CN114518620A - 高功率光纤光栅激光退火系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率光纤光栅激光退火系统及方法，激光退火采用逐点扫描方式进行激光加热退火，不会产生大量向外热辐射，从而避免对光纤光栅刻写区域附近的环切点产生损伤，提升产品可靠性以及生产良光纤光栅率；激光扫描退火可以根据光纤光栅刻写长度灵活调整，不会因为不同类型的光纤光栅产生额外的定制费用，节省光纤光栅生产成本；激光退火属于光学非接触式生产方式，不会产生其他物理接触导致光纤光栅裸纤损伤，提升产品可靠性以及生产良率；激光发散角小，可以在长距离下保持准直输出，因此可以与待处理光纤光栅保持较远距离进行激光退火，光纤光栅可操作性空间大，减小误操作，提升产品可靠性以及生产良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅制备工艺技术，特别涉及一种高功率光纤光栅激光退火系统及方法。
背景技术
随着光纤激光器的发展，对于光纤激光器的核心器件—光纤光栅的耐受功率和可靠性要求越来越高。光纤光栅制备工艺一般包含光纤载氢，光纤光栅刻写，光纤光栅退火，重涂覆及封装。而传统的光纤光栅退火工艺是为了去除光纤中残余的氢原子，目前常用的方法是将光纤光栅整体放进恒温箱，退火温度一般不超过120℃，否则会老化涂覆层，然而这种工艺生产出来的光纤光栅耐受功率较低，难以满足光纤激光器日益提升的高功率应用需求。为了提高光纤光栅耐受功率，提出了改进型的方法，即专门针对光纤光栅刻写区域进行局部高温退火从而去除刻写导致的缺陷，温度一般在300～800℃之间。但此类局部高温退火方法一般还是采用外部热辐射等进行退火，如电阻丝或石墨高温加热炉、火焰等。但是采用这类加热方法进行局部退火无法满足批量稳定生产，并有如下问题：
(1)热源向外热辐射，指向性和边界难控制，容易对刻写区域附近的涂覆层环切点造成损伤，从而导致出光后涂覆层环切点发热甚至烧毁；
(2)此类热源加热区域需要针对光纤光栅特殊应用要求定制，价格昂贵，且一旦定制完成，尺寸固定，无法灵活改变高温退火的长度；
(3)此类热源的加热腔体在加热过程中往往还带来其他的污染，如加热炉会出现发热体脱落或溅射灰尘二次污染刻写区域的裸纤，导致光纤光栅损伤；
(4)为了保护加热体并且减少灰尘，有部分加热源还需要额外的惰性气体保护，使用成本较高；
(5)操作空间狭窄，容易误操作导致光纤光栅损伤，从而导致出光后损伤区域发热甚至烧毁。
发明内容
针对常规外部热辐射退火容易损坏光纤光栅，退火长度无法灵活改变问题，提出了一种高功率光纤光栅激光退火系统及方法。
本发明的技术方案为：一种高功率光纤光栅激光退火系统，包括基准平台、激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统；
基准平台：用于安装固定激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统；
激光器：输出连续或者脉冲激光至扫描反射系统上；
扫描反射系统：包括位移台和激光反射装置，将激光器输出的激光反射至待处理光纤光栅的刻写区域，并通过位移台对待处理光纤光栅进行光纤长度方向横向扫描；
激光聚焦系统：包括第一五轴位移台和柱透镜，将扫描反射系统的输出光进行光纤直径方向纵向聚焦，纤芯与柱透镜的焦点距离在±20mm内；
光栅夹持系统：包括固定在基准平台上的两台带光纤夹具的三轴位移台，用于固定待处理光纤光栅两侧尾纤，激光退火过程中保持光纤位置稳定。
优选的，所述激光器输出激光波长与待处理光纤光栅吸收系数波段相配。
优选的，所述扫描反射系统包括直线位移台和置于直线位移台上的激光反射镜。
优选的，所述扫描反射系统包括第二五轴位移台和置于第二五轴位移台单轴上的扫描振镜。
一种高功率光纤光栅激光退火方法，具体包括如下步骤：
