CN114185129A - 一种倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，采用激光反复扫描的方法在光纤上刻写倾斜布拉格光栅型偏振滤波器，并在刻写过程中，监测系统测量辐射模强度，当测得的辐射模强度偏离理论值时，反馈调整掩膜版与光纤的相对位置，使辐射模强度与理论值吻合。本发明采用自反馈技术，可有效提升光栅刻写效果，提升偏振滤波器的消光比。
Description
技术领域
本发明涉及倾斜光栅偏振滤波器，尤其涉及一种倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法。
背景技术
偏振误差来源于光纤、光器件上的偏振串扰，光纤上不可避免的应力、温度波动以及轴向对准误差等均会不可避免的引致偏振态的串扰，从而引起传感器的偏振误差，该误差是光纤陀螺、光纤电流互感器等大多光纤传感器的最主要误差之一，抑制偏振误差是提升光纤传感器精度的首要工作。
抑制偏振误差的最有效手段是采用高消光比、低插入损耗的偏振滤波器。传统的偏振滤波器多采用集成光学器件制作而成，光纤中的光通过准直器准直成平行的空间光，通过二向色等偏振片实现偏振滤波，再通过准直透镜准直入光纤。中间光要经过光纤光向空间光，空间光向光纤光的两次转换，转换的过程往往带来较高的损耗，非全光纤需要多处耦合的方式也带来了可靠性隐患。此外，偏振滤波器的性能受制于偏振滤波片，其消光比无法做高，谱宽也受到极大的限制。而全光纤的偏振器大多需要对光纤进行侧抛或拉锥处理，在侧抛面或锥区镀制金属或双折射材料，但这种对光纤处理的方式会降低光纤强度，从而给传感器带来可靠性隐患。
英国Aston大学提出了倾斜光栅偏振滤波器的方案，利用光纤吸收周期调制的紫外光，产生折射率变化，在光纤上刻写45度倾斜光栅，完成了性能优异的偏振滤波器。该器件为全光纤器件，且制作过程中不对光纤做接触性的处理，从而具有低插入损耗、高可靠的特点，是光纤传感应用的理想偏振器件。
理论分析及实验证明，光纤吸收的紫外光越多则折射率变化越大，偏振滤波器的消光比也越高。但在实际刻写过程中，光纤吸收紫外光会导致温度升高，降低光纤的光敏性，影响后续紫外光的吸收。因此，单程刻写往往无法获得较高的折射率变化。刻写、冷却再刻写的周期性刻写过程有利于折射率的提升。这对刻写平台的稳定性提出了非常高的要求，一般光栅的周期约为1μm，若掩膜版与光纤的相对位置变化超过500nm，不但不会加深刻写深度，反而会将之前刻写的光栅抹除，因此光栅掩膜版与待刻写光纤的相对位置在数小时的刻写时间内变化应小于100nm。而光栅刻写系统是多运动部件搭建的复杂系统，振动、机械件的蠕变都会导致位置的漂移。因此，往返周期性多次刻写系统往往不能取得良好的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效提升光栅刻写效果，提升偏振滤波器消光比的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，采用激光反复扫描的方法在光纤上刻写倾斜布拉格光栅型偏振滤波器，并在刻写过程中，监测系统测量辐射模强度，当测得的辐射模强度偏离理论值时，反馈调整掩膜版与光纤的相对位置，使辐射模强度与理论值吻合。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，待刻写的光纤经增敏处理，通过夹具固定在掩膜版后方。激光器发出的紫外光经透镜汇聚后的激光经反射镜反射至掩膜版，激光被掩膜版调制形成明暗交替条纹后照射光纤，光纤吸收紫外光后，相对应形成折射率高低的空间分布，从而形成光纤光栅。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，将辐射模调整至光纤的上方或下方；若待刻光纤为单模光纤，仅调制光纤与掩膜版的夹角为33.8°；若待刻光纤为保偏光纤，则需旋转光纤使光纤偏振主轴与刻写紫外光方向垂直。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，待刻光纤的一端固定于电控位移台的夹具上，另一端固定于张力计上；待刻光纤的一端注入拟偏振滤波的光，测量辐射模强度。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，将光强探测器固定于线性位移台上，位于待刻光纤的辐射模方向，光强探测器的光窗加装光阑；将光强探测器的光窗与反射镜调整至同一方向，同步启动搭载光强探测器的线性位移台和搭载反射镜的线性位移台，两个线性位移台移动的方向和速度一致，实现辐射模同步探测；当监测的辐射模强度相对于理论值之差大于阈值时，调整固定光纤的电控位移台，改变光纤位置，使辐射模增大。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，将CCD安装于光纤辐射模式方向，拍摄光纤图像；通过图像的灰度分析，实现对辐射模强度的探测；当监测到的辐射模强度相对于理论值之差大于阈值时，调整固定光纤的电控位移台，改变光纤位置，使辐射模增大。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，使用保偏光纤刻写光栅时，在线完成轴向的对准，并使刻写的消光轴与光纤偏振主轴平行。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，所述的增敏处理包括载氢增敏处理或掺杂处理。
