CN114137654A - 一种环形波导光纤的光栅制备方法及光栅制备监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形波导光纤的光栅制备监测系统，该系统包括：宽谱光源、单模光纤、多模光纤、玻璃毛细管和光谱仪，该系统采用异形结构玻璃毛细管，实现了探测激光从多模光纤的纤芯中低损耗地耦合到环形波导光纤的环带纤芯，进行实现了光栅刻写状态的有效探测；本发明公开了一种环形波导光纤的光栅制备方法，该方法使用紫外光波段具有高透过率的石英玻璃折射率匹配液填充缝隙，消除了环带状纤芯弧形表面对紫外激光的折射作用，使环带纤芯完全处于分布均匀的刻栅激光辐照区域内，从而实现光栅的有效刻制及高质量刻制。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种环形波导光纤的光栅制备方法和光栅制备监测系统。
背景技术
光纤激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、易于热管理等优点，在医疗、遥感、工业加工以及军事领域极具应用前景。为了突破光纤激光功率滞涨瓶颈，近几年研究人员提出了一种新型的光纤结构(L.Xie，et.al，A Smart Ring-doped Fiber Laser withTunable Beam Profile)，即环形波导光纤，该光纤采用环带纤芯将光纤激光模场面积从传统光纤的数百平方微米增大到数千至上万平方微米，有效提高了激光器的非线性效应阈值。虽然环形波导光纤在非线性效应的抑制方面具有显著优势，但该光纤目前还不能进行完整的光栅刻写，因此限制其应用。
目前比较通用的光纤光栅刻写方法是紫外激光相位掩模法，该方法将相位掩模板贴近光纤放置，将紫外光源置于相位掩模板和光纤的一侧，利用紫外激光透过掩模板形成沿光纤轴向方向的衍射条纹，从而使光纤纤芯的折射率形成周期性调制，制成光纤光栅，这种方法对于具有圆柱状中心纤芯的传统光纤来说，即使光纤内的紫外激光分布不均，也能实现纤芯区域的全部覆盖，如图1所示，但对于环形波导光纤，由于环形波导光纤的纤芯结构为靠近光纤外围的筒状结构，因此利用上述方法进行光栅刻写时，有相当大一部分纤芯区域处在紫外激光“阴影区”，不能刻上光栅，如图2所示，环状纤芯上光栅的部分缺失会严重影响信号激光模场分布，并降低出光效率，因此，现有的光纤光栅刻写方式不适用于环形波导光纤。
此外，在光栅刻写过程中，需要通过光谱仪对刻写光栅进行实时监测，根据监测结果及时调整优化光栅刻写工艺参数，如图3所示，现有的光纤光栅刻写系统及监测系统包括：紫外激光源101、反射镜102、凸透镜103、相位掩膜版104、宽谱激光器105、单模光纤I106、光纤107和光谱仪I 108，其中宽谱激光器105作为探测光源，出射光须经由单模光纤I106注入待刻栅的光纤107中，探测到光谱信息后同样经由单模光纤I 106进入光谱仪I108，然而该监测传输光路并不适用于环形波导光纤的光栅刻写在线监测，由于环形波导光纤的纤芯呈环状，而光纤107的纤芯1071为中心圆柱，若采用现有的监测传输光路，则这两种光纤的纤芯在光纤横截面位置上式完全错开的，宽谱光源的探测激光无法从单模光纤纤芯耦合进入环形波导光纤的纤芯中，也就无法监测到光栅刻写状态，因此，传统的光栅监测光路也不适用于环形波导光纤。
因此，为了解决目前光纤光栅刻写方式和光栅刻写监测光路均不适用于环形波导光纤光栅刻写的问题，本专利提出了一种环形波导光纤的光栅制备方法和光栅制备监测系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种环形波导光纤的光栅制备方法和光栅制备监测系统，所述方法能够在环形波导光纤上完整、高效地刻写光栅，所述光栅制备监测系统能够实现环形波导光纤光栅刻写的有效光谱监测。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种环形波导光纤的光栅制备监测系统，所述系统包括：宽谱光源、单模光纤、多模光纤、玻璃毛细管和光谱仪，其中单模光纤、多模光纤和玻璃毛细管均有两段；按光传输的方向，所述宽谱光源、单模光纤、多模光纤、玻璃毛细管、环形波导光纤、玻璃毛细管、多模光纤、单模光纤和光谱仪依次相连；
