CN114799537A - 一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法 - Google Patents

一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，包括以下步骤：S10截取一段不剥除涂覆层的单模光纤后将其固定在三维位移平台上；S20调节三维位移平台使光纤处于100倍镜油浸焦距内，S30设计螺旋线参数，根据螺旋线参数在画图软件中制作三维螺旋线模型，三维螺旋线模型中螺旋线螺距P根据啁啾率C变化，螺旋线螺距P与啁啾率C的关系式为：P＝Λ0+C·dΛ；S40将三维螺旋线模型导入加工软件中，设置激光能量参数和位移速度参数后进行加工；S50光谱测试。与现有的技术相比，本发明具有如下优点：无需载氢、剥除涂覆层和再涂覆等步骤，节省工艺，减小偏振的影响，提高耐高温特性。可通过改变螺旋线螺距可调调节啁啾光栅的啁啾率。

Description

一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法
技术领域
本发明涉及啁啾光纤光栅技术领域，特别是涉及一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法。
背景技术
线性啁啾光纤光栅，除了和均匀布拉格光纤光栅相似的光栅区域和结构之外，其栅区的光栅周期是呈线性单调递增(光传播方向相反则可看作递减)。所以啁啾布拉格光纤光栅可以反射连续波长的光，在反射光谱上不同于普通布拉格光纤光栅，形成一个具有平坦的反射带宽的反射谱峰，但是其反射率相比布拉格光纤光栅要低。啁啾光纤光栅的特性决定了其注定会在光纤通信、传感发挥出重要而广泛的作用。啁啾光纤光栅可以产生稳定的而且大的色散，所以在光纤通信中常用作色散补偿器并且还能用作脉冲压缩整形，作为脉冲产生器使用。
啁啾光纤光栅最大的特点在于其周期分布或折射率分布是非均匀的，周期调制的线性啁啾光纤光栅的周期分布与坐标z的关系为线性递增，折射率调制的线性啁啾光纤光栅折射率分布于坐标z的关系为余弦函数。所以啁啾光纤光栅的制备方法根据折射率调制和周期调制来分为两种，并由此产生了多种不同的制备方法。目前制备啁啾光栅的方法包括机械法、相位掩模法、腐蚀法、等离子刻蚀法、全息法等。相位掩膜法的原理是一束紫外激光照射在啁啾相位掩模板上形成干涉光，然后利用干涉条纹在光敏光纤上刻写光栅。相比于均匀相位掩板，啁啾相位掩模板的条纹设计出非周期性排列，这样形成的光栅间距是非周期性的，因此可以制作啁啾光栅。该方法具备工艺简单、抗震性好、对光源的时间相干性和单色性要求不高，可以一次同时在多根光敏光纤上写入光栅，而且容易获得精确的光栅周期的优点，因此相位掩膜法是目前比较常用而且成熟的用于制作光纤光栅的一种方法。
然而现有的啁啾光栅制备方法还存在以下不足：一、制作技术要求高，工艺高只被少数几家公司所掌握着，导致相位掩膜板的市面价格比较昂贵，造成光纤光栅的生产成本增加。二、现有紫外激光相位掩模板法制备的啁啾光栅需要对光纤进行载氢处理、剥掉涂覆层、再涂覆，容易刻写在包层，不耐高温，且只能固定写一种啁啾光栅，缺乏灵活性。三、现有技术制备啁啾光栅波长单一，啁啾光栅的啁啾率调节十分不便，缺乏灵活性。四、普通啁啾光纤光栅因非对称结构易引起较大的偏振和相关损耗。因此目前需要一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
本方案制备的啁啾光栅是线性啁啾光栅，折射率调制幅度不变，周期沿着光纤轴向变化，呈线性递增或递减分布，任意布拉格波长λz与其周期Λz有唯一对应的关系。某一小线度位置发生折射率或者周期的改变，将会在光谱的对应位置发生改变，此改变具有唯一对应性质。啁啾光纤光栅的周期分布公式为：
Λz＝Λ0+C·z(0≤z≤L)
所以对应的光谱波长分布为：