以上所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，在CCD的镜头前装有可变光衰减器。
本发明采用自反馈技术，可有效提升光栅刻写效果，提升偏振滤波器的消光比。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例倾斜光栅偏振滤波器的示意图。
图2是本发明实施例多次扫描的倾斜光栅刻写装置的示意图。
图3 是本发明实施例掩膜版与光纤轴向的夹角。
图4 是本发明实施例保偏光纤刻写的轴向示意图。
图5 本发明实施例基于探测器的辐射模测量方法示意图。
图6本发明实施例采用的辐射模强度变化曲线图。
图7 本发明实施例基于辐射模测量方法的示意图。
图8本发明实施例 CCD拍摄的辐射模图样。
具体实施方式
本发明实施例倾斜光栅偏振滤波器自反馈刻写方法，采用多次扫描的方法以加深刻写效果。如图2所示，待刻写的光纤经载氢增敏处理，通过夹具固定在掩膜版后方。准分子激光器或氩离子激光器所发出的紫外光经透镜汇聚以提升光功率密度。汇聚后的激光经45°反射镜反射至掩膜版，激光被掩膜版空间调制形成明暗交替条纹后照射光纤，光纤吸收紫外光后，相对应形成折射率高低的空间分布，从而形成光纤光栅。将光纤与掩膜版倾斜固定角度，可刻写具有偏振效应的倾斜光栅。考虑到光纤的透镜效应，当掩膜版角度为33.8度时，光纤内部的角度接近布儒斯特角。为加深刻写效果，将反射镜安装于线性位移台上，沿光纤长度方向反复扫描，对于某一区域的光纤，便形成刻写——冷却——刻写的重复性刻写效果。
如前所述，重复刻写对刻写平台的稳定性，即掩膜版与光纤的相对位置的重复性与稳定性提出了非常严苛的要求。本发明提出的自反馈的方法，通过监测辐射模强度，实时反馈调制掩膜版位置，以提升刻写效果。
首先调整光纤角度，使辐射模的方向便于观察，一般将辐射模调整至光纤的正上方。若待刻光纤为单模光纤，则仅需根据光纤中入射光的方向，如图3所示，当光源在左侧，光在光纤中传播方向从左往右，调制光纤与掩膜版的夹角，使其为33.8°，可以使辐射模的辐射方向为从下往上。若待刻光纤为保偏光纤，则还需旋转光纤使光纤偏振主轴与刻写紫外光方向垂直,如图4所示。
如图2所示，将光纤一端固定于张力计上，以保持光纤上的张力恒定，另一端固定于电控位移台的夹具上，以实现位置反馈。
给光纤一端注入拟偏振滤波的光，可采用两种方式实现辐射模强度的测量。
第一种方法如图5所示。将探测器固定于光纤上方的线性位移台上，探测器光窗加装光阑，以缩小探测区域，提升测量精度。将探测器与45°反射镜调整至同一方向，同步启动两个线性扫描装置，保持两个线性位移台的方向和速度一致，以实现辐射模同步探测。以光栅长度20mm为例，不同探测器位置的辐射模变化曲线如图6所示。当监测的辐射模比理论趋势明显变小（如变化大于10%）时，反馈调整固定光纤的电控位移台，改变光纤位置，使辐射模增大。图6中的折线为不同探测器位置的辐射模变化曲线，平滑曲线为辐射模功率变化的理论曲线。
第二种方法如图7所示，将CCD固定于光纤上方，拍摄光纤图像。辐射模强度大时对应于图像的灰度较高，通过光纤不同位置的灰度分析可以实现不同位置辐射模强度的探测。此方法的优点为无需CCD的移动，仅需将图像处理与激光扫描同步。为避免此CCD出现饱和的情况，还可在CCD的镜头前加装可变光衰减器，以动态调节CCD的增益。图8为倾斜光栅制作中CCD拍摄的光纤辐射模强度。图8中上部为真实光纤的影像，下部为光纤在掩膜版中的镜像。
本发明提供了一种倾斜光栅偏振滤波器自反馈刻写方法，通过监控倾斜光栅辐射模强度，当辐射模强度偏离预期趋势时，微调光栅掩膜版与待测光纤的相对位置，使相对位置重复与稳定，实现自反馈刻写，以提升刻写效果。
本发明的依据的原理是：依据菲涅尔定律，光在不同介质的界面处会发生反射及折射，反射光、折射光的振幅及偏振态由介质的折射率及入射角决定。当非偏振的光以布儒斯特角入射界面时，仅有s光反射，由传输模式转换为辐射模式，当满足光栅相位匹配条件时，辐射模谐振增强，此时透射光表现为相对最强的偏振特性，如图1所示。
相位匹配条件为：
式中，k为波数，neff为有效折射率，
为光栅周期，
为光栅中的倾斜角。
当满足相位匹配条件时，s光辐射效率最高。当待刻写的光纤与掩膜版相对位置发生改变时，多次刻写的位置不重复，可近似等效为刻写的光栅周期发生改变，从而降低了该波段的s光辐射效率。因此，通过监测s光辐射效率，可以监控光栅刻写的相位匹配情况，从而监控多次刻写的位置重复性。通过监测强度反馈控制光纤与掩膜版的相对位置，可以提升光栅刻写效果，实测显示此种方法可将偏振滤波器消光比提升50%。
本发明的倾斜光栅型偏振滤波器，可以刻写在单模光纤上，亦可刻写在熊猫型、领结型、老虎型、一字型等各型保偏光纤上。在刻写前，光纤侧面打光，测量光纤轴向，将光纤旋转至偏振主轴与光束方向垂直后开启刻写程序，刻写轴向如图2所示。