1)将激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统固定到基准平台上，扫描反射系统在激光器输出光路上，激光聚焦系统在扫描反射系统反射光路上，光纤光栅夹持系统在激光聚焦系统聚焦范围内；将待处理光纤光栅两侧尾纤固定到光纤光栅夹持系统上，去除涂覆层的裸纤处于悬空状态，且保持水平；
2)打开激光器，并在低功率下运行，采用扫描反射系统将激光器输出的激光反射到待处理光栅的刻写区域，调整光纤光栅位置，使光纤光栅刻写区域恰好处于激光扫描路径上；调节扫描反射系统的扫描范围，使激光扫描边缘大于刻写区域边缘，并小于刻写区域两端剥除点，记录扫描起始位置，采用水平扫描方式使激光沿着去除涂覆层的刻写区域扫描；
3)调整激光聚焦系统位置，通过激光聚焦系统将扫描反射系统后的激光聚焦到光纤光栅刻写区域的纤芯上，纤芯离焦距离一般在±20mm内；
4)反射光束经过激光聚焦系统后对光纤光栅刻写区域加热，采用热像仪测试加热区域的温度，调节激光器输出功率，使加热区域的温度达到退火温度，设置扫描反射系统运行速度，开启扫描方式，使激光沿着光纤光栅刻写区域缓慢扫描完成激光退火。
进一步，所述扫描速度根据光纤光栅应用的功率等级进行设置。
进一步，所述激光器输出功率根据实际的退火工艺需求升温、恒温和降温曲线进行分段确定。
本发明的有益效果在于：本发明高功率光纤光栅激光退火系统及方法，激光退火采用逐点扫描方式进行激光加热退火，不会产生大量向外热辐射，从而避免对光纤光栅刻写区域附近的环切点产生损伤，提升产品可靠性以及生产良光纤光栅率；激光扫描退火可以根据光纤光栅刻写长度灵活调整，不会因为不同类型的光纤光栅产生额外的定制费用，节省光纤光栅生产成本；激光退火属于光学非接触式生产方式，不会产生其他物理接触导致光纤光栅裸纤损伤，提升产品可靠性以及生产良率；激光发散角小，可以在长距离下保持准直输出，因此可以与待处理光纤光栅保持较远距离进行激光退火，光纤光栅可操作性空间大，减小误操作，提升产品可靠性以及生产良率。
附图说明
图1为本发明高功率光纤光栅激光退火系统实施例一结构示意图；
图2为本发明高功率光纤光栅激光退火系统实施例二结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示高功率光纤光栅激光退火系统实施例一结构示意图，系统包括：基准平台1、激光器2、扫描反射系统3、激光聚焦系统4、光纤光栅夹持系统5。其中扫描反射系统3包括直线位移台301和置于直线位移台301上的激光反射镜302；激光聚焦系统4包括第一五轴位移台401和置于第一五轴位移台401上的柱透镜402；光纤光栅夹持系统5包括第一三轴位移台501、置于第一三轴位移台501上的第一光纤夹具502，第二三轴位移台503，置于第二三轴位移台503上的第二光纤夹具504；在待处理光纤光栅6上有第一光栅刻写区域剥除点601，第二光栅刻写区域剥除点602，在两刻写区域剥除点区域间有第一光栅刻写区域边缘603，第二光栅刻写区域边缘604。
基准平台1：用于安装高功率光纤光栅激光退火系统中其他组件，平台材质一般为铝制、不锈钢、大理石等但不限于这几类材质。
激光器2：输出连续或者脉冲激光至扫描反射系统3上，输出激光波长一般选择处于光纤吸收系数较高的波段，例如≥4μm的中红外或远红外激光器。激光器功率连续可调，功率根据需求选择，一般为几十瓦量级。
扫描反射系统3：包括位移台和激光反射装置，将激光器2输出的激光反射至待处理光纤光栅6的刻写区域，并通过位移台对待处理光纤光栅6进行光纤长度方向横向扫描。
激光聚焦系统4：包括第一五轴位移台401和柱透镜402，将扫描反射系统3的输出光进行光纤直径方向纵向聚焦，焦点处于光纤光栅刻写区域的纤芯附近。纤芯离焦距离一般在±20mm内。激光聚焦系统4的焦距一般在100～300mm之间。
光栅夹持系统5：包括固定在基准平台1上的两台带光纤夹具的三轴位移台，用于固定待处理光纤光栅6两侧尾纤，激光退火过程中保持光纤位置稳定。并可以进行X/Y/Z三维调节。
待处理光纤光栅6：待激光退火的光纤光栅刻写区域去除涂覆层并清洁，刻写区域两端剥除点距离临近刻写区域的边缘≥2mm。
高功率光纤光栅激光退火方法如下：