λz＝2neff·(Λ0+C·z)
本方案采用的是飞秒激光微加工技术在带涂覆层单模光纤上制备螺旋型啁啾光纤光栅，包括以下步骤：
S10截取一段不剥除涂覆层的单模光纤后将其固定在三维位移平台上；
S20调节三维位移平台使光纤处于100倍镜油浸焦距内，通过CCD 相机和视频采集软件观察到单模光纤的纤芯边缘成像为两条又亮又细的白线时，将激光焦点置于单模光纤的纤芯中间位置；
S30设计螺旋线参数，根据螺旋线参数在画图软件中制作三维螺旋线模型，三维螺旋线模型中螺旋线螺距P根据啁啾率C变化，螺旋线螺距P与啁啾率C的关系式为：P＝Λ0+C·dΛ，其中Λ0是初始周期，C 是啁啾率，dΛ是周期改变量；
S40将三维螺旋线模型导入加工软件中，设置激光能量参数和三维位移平台的位移速度参数后进行刻写加工；
S50将制备好的螺旋型啁啾光栅通过环形器连接宽带光源和光谱仪，宽带光源和光谱仪对螺旋型啁啾光栅进行光谱测试。
进一步的，S50步骤包括：
S51将螺旋型啁啾光栅通过光纤环形器连接宽带光源和光谱仪测试反射谱；
S52将螺旋型啁啾光栅两端分别连接光源和光谱仪测试透射谱。
进一步的，S10步骤中截取的单模光纤长度为30cm-90cm。
进一步的，S10步骤中单模光纤先用酒精擦拭后再将其固定在三维位移平台上。
进一步的，S30步骤中所述三维螺旋线的周期是线性增加的。
进一步的，S40步骤中所述激光能量数值是介于光纤折射率改性阈值和烧蚀阈值之间的。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：一、解决现有技术制备啁啾光栅步骤复杂，对光纤损伤大的问题。采用飞秒激光直写法可以在带涂覆层光纤中刻写啁啾光栅，无需载氢、剥除涂覆层和再涂覆等步骤，大大节省工艺流程，提高光纤稳定性。
二、解决现有技术制备啁啾光栅波长单一，缺乏灵活性的问题，采用飞秒激光微加工技术在纤芯中写制螺旋线的方式制备啁啾光栅，通过改变螺旋线螺距可调节啁啾光栅的啁啾率。
三、解决普通啁啾光纤光栅因非对称结构引起的较大偏振相关损耗，本发明的螺旋型啁啾光栅属于圆对称结构，可以减小偏振的影响。
四、解决现有技术制备啁啾光栅无法耐高温的问题，采用飞秒激光直写法制备螺旋型啁啾光栅无需光纤具有光敏性，提高螺旋型啁啾光栅的耐高温特性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的啁啾光栅是线性啁啾光栅，折射率调制幅度不变，周期沿着光纤轴向变化，呈线性递增或递减分布，任意布拉格波长λz与其周期Λz有唯一对应的关系。某一小线度位置发生折射率或者周期的改变，将会在光谱的对应位置发生改变，此改变具有唯一对应性质。啁啾光纤光栅的周期分布公式为：
Λz＝Λ0+C·z (0≤z≤L)
所以对应的光谱波长分布为：
λz＝2neff·(Λ0+C·z)
本发明采用飞秒激光微加工技术在带涂覆层单模光纤上制备螺旋型啁啾光纤光栅，包括以下步骤：
S10截取一段不剥除涂覆层的单模光纤后将其固定在三维位移平台上；
S20调节三维位移平台使光纤处于100倍镜油浸焦距内，通过CCD 相机和视频采集软件观察到单模光纤的纤芯边缘成像为两条又亮又细的白线时，将激光焦点置于单模光纤的纤芯中间位置；
S30设计螺旋线参数，根据螺旋线参数在画图软件中制作三维螺旋线模型，三维螺旋线模型中螺旋线螺距P根据啁啾率C变化，螺旋线螺距P与啁啾率C的关系式为：P＝Λ0+C·dΛ，其中Λ0是初始周期，C 是啁啾率，dΛ是周期改变量；因此在本实施例中啁啾系数由螺旋光栅螺距决定，解决了现有技术制备啁啾光栅波长单一，缺乏灵活性的问题。
S40将三维螺旋线模型导入加工软件中，设置激光能量参数和三维位移平台的位移速度参数后进行刻写加工；本实施例的螺旋型啁啾光纤光栅采用飞秒激光微加工技术在带涂覆层光纤内直接刻写，无需载氢、剥除涂覆层和再涂覆等步骤，大大节省工艺流程，提高光纤稳定性。同时采用飞秒激光直写法制备螺旋型啁啾光栅无需光纤具有光敏性，提高螺旋型啁啾光栅的耐高温特性。