本发明的倾斜光栅型偏振滤波器可刻写在40μm、50μm、60μm、80μm、125μm等多种单模或保偏光纤上。通过调整掩膜版周期，可以实现830nm、850nm、1060nm、1310nm、1550nm多工作波长的应用，本发明的倾斜光栅型偏振滤波器，提供了一种高消光比、低损耗的偏振滤波解决方法，为光纤陀螺、光纤电流互感器、光纤水听器等光纤传感器的研制，提供有力支撑。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、采用自反馈技术，可有效提升光栅刻写效果，提升偏振滤波器消光比。
2、所述倾斜光栅型偏振滤波器为全光纤器件，体积小，可靠性高，可与光纤传感系统高效融合。
3、所述倾斜光栅型偏振滤波器为全光纤器件，具有低插入损耗，高消光比的特点。
4、可在保偏光纤上制作光栅型偏振滤波器，拓展了偏振滤波器应用范围，且结合保偏光纤，可大幅提升光纤传感器的偏振稳定性，降低偏振误差。
Claims (9)
1.一种倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，采用激光反复扫描的方法在光纤上刻写倾斜布拉格光栅型偏振滤波器，并在刻写过程中，监测系统测量辐射模强度，当测得的辐射模强度偏离理论值时，反馈调整掩膜版与光纤的相对位置，使辐射模强度与理论值吻合。
2.根据权利要求1所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，待刻写的光纤经增敏处理，通过夹具固定在掩膜版后方，激光器发出的紫外光经透镜汇聚后的激光经反射镜反射至掩膜版，激光被掩膜版调制形成明暗交替条纹后照射光纤，光纤吸收紫外光后，相对应形成折射率高低的空间分布，从而形成光纤光栅。
3.根据权利要求2所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，将辐射模调整至光纤的上方或下方；若待刻光纤为单模光纤，仅调制光纤与掩膜版的夹角为33.8°；若待刻光纤为保偏光纤，则需旋转光纤使光纤偏振主轴与刻写紫外光方向垂直。
4.根据权利要求3所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，待刻光纤的一端固定于电控位移台的夹具上，另一端固定于张力计上；待刻光纤的一端注入拟偏振滤波的光，测量辐射模强度。
5.根据权利要求4所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，将光强探测器固定于线性位移台上，位于待刻光纤的辐射模方向，光强探测器的光窗加装光阑；将光强探测器的光窗与反射镜调整至同一方向，同步启动搭载光强探测器的线性位移台和搭载反射镜的线性位移台，两个线性位移台移动的方向和速度一致，实现辐射模同步探测；当监测的辐射模强度相对于理论值之差大于阈值时，调整固定光纤的电控位移台，改变光纤位置，使辐射模增大。
6.根据权利要求4所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，将CCD安装于光纤的辐射模方向，拍摄光纤图像；通过图像的灰度分析，实现对辐射模强度的探测；当监测到的辐射模强度相对于理论值之差大于阈值时，调整固定光纤的电控位移台，改变光纤位置，使辐射模增大。
7.根据权利要求3所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，使用保偏光纤刻写光栅时，在线完成轴向的对准，并使刻写的消光轴与光纤偏振主轴平行。
8.根据权利要求2所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，所述的增敏处理包括载氢增敏处理或掺杂处理。
9.根据权利要求6所述的倾斜光栅偏振滤波器的刻写方法，其特征在于，在CCD的镜头前装有可变光衰减器。
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Legal Events
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Address after: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Osno Industry Co.,Ltd. Address before: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: Shenzhen osno Navigation Technology Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Unit 607-2, Unit 2, No. 2515 Huandao North Road, Hengqin New District, Zhuhai City, Guangdong Province, 519000 Patentee after: Guangdong Osno Industry Co.,Ltd. Address before: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: Shenzhen Osno Industry Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |