10，但两者不接触。
步骤5-3、高精度标定光纤水平度。
设置第一高精度电动平移台2扫描起始位置为-20mm，结束位置为20mm，移动速度为0.003mm/s，刻写一根高反布拉格光栅，测量刻写的光栅光谱，若光谱中心波长与标准布拉格光栅光谱中心波长差小于0.03nm，则判定光纤水平，此时，调整自准直仪11使其光路完全垂直于光纤支架13-2侧面，然后取下布拉格光栅，完成光纤水平度的高精度标定。
进一步地，本实施例使用的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法的诸多特征与发明内容中相同，不再赘述。
步骤5-4、所述计算机19控制电控倾斜台9将相位掩模板10旋转2.7°。
步骤5-5、将经过载氢预处理的光纤（Nufern公司LMA-GDF-20/400-HP-M）熔接于光谱参数在线测量系统13并架于光纤支架13-2，调节电控多维组合台15保证光纤贴近相位掩模板10，但两者不接触。
步骤5-6、自动调整光纤水平度（具体流程如图3所示）。
步骤5-7、设置第一高精度电动平移台2扫描起始位置为-20mm，结束位置为20mm，移动速度为0.002mm/s。
结合图6，采用本发明提出的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法制作的应用于1080nm光纤激光器中抑制受激拉曼散射效应的短周期光纤光栅的图谱特性相比于过去开环型精密刻写方法刻写的该种短周期光纤光栅具有反射率更高、成品率更高的优势。除此之外，在短周期光纤光栅刻写模式下，该种光纤光栅的后续批量刻写可以跳过步骤1至步骤4、步骤5-1至步骤5-4。剩余步骤中，除去步骤5-5、步骤5-7与步骤7是手动操作之外，其余步骤均可实现自动化，因此自动化程度也更高。
实施例2
本发明实施例2利用一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法制作应用于1080nm光纤激光器中抑制非线性折射效应的相移长周期光纤光栅，结合图2，方法步骤如下：
步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器1的功率为35mW，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求（具体流程如图4所示）。
步骤2、将经过载氢预处理的光纤（Nufern公司LMA-GDF-10/125-HP-M）熔接于光谱参数在线测量系统13，并将上述光纤架于光纤支架13-2。
步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处（具体流程如图5所示）。
步骤4、操作人员选择长周期光纤光栅刻写模式。
步骤5、完成刻写前准备工作。
在长周期光纤光栅刻写模式下，结合图1，具体步骤为：
步骤5-A、自动调整光纤水平度（具体流程如图3所示）。
步骤5-B、设置第一高精度电动平移台2的起始位置为-60mm、移动次数为240次，移动速度为2mm/s，步长为0.488mm，每个点暂停时间40秒，第120次移动距离为0.732mm。这样在自动刻写过程中，第一高精度电动平移台2暂停时电控快门打开曝光40秒，第一高精度电动平移台2移动到下一点的过程中电控快门关闭，重复此过程120次后移动0.732mm，而后再重复此过程120次。
进一步地，本实施例使用的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法的诸多特征与发明内容中相同，不再赘述。
步骤6、开始刻写，刻写过程中电控快门18依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机19实时接收紫外CCD8-5、可见光CCD12、光谱参数在线测量系统13的测量数据并实时分析，对紫外CCD8-5获取的紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台14旋转紫外反射镜3，优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD12获取的荧光板16处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台15的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处。
步骤7、将刻写完成的光纤光栅13-1取出。
进一步地，结合图7，采用本发明提出的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法制作的应用于1080nm光纤激光器中抑制非线性折射效应的相移长周期光纤光栅的图谱特性相比于过去开环型精密刻写方法刻写的该种长周期光纤光栅具有阻带反射率更高、成品率更高的优势。除此之外，在短周期光纤光栅刻写模式下，该种光纤光栅的后续批量刻写可以跳过步骤1、步骤3至步骤5。剩余步骤中，除去步骤2、步骤5-B与步骤7是手动操作之外，其余步骤均可实现自动化，因此自动化程度也更高。
Claims (9)