S50将制备好的螺旋型啁啾光栅通过环形器连接宽带光源和光谱仪，宽带光源和光谱仪对螺旋型啁啾光栅进行光谱测试。检测螺旋型啁啾光栅的光学特性，提高产品优良率。
优选的，S50步骤包括：
S51将螺旋型啁啾光栅通过光纤环形器连接宽带光源和光谱仪测试反射谱；
S52将螺旋型啁啾光栅两端分别连接光源和光谱仪测试透射谱。
优选的，S10步骤中截取的单模光纤长度为30cm-90cm。
优选的，S10步骤中单模光纤先用酒精擦拭后再将其固定在三维位移平台上。
优选的，S30步骤中所述三维螺旋线的周期是线性增加的。
优选的，S40步骤中所述激光能量数值是介于光纤折射率改性阈值和烧蚀阈值之间的。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：一、解决现有技术制备啁啾光栅步骤复杂，对光纤损伤大的问题。采用飞秒激光直写法可以在带涂覆层光纤中刻写啁啾光栅，无需载氢、剥除涂覆层和再涂覆等步骤，大大节省工艺流程，提高光纤稳定性。
二、解决现有技术制备啁啾光栅波长单一，缺乏灵活性的问题，采用飞秒激光微加工技术在纤芯中写制螺旋线的方式制备啁啾光栅，通过改变螺旋线螺距可调调节啁啾光栅的啁啾率。
三、解决普通啁啾光纤光栅因非对称结构引起的较大偏振相关损耗，本发明的螺旋型啁啾光栅属于圆对称结构，可以减小偏振的影响。
四、解决现有技术制备啁啾光栅无法耐高温的问题，采用飞秒激光直写法制备螺旋型啁啾光栅无需光纤具有光敏性，提高螺旋型啁啾光栅的耐高温特性。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10截取一段不剥除涂覆层的单模光纤后将其固定在三维位移平台上；
S20调节三维位移平台使光纤处于100倍镜油浸焦距内，通过CCD相机和视频采集软件观察到所述单模光纤的纤芯边缘成像为两条又亮又细的白线时，将激光焦点置于所述单模光纤的纤芯中间位置；
S30设计螺旋线参数，根据所述螺旋线参数在画图软件中制作三维螺旋线模型，所述三维螺旋线模型中螺旋线螺距P根据啁啾率C变化，所述螺旋线螺距P与啁啾率C的关系式为：P＝Λ0+C·dΛ,其中Λ0是初始周期，C是啁啾率，dΛ是周期改变量；
S40将所述三维螺旋线模型导入加工软件中，设置激光能量参数和所述三维位移平台的位移速度参数后进行刻写加工；
S50将制备好的螺旋型啁啾光栅通过环形器连接宽带光源和光谱仪，所述宽带光源和光谱仪对所述螺旋型啁啾光栅进行光谱测试。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述S50步骤包括：
S51将所述螺旋型啁啾光栅通过光纤环形器连接宽带光源和光谱仪测试反射谱；
S52将所述螺旋型啁啾光栅两端分别连接光源和光谱仪测试透射谱。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述S10步骤中截取的单模光纤长度为30cm-90cm。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述S10步骤中所述单模光纤先用酒精擦拭后再将其固定在三维位移平台上。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述S30步骤中所述三维螺旋线的周期是线性增加的。
6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光微加工技术制备螺旋型啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述S40步骤中所述激光能量数值介于光纤折射率改性阈值和烧蚀阈值之间。
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