所述玻璃毛细管为异形结构，其与多模光纤的连接端为实心玻璃结构，实心玻璃结构的直径与多模光纤纤芯直径相等，玻璃毛细管与环形波导光纤的连接端为直径与环形波导光纤环状纤芯直径相同的空腔玻璃圆环状。
优选的，所述单模光纤和多模光纤的包层直径为125um。
优选的，所述单模光纤和多模光纤通过过渡区连接，所述过渡区通过对单模光纤纤芯进行热扩散处理或者对多模光纤进行拉锥处理或者同时对单模光纤纤芯进行热扩散处理和对多模光纤进行拉锥处理而形成。
一种环形波导光纤的光栅制备方法，所述方法包括：
S1：将待刻写的环形波导光栅进行增敏处理，并剥除其涂覆层并进行清洁；
S2：将环形波导光纤连接在上述环形波导光纤的光栅制备监测系统中；
S3：选择与待刻写光栅对应的相位掩膜版，安装相位掩膜版，并调整相位掩膜版和环形波导光纤的位置，使环形波导光纤剥除涂覆层的部位与相位掩膜版之间形成缝隙；
S4：将石英玻璃折射率匹配液滴在相位掩膜版和环形波导光纤的缝隙之间进行填充；
S4：调节紫外激光器功率进行光栅刻写，并通过光栅制备监测系统对刻写的光栅进行监测；
S5：当刻写光栅的反射谱的中心波长和抑制比达到需求时，关闭紫外激光器；
S6：对刻写光栅进行退火处理后，并对环形波导光纤进行光栅刻写的区域进行二次涂覆。
优选的，所述石英玻璃折射率匹配液对紫外光波段的透射率大于93％。
本发明的有益效果是：本发明提供的环形波导光纤的光栅制备方法，使用对紫外光波段具有高透过率的石英玻璃折射率匹配液填充环形波导光纤与相位掩膜版之间的缝隙，消除了环带状纤芯弧形表面对紫外激光的折射作用，使环带纤芯完全处于分布均匀的刻栅激光辐照区域内，从而实现光栅的有效刻制及高质量刻制；本发明提供的环形波导光纤的光栅制备监测系统，该系统通过使用异形玻璃毛细管实现探测激光从宽谱光源经由环形波导光纤光栅最终到光谱仪的低损耗传输，可实现环形波导光纤光栅刻写过程的有效监测，为环形波导光纤的光栅刻写工艺参数的调整和优化提供指导依据。
附图说明
图1为利用现有技术的紫外激光相位掩模法进行传统光纤光栅刻写时，紫外激光辐照下的光纤横截面光强分布示意图；
图2为利用现有技术的紫外激光相位掩模法进行环形波导光纤光栅刻写时，紫外激光辐照下的环形波导光纤横截面光强分布示意图；
图3为现有技术中紫外激光相位掩模法光栅刻写和监测系统的结构示意图；
图4为利用本发明提供的环形波导光纤的光栅制备方法进行环形波导光纤光栅制备时，紫外激光辐照下的光纤横截面光强分布示意图；
图5为本发明的环形波导光纤的光栅制备监测系统的结构示意图；
图中：101.紫外激光源 102.反射镜 103.凸透镜 104.相位掩膜版 105.宽谱激光器 106.单模光纤I 107.光纤 108.光谱仪I 1071.纤芯 201.宽谱光源 202.单模光纤203.多模光纤 204.玻璃毛细管 205.光谱仪 206.环形波导光纤 2061.环状纤芯。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图5所示的环形波导光纤的光栅制备监测系统，该系统包括：宽谱光源201、单模光纤202、多模光纤203、玻璃毛细管204和光谱仪205，其中单模光纤202、多模光纤203和玻璃毛细管204均有两段；如图5所示，按光传输的方向，从左到右上述宽谱光源201、单模光纤202、多模光纤203、玻璃毛细管204、环形波导光纤206、玻璃毛细管204、多模光纤203、单模光纤202和光谱仪205依次相连；
其中玻璃毛细管204为异形结构，其与多模光纤203的连接端为实心玻璃结构，实心玻璃结构的直径与多模光纤203纤芯直径相等，玻璃毛细管204与环形波导光纤206的连接端为直径与环形波导光纤206环状纤芯2061直径相同的空腔玻璃圆环状，经过这一段异形结构玻璃毛细管204，探测激光就能够从多模光纤203的纤芯中低损耗地耦合到环形波导光纤206的环带纤芯2061中，实现光栅刻写状态的有效探测。
上述单模光纤202和多模光纤203的包层直径均为125μm，从而实现宽谱探测光的传输，单模光纤202和多模光纤203通过过渡区连接，该过渡区可通过对单模光纤202的纤芯进行热扩散处理或者对多模光纤203进行拉锥处理形成，或者两者同时处理形成，过渡区的存在可以保证这两种光纤之间形成激光模场适配，实现探测激光低损耗传输。