(1)将激光器2固定到基准平台1上，并将光纤光栅夹持系统5固定到基准平台1方便操作的位置，第一光纤夹具502和第二光纤夹具504分别固定在第一三轴位移台501和第二三轴位移台503上。将待处理光纤光栅6两侧尾纤分别固定在光纤光栅夹持系统5中的第一光纤夹具502和第二光纤夹具504上，第一光纤光栅刻写区域剥除点601与第二光纤光栅刻写区域剥除点602之间的去除涂覆层的裸纤处于悬空状态，且保持两点水平。
(2)打开激光器2，并在低功率下运行，激光器2输出光入射到扫描反射系统3中的激光反射镜302上，激光反射镜302固定在直线位移台301上，调节激光反射镜302及直线位移台301使反射光恰好入射到第一光纤光栅刻写区域边缘603与第一光纤光栅刻写区域剥除点601之间，并记录此时的直线位移台301位置为扫描起点。根据光纤后的激光光斑形状判断并调整第一三轴位移台501使光纤恰好处于激光入射面上。运行直线位移台301使反射光恰好入射到第二光纤光栅刻写区域边缘604与第二光纤光栅刻写区域剥除点602之间，并记录此时的直线位移台301位置为扫描终点。根据光纤后的激光光斑形状判断并调整第二三轴位移台503使光纤恰好处于激光入射面上。重复以上直线位移台301在起点和终点间的运行及调整操作，最终达到在整个扫描区间光纤始终处于激光入射面上。
(3)将激光聚焦系统4固定在扫描反射系统3与光纤光栅夹持系统5之间；调节第一五轴位移台401，使入射到柱透镜402上的光垂直于柱透镜402的入射面，直线位移台301在起点和终点间运行时，扫描反射系统3后的光束始终处于柱透镜402的有效面内；调节第一五轴位移台401与待处理光纤光栅6间的距离，使待处理光纤光栅6的纤芯与柱透镜402的焦点距离在±20mm内。再次重复步骤(2)中的调节方式，使直线位移台301在起点和终点间运行时，整个扫描区间光纤始终处于激光聚焦系统4后的焦平面上。
(4)经激光聚焦系统4后的聚焦光束对光纤光栅刻写区域加热，采用热像仪测试加热区域的温度。调节激光器2输出功率，使光纤光栅加热区域的温度达到退火温度。设置直线位移台301的运行速度，并进行扫描，使激光沿着光纤光栅刻写区域缓慢扫描完成激光退火。扫描速度根据光纤光栅应用的功率等级进行灵活设置。
如图2所示高功率光纤光栅激光退火系统实施例二结构示意图，系统包括：基准平台1、激光器2、扫描反射系统7、激光聚焦系统4和光纤光栅夹持系统5。其中扫描反射系统7包括第二五轴位移台701和置于第二五轴位移台701单轴上的扫描振镜702。
高功率光纤光栅激光退火方法如下：
(1)将激光器2固定到基准平台1上，并将光纤光栅夹持系统5固定到基准平台方便操作的位置，第一光纤夹具502和第二光纤夹具504分别固定在第一三轴位移台501和第二三轴位移台503上。将待处理光纤光栅6两侧尾纤固定到光纤光栅夹持系统5中的第一光纤夹具502和第二光纤夹具504上，第一光纤光栅刻写区域剥除点601与第二光纤光栅刻写区域剥除点602之间的去除涂覆层的裸纤处于悬空状态，且保持水平。
(2)打开激光器2，并在低功率下运行，激光器2输出光入射到单轴扫描振镜702，单轴扫描振镜702固定在第二五轴位移台701上，调节单轴扫描振镜702及第二五轴位移台701使单轴扫描振镜702初始点的反射光恰好入射到第一光纤光栅刻写区域边缘603与第一光纤光栅刻写区域剥除点601之间，并记录此时的第二五轴位移台701位置为扫描起点。根据光纤后的激光光斑形状判断并调整第一三轴位移台501使光纤恰好处于激光入射面上。运行单轴扫描振镜702使反射光恰好入射到第二光纤光栅刻写区域边缘604与第二光纤光栅刻写区域剥除点602之间，并记录此时的第二五轴位移台701位置为扫描终点。根据光纤后的激光光斑形状判断并调整第二三轴位移台503使光纤恰好处于激光入射面上。重复以上使得单轴扫描振镜702在初始点和终点间的运行及调整操作，最终达到在整个扫描区间光纤始终处于激光入射面上。