1.一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，其特征在于：光纤光栅精密刻写系统为切趾光纤光栅刻写系统，包括非球面镜片(5)、电控多维组合台(15)，还包括第二高精度电动平移台(4)、自由曲面镜片(6)、合成石英楔板(7)、紫外激光能量分布在线测量模块(8)、电控倾斜台(9)、自准直仪(11)、可见光CCD(12)、电控旋转台(14)、荧光板(16)、精密电控升降台(17)、电控快门(18)；紫外激光器(1)发出的紫外激光经过电控快门(18)后被紫外反射镜(3)反射，经过非球面镜片(5)后被合成石英楔板(7)分为刻写光与待测光，刻写光聚焦至相位掩模板(10)，最终曝光于光纤，待测光进入紫外激光能量分布在线测量模块(8)；第一高精度电动平移台(2)与紫外反射镜(3)结合控制刻写光扫描光纤形成光纤光栅(13-1)，电控快门(18)控制刻写激光通断；电控倾斜台(9)与精密电控升降台(17)位于相位掩模板下方，自准直仪(11)位于光纤支架(13-2)侧方，可见光CCD(12)位于相位掩模板(10)侧方，光纤熔接于光谱参数在线测量系统(13)，紫外反射镜(3)装夹于电控旋转台(14)，电控多维组合台(15)位于光纤支架(13-2)下方，荧光板(16)位于刻写光经过光纤的延长线上，计算机(19)能够获取紫外CCD(8-5)、自准直仪(11)、可见光CCD(12)、光谱仪(13-7)的数据，能够控制第一高精度电动平移台(2)、第二高精度电动平移台(4)、电控倾斜台(9)、电控多维组合台(15)、精密电控升降台(17)、电控快门(18)的状态；
根据选择的短周期或长周期光纤光栅刻写模式控制第二高精度电动平移台(4)将非球面镜片(5)或自由曲面镜片(6)移入刻写光，控制精密电控升降台(17)上升或下降相位掩模板(10)从而移入或移出刻写光，从而快速自动切换短周期或长周期光纤光栅刻写模式；
所述紫外激光能量分布在线测量模块(8)包括反射型滤光片(8-1)、紫外扩束镜(8-2)、光阑(8-3)、紫外衰减片(8-4)、紫外CCD(8-5)、暗室系统(8-6)；所述待测光经过两个反射型滤光片(8-1)衰减后入射至紫外扩束镜(8-2)，所述光阑(8-3)中心对准紫外扩束镜(8-2)轴心，待测光经过光阑与两个紫外衰减片(8-4)后入射紫外CCD(8-5)；所述紫外扩束镜(8-2)、光阑(8-3)、紫外衰减片(8-4)、紫外CCD(8-5)均在暗室系统(8-6)内；
所述光谱参数在线测量系统(13)包括光纤光栅(13-1)、光纤支架(13-2)、ASE光源(13-3)、环形器(13-4)、第一模场匹配器(13-5)、第二模场匹配器(13-6)、光谱仪(13-7)，所述光纤光栅(13-1)固定于光纤支架(13-2)，光纤支架(13-2)固定于电控多维组合台(15)；通过环形器(13-4)和第一模场匹配器(13-5)将ASE光源(13-3)发出的光耦合进光纤光栅(13-1)，再经第二模场匹配器(13-6)耦合后进入光谱仪(13-7)可测得光纤光栅(13-1)的透射谱，将环形器(13-4)剩余的一端接入光谱仪(13-7)可测得光纤光栅(13-1)的反射谱。
2.一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，利用权利要求1中所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统进行刻写，步骤如下：
步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器(1)的功率，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求；
步骤2、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统(13)，并将上述光纤架于光纤支架(13-2)；
步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处；
步骤4、选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式；
步骤5、完成刻写前准备工作；
步骤6、开始刻写，刻写过程中，电控快门(18)依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机(19)实时接收紫外CCD(8-5)、可见光CCD(12)、光谱参数在线测量系统(13)的测量数据并实时分析，对紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台(14)旋转紫外反射镜(3)、优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD(12)获取的荧光板(16)处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台(15)的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处；
步骤7、将刻写完成的光纤光栅(13-1)取出。
3.根据权利要求2所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤1中所述的自动调节紫外激光能量分布，计算机(19)能够实时计算紫外CCD(8-5)采集到的紫外待测光图像与标准高斯光束图像的结构相似度，若结构相似度大于0.6，即紫外待测光能量分布均匀性满足光栅刻写需求，则不发出指令，否则自动控制电控旋转台(14)旋转紫外反射镜(3)优化紫外激光能量分布。