一种环形波导光纤的光栅制备方法，所述方法包括：
S1：将待刻写的环形波导光栅进行增敏处理，并剥除其涂覆层并进行清洁；
S2：将环形波导光纤连接在如图5所示的环形波导光纤的光栅制备监测系统中；
S3：选择与待刻写光栅对应的相位掩膜版，安装相位掩膜版，并调整相位掩膜版和环形波导光纤的位置，使环形波导光纤剥除涂覆层的部位与相位掩膜版之间形成缝隙；
S4：将石英玻璃折射率匹配液滴在相位掩膜版和环形波导光纤的缝隙之间进行填充，如图4所示的阴影部分，采用石英玻璃折射率匹配液进行填充的目的在于，在光学特性上石英玻璃折射率匹配液与环形波导光纤可形成一体结构，从而可以消除环形波导光纤的弧形表面对紫外激光的折射作用，进而使环带纤芯完全处于刻栅激光辐照区域，在环形纤芯刻写完整的光栅；
S4：调节紫外激光器功率进行光栅刻写，并通过光栅制备监测系统对刻写的光栅进行监测；
S5：当刻写光栅的反射谱的中心波长和抑制比达到需求时，关闭紫外激光器；
S6：对刻写光栅进行退火处理后，并对环形波导光纤进行光栅刻写的区域进行二次涂覆。
上述石英玻璃折射率匹配液对紫外光波段的透射率大于93％，只有石英玻璃折射率匹配液具有紫外光波段高透过率的特性，紫外激光能够低损耗进入环形波导光纤中，实现光栅的高效刻制。
上述环形波导光纤的光栅制备方法同样适用于传统光纤或者其他类型光纤的光栅制备，对于传统光纤和传统光栅刻制方法，即使传统光纤全部纤芯都处于紫外激光辐照区域，但由于光纤表面弧面对光的折射效应，紫外激光在光纤内的分布极不均匀，在纤芯上会由于紫外光强度不均导致光栅有些部位折射率高有些部位折射率低，从而影响信号激光模场分布乃至激光器光束质量，使用本发明方法能够消除光纤表面弧面的折射效应，使光纤内紫外激光分布均匀，纤芯刻上折射率一致的光栅，最优化信号激光模场和光束质量。
Claims (5)
1.一种环形波导光纤的光栅制备监测系统，其特征在于，所述系统包括：宽谱光源、单模光纤、多模光纤、玻璃毛细管和光谱仪，其中单模光纤、多模光纤和玻璃毛细管均有两段；按光传输的方向，宽谱光源、两段单模光纤、两段多模光纤、两段玻璃毛细管和光谱仪，按顺序连接，从左到右依次为宽谱光源、单模光纤、多模光纤、玻璃毛细管、环形波导光纤、玻璃毛细管、多模光纤、单模光纤和光谱仪；
所述玻璃毛细管结构异性，其与多模光纤的连接端为实心玻璃结构，实心玻璃结构的直径与多模光纤纤芯直径相等，玻璃毛细管与环形波导光纤的连接端为直径与环形波导光纤环状纤芯直径相同的空腔玻璃圆环状。
2.根据权利要求1所述的环形波导光纤的光栅制备监测系统，其特征在于，所述单模光纤和多模光纤的包层直径为125μm。
3.根据权利要求2所述的环形波导光纤的光栅制备监测系统，其特征在于，所述单模光纤和多模光纤通过过渡区连接，所述过渡区通过对单模光纤纤芯进行热扩散处理或者对多模光纤进行拉锥处理或者同时对单模光纤纤芯进行热扩散处理和对多模光纤进行拉锥处理而形成。
4.一种环形波导光纤的光栅制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：将待刻写的环形波导光栅进行增敏处理，并剥除其涂覆层并进行清洁；
S2：将环形波导光纤连接在如权利要求3所述的环形波导光纤的光栅制备监测系统中；
S3：选择与待刻写光栅对应的相位掩膜版，安装相位掩膜版，并调整相位掩膜版和环形波导光纤的位置，使环形波导光纤剥除涂覆层的部位与相位掩膜版之间形成缝隙；
S4：将石英玻璃折射率匹配液滴在相位掩膜版和环形波导光纤的缝隙之间进行填充；
S4：调节紫外激光器功率进行光栅刻写，并通过光栅制备监测系统对刻写的光栅进行监测；
S5：当刻写光栅的反射谱的中心波长和抑制比达到需求时，关闭紫外激光器；
S6：对刻写光栅进行退火处理后，并对环形波导光纤进行光栅刻写的区域进行二次涂覆。
5.根据权利要求1所述的环形波导光纤的光栅制备方法，其特征在于，所述石英玻璃折射率匹配液对紫外光波段的透射率大于93％。
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