(3)将激光聚焦系统4固定在扫描反射系统7与光纤光栅夹持系统5之间；调节第一五轴位移台401，使入射到柱透镜402上的光垂直于柱透镜402的入射面，单轴扫描振镜702在初始点和终点间运行时，扫描反射系统7后的光束始终处于柱透镜402的有效面内；调节第一五轴位移台401与待处理光纤光栅6间的距离，使待处理光纤光栅6的纤芯与柱透镜402的焦点距离在±20mm内。再次重复步骤(2)中的调节方式，使单轴扫描振镜702在初始点和终点间运行时，整个扫描区间光纤始终处于激光聚焦系统4后的焦平面上。
(4)经激光聚焦系统4后的聚焦光束对光纤光栅刻写区域加热，采用热像仪测试加热区域的温度。设置单轴扫描振镜702在初始点和终点间的扫描频率，并进行快速来回扫描，程序控制激光器2输出功率呈现逐步上升的趋势，使光纤光栅温度缓慢上升到最高退火温度。程序控制激光器2在对应最高退火温度下的输出功率保持一段时间，一般在30～120分钟，最后程序控制激光器2输出功率呈现逐步下降的趋势，使光纤光栅温度缓慢下降到室温。
整个退火过程中激光器输出功率根据实际的退火工艺需求升温、恒温和降温曲线进行分段确定。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种高功率光纤光栅激光退火系统，其特征在于，包括基准平台、激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统；
基准平台：用于安装固定激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统；
激光器：输出连续或者脉冲激光至扫描反射系统上；
扫描反射系统：包括位移台和激光反射装置，将激光器输出的激光反射至待处理光纤光栅的刻写区域，并通过位移台对待处理光纤光栅进行光纤长度方向横向扫描；
激光聚焦系统：包括第一五轴位移台和柱透镜，将扫描反射系统的输出光进行光纤直径方向纵向聚焦，纤芯与柱透镜的焦点距离在±20mm内；
光栅夹持系统：包括固定在基准平台上的两台带光纤夹具的三轴位移台，用于固定待处理光纤光栅两侧尾纤，激光退火过程中保持光纤位置稳定。
2.根据权利要求1所述高功率光纤光栅激光退火系统，其特征在于，所述激光器输出激光波长与待处理光纤光栅吸收系数波段相配。
3.根据权利要求1或2所述高功率光纤光栅激光退火系统，其特征在于，所述扫描反射系统包括直线位移台和置于直线位移台上的激光反射镜。
4.根据权利要求1或2所述高功率光纤光栅激光退火系统，其特征在于，所述扫描反射系统包括第二五轴位移台和置于第二五轴位移台单轴上的扫描振镜。
5.一种高功率光纤光栅激光退火方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)将激光器、扫描反射系统、激光聚焦系统、光纤光栅夹持系统固定到基准平台上，扫描反射系统在激光器输出光路上，激光聚焦系统在扫描反射系统反射光路上，光纤光栅夹持系统在激光聚焦系统聚焦范围内；将待处理光纤光栅两侧尾纤固定到光纤光栅夹持系统上，去除涂覆层的裸纤处于悬空状态，且保持水平；
2)打开激光器，并在低功率下运行，采用扫描反射系统将激光器输出的激光反射到待处理光栅的刻写区域，调整光纤光栅位置，使光纤光栅刻写区域恰好处于激光扫描路径上；调节扫描反射系统的扫描范围，使激光扫描边缘大于刻写区域边缘，并小于刻写区域两端剥除点，记录扫描起始位置，采用水平扫描方式使激光沿着去除涂覆层的刻写区域扫描；
3)调整激光聚焦系统位置，通过激光聚焦系统将扫描反射系统后的激光聚焦到光纤光栅刻写区域的纤芯上，纤芯离焦距离一般在±20mm内；
4)反射光束经过激光聚焦系统后对光纤光栅刻写区域加热，采用热像仪测试加热区域的温度，调节激光器输出功率，使加热区域的温度达到退火温度，设置扫描反射系统运行速度，开启扫描方式，使激光沿着光纤光栅刻写区域缓慢扫描完成激光退火。
6.根据权利要求5所述高功率光纤光栅激光退火方法，其特征在于，所述扫描速度根据光纤光栅应用的功率等级进行设置。
7.根据权利要求5所述高功率光纤光栅激光退火方法，其特征在于，所述激光器输出功率根据实际的退火工艺需求升温、恒温和降温曲线进行分段确定。
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