CN114935792B - 基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法、系统及啁啾光纤光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，包括如下步骤：根据啁啾光纤光栅所需的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得所述啁啾光纤光栅的光栅参数；根据所述啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，所述加工参数包括飞秒激光脉冲的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；根据计算出的时序调制函数向光纤输出飞秒激光脉冲，同时根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动，以制得所述啁啾光纤光栅，所述光纤搭载于一三维位移平台上。该方法对位移平台的位移精度要求较低。本发明还公开了一种用于实现上述方法的系统及啁啾光纤光栅。

Description

基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法、系统及啁 啾光纤光栅

技术领域

本发明涉及光纤光栅领域，尤其涉及一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法、系统及啁啾光纤光栅。

背景技术

啁啾光纤光栅作为光纤光栅的一个重要分支，在光纤传感、光纤激光器和光纤通讯等领域都发挥着十分重要的作用。

在专利号为CN202110307931.6的中国专利中公开了一种利用飞秒激光直写技术制备啁啾光纤光栅的方法，其步骤如下：

步骤一：待加工光纤的预处理；首先截取一段一定长度的单模光纤，用光纤剥线钳去除待加工部位光纤涂覆层，使光纤包层暴露在空气中；依次经过乙醇和去离子水对去除包层的光纤擦拭和冲洗，使光纤表面无涂覆层残留，最后将光纤表面的去离子水吹干，待加工单模光纤预处理完成；

步骤二：通过飞秒激光在光纤中逐点刻写啁啾光栅；

首先，将待加工的光纤固定在三维平台上，使加工部位由镜油浸没以消除光纤圆柱形截面相差；飞秒激光放大器经倍频后出射飞秒激光，激光在经过倍频晶体、扩束准直系统、二向色镜和油浸物镜后聚焦在光纤纤芯内，通过CCD相机可观察激光聚焦位置，同时可以通过调整三维平台来改变激光聚焦位置；随后，在软件中输入预先设置好的加工程序，控制三维平台进行变速运动，沿光纤轴向对其进行变速扫描加工，通过改变加工参数，使激光聚焦在纤芯内的点间距发生具有不同幅度的改变，可制造具有不同啁啾率的啁啾光纤光栅；

步骤三：啁啾光纤光栅的取出及退火；

首先，将步骤二中通过飞秒激光逐点直写法制造的啁啾光栅取出，用乙醇浸泡的棉花擦拭光纤表面的镜油，然后用去离子水冲洗光纤，最后将其吹干；随后，将冲洗过后的光纤光栅样品放置在管式炉中加热至400℃-800℃，并保持恒温1-3小时，待其冷却至室温后取出。热退火的方法可以释放光纤光栅在加工过程中的残余应力，优化了啁啾光纤光栅的光学特性。

其中，步骤二所述的变速扫描加工，其初末速度与飞秒激光冲频相关，根据飞秒激光重频的不同，三维平台移动初速度控制在0.0427mm/s-4.2681mm/s，末速度控制在0.0431mm/s-4.3032mm/s，加速度控制在0.0002mm/s2-2.1112mm/s2；扫描方式为逐点扫描。

但是，飞秒激光刻写啁啾光栅需要采用三维平台位移，并同步触发激光脉冲，为了得到高质量的啁啾光栅，三维平台的移动速度不能过快，制备效率较低；同时，啁啾光栅的光栅周期呈规律性变化，比如光栅周期从光栅起始位到光栅终点位逐渐变大或变小，那么在采用飞秒激光刻写啁啾光栅时，三维平台就需要根据光栅周期的规律性变化带动光纤进行变速运动，存在加速度的控制，同时啁啾光栅又是极其精密的元件，光栅周期在微米或百纳米级别，而光栅周期的变化量通常在皮米级别，故制备啁啾光栅时的加速度控制需要极其高的精度，而现有的三维平台采用气浮平台，受限于气浮平台的运动精度，无法满足光纤对灵活的快速启停及高速加工的需求，也无法实现光栅周期的啁啾变化，难以满足啁啾光栅制备的位移微小变化，因此所制备的啁啾光栅周期变化并不连续，难以获得具有高质量光谱的啁啾光纤光栅。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法及系统，对位移平台的位移精度要求较低。

本发明还提供一种啁啾光纤光栅，采用上述方法和系统制备。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，包括如下步骤：

步骤100：根据啁啾光纤光栅所需的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得所述啁啾光纤光栅的光栅参数；

步骤200：根据所述啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，所述加工参数包括飞秒激光脉冲的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

步骤300：根据计算出的时序调制函数向光纤输出飞秒激光脉冲，同时根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动，以制得所述啁啾光纤光栅，所述光纤搭载于一三维位移平台上。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤400：将制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形进行比对，若制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形的差别超过预设误差值，则对所述加工参数进行优化，并执行步骤300。

进一步地，所述光栅规格包括啁啾光纤光栅的3dB带宽、反射率、中心波长和啁啾率。

进一步地，所述光栅参数包括啁啾光纤光栅的折射率调制空间分布、光栅宽度、光栅单点引入的折射率调制量、制备采用的啁啾函数与啁啾量。

进一步地，所述光栅参数包括光栅周期，所述运动参数包括所述光纤沿自身轴向移动的运动速度，所述光栅周期Λ和运动速度v满足Λ=v*t，t为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中相邻两个脉冲的间隔时间。

进一步地，所述光栅参数包括光栅宽度，所述运动参数包括所述光纤沿自身轴向移动的运动速度，所述光栅宽度l和运动速度v满足d=v*T，T为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中每个脉冲的输出时间。