4.根据权利要求3所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤3中所述的自动调节激光焦斑成栅位置，所述计算机(19)能够实时计算可见光CCD(12)实时采集到的荧光板(16)处的紫外曝光质心位置A与理想位置B之间的像素距离AB，若AB≤500，即激光焦斑成栅位置位于光纤光栅纤芯处，则不发出指令，若AB>500则自动调整电控多维组合台(15)高度直到AB≤500，从而在线优化激光焦斑成栅位置。
5.根据权利要求4所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤4所述的选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式，其特征在于，选择短周期刻写模式后，所述计算机(19)控制第二高精度电动平移台(4)将非球面镜片(5)移入刻写光、控制精密电控升降台(17)上升将相位掩模板(10)移入刻写光；选择长周期刻写模式后，所述计算机(19)控制第二高精度电动平移台(4)将自由曲面镜片(6)移入刻写光、控制精密电控升降台(17)下降将相位掩模板(10)移出刻写光。
6.根据权利要求5所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤5中所述的完成刻写前准备工作，选择短周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-1、调节相位掩模板(10)位姿，保证入射紫外激光与相位掩模板(10)入射面垂直；
步骤5-2、调节电控多维组合台(15)保证光纤贴近相位掩模板(10)，但两者不接触；
步骤5-3、高精度标定光纤水平度；
步骤5-4、所述计算机(19)控制电控倾斜台(9)将相位掩模板(10)旋转指定的角度；
步骤5-5、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统(13)并架于光纤支架(13-2)，调节电控多维组合台(15)保证光纤贴近相位掩模板(10)，但两者不接触；
步骤5-6、自动调整光纤水平度；
步骤5-7、设置第一高精度电动平移台(2)的始末位置与移动速度。
7.根据权利要求6所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于：
所述步骤5-3中的高精度标定光纤水平度，具体如下：用光谱仪(13-7)测量刻写的布拉格光栅光谱，若光谱中心波长与标准布拉格光栅光谱中心波长差小于0.03nm，则判定光纤水平，此时，调整自准直仪(11)使其出射光与被光纤支架(13-2)侧面反射的回光夹角小于10”，然后取下布拉格光栅，完成光纤水平度的高精度标定；
所述步骤5-6中的自动调整光纤水平度，具体如下：计算机(19)根据自准直仪(11)测到的偏移夹角自动调节电控多维组合台(15)直到该夹角小于10”，完成光纤水平度的自动调整。
8.根据权利要求6所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤5中所述的完成刻写前准备工作，选择长周期光纤光栅刻写模式后，具体步骤为：
步骤5-A、自动调整光纤水平度；
步骤5-B、设置第一高精度电动平移台(2)的起始位置、移动速度、步长、移动次数、每个点暂停时间。
9.根据权利要求6所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，步骤4所述的选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式，所述非球面镜片(5)直径为40mm、曲率常数为-0.8、曲率半径为253mm，能够在消去球差的同时对激光光斑进行纵向压缩，使得最终刻写时更多的能量聚焦于光纤纤芯，提升纤芯处的折射率扰动以及成栅的均匀性，进而提升光纤光栅的刻写效率；所述自由曲面镜片(6)直径为40mm、曲率半径为253mm、Zernike系数中Z4项为0.23、Z8项为0.2，能够在消像散与球差的同时将激光光斑纵向与横向压缩至200μm以下，相比于短周期光纤光栅刻写时增加了对光斑的横向压缩。
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| Optical Fiber Tag Based on an Encoded Fiber Bragg Grating Fabricated by Femtosecond Laser;Kaiming Yang 等;《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》;第38卷(第6期);第1474-1479页 * |
| Suppressing stimulated Raman scattering in kW-level continuous-wave MOPA fiber laser based on long-period fiber gratings;KERONG JIAO 等;《Optics Express》;第28卷(第5期);第6048-6063页 * |
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