一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统，用于实现上述的方法，包括：

仿真控制子系统，用于根据啁啾光纤光栅的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得啁啾光纤光栅的光栅参数，然后根据获得的啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出飞秒激光的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

高速信号子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下，根据计算出的时序调制函数输出高速开关信号；

飞秒激光子系统，用于根据所述高速信号子系统输出的高速开关信号，向光纤输出飞秒激光脉冲；

运动子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动。

进一步地，还包括光路子系统，用于调节所述飞秒激光脉冲至所述光纤上的光路方向。

进一步地，所述运动子系统包括是三维位移平台。

一种啁啾光纤光栅，采用上述的方法制备。

本发明具有如下有益效果：本专利通过控制所述飞秒激光脉冲的输出时序，在所述光纤上刻写周期呈规律性变化的啁啾光栅，所述光纤上的折射率调制的位置由所述飞秒激光脉冲的输出时序来决定，使得所述光纤在刻写所述啁啾光栅时无需进行复杂的变速运动，大大降低了对所述三维位移平台的运动精度要求，甚至于所述三维位移平台仅需带动所述光纤进行匀速运动，而无需进行诸如快速启停、变速度、变加速度等复杂的运动变化，同时，所述飞秒激光脉冲的时序精度高，可实现快速的输出脉冲，大大提高了所述啁啾光纤光栅的加工精度。

附图说明

图1为啁啾光纤光栅的示意图；

图2为本发明提供的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法的步骤框图；

图3为本发明提供的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统的原理框图；

图4为本发明提供的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统的示意图；

图5为本发明提供的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法中时序调制函数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图2所示，一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，包括如下步骤：

步骤100：根据啁啾光纤光栅所需的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得所述啁啾光纤光栅的光栅参数；

步骤200：根据所述啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，所述加工参数包括飞秒激光脉冲的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

步骤300：根据计算出的时序调制函数向光纤输出飞秒激光脉冲，同时根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动，以制得所述啁啾光纤光栅，所述光纤搭载于一三维位移平台上。

传统的采用飞秒激光制备啁啾光纤光栅的方法，高度依赖所述三维位移平台的精度与重复性，其通过控制所述三维位移平台带动所述光纤进行变速运动，以使飞秒激光脉冲可在所述光纤上刻写出光栅周期呈规律性变化的啁啾光栅，但是现有的三维位移平台采用气浮平台，运动精度难以满足需求，无法满足所述光纤对灵活的快速启停及高速加工的需求，也无法实现光栅周期的啁啾变化。

该方法通过控制所述飞秒激光脉冲的输出时序，在所述光纤上刻写周期呈规律性变化的啁啾光栅，所述光纤上的折射率调制的位置由所述飞秒激光脉冲的输出时序来决定，使得所述光纤在刻写所述啁啾光栅时无需进行复杂的变速运动，大大降低了对所述三维位移平台的运动精度要求，甚至于所述三维位移平台仅需带动所述光纤进行匀速运动，而无需进行诸如快速启停、变速度、变加速度等复杂的运动变化，同时，所述飞秒激光脉冲的时序精度高，可实现快速的输出脉冲，大大提高了所述啁啾光纤光栅的加工精度。

在上述步骤100中，所述光栅规格包括但不限于所述啁啾光纤光栅的3dB带宽、反射率、中心波长、啁啾率等规格，所述目标谱形则为所述啁啾光纤光栅对光信号进行调制后的透射光谱或反射光谱。

将所述光栅规格或目标谱形输入到所述仿真软件中，所述仿真软件就会根据内置的仿真模型以及输入的光栅规格或目标谱形自动计算输出所述啁啾光纤光栅的光栅参数。

所述光栅参数包括但不限于所述啁啾光纤光栅的折射率调制空间分布、光栅宽度、光栅单点引入的折射率调制量、制备采用的啁啾函数与啁啾量等。

本实施例中，所述仿真软件可以但不限于为Matlab软件、Comsol软件等。

在上述步骤200中，除了所述时序调制函数以及运动参数之外，所述加工参数还包括但不限于所述飞秒激光脉冲的激光能量、激光重频等。

在上述步骤300中，所述啁啾光纤光栅的折射率调制空间分布包含了所述光纤上相邻两个调制点之间的间距，即所述啁啾光栅的周期，所述啁啾光栅的周期是呈规律性变化的，也就意味着所述光纤上任意相邻两个调制点之间的间距是不同的，其对应于所述飞秒激光脉冲每次的关停时间；所述啁啾光纤光栅的折射率调制空间分布还包含了所述光纤上调制点的宽度，即所述啁啾光栅的光栅宽度，所述啁啾光栅的光栅宽度可以是均匀的，也可以是呈规律性变化的，也就意味着所述光纤上每个调制点的宽度是不同的，其对应于所述飞秒激光脉冲每次的开启时间。

其中，如图1和5所示，所述飞秒激光脉冲的时序调制函数与所述啁啾光纤光栅的光栅周期（相邻两个调制点之间的间距Λ1、Λ2、Λ3、Λ4、Λ5、Λ6）和光栅宽度（调制点的宽度d1、d2、d3、d4、d5、d6）相关，而所述运动参数包括所述光纤沿自身轴向移动的运动速度，所述光栅周期Λ、运动速度v和光栅宽度d分别满足Λ=v*t和d=v*T，t为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中相邻两个脉冲的间隔时间（即所述飞秒激光脉冲每次的关停时间，对应于图5中的0V低电平），T为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中每个脉冲的输出时间（即所述飞秒激光脉冲每次的开启时间，对应于图5中的1V高电平）。

图1中的Λ1有与之相对应的t1、Λ2有与之相对应的t2、Λ3有与之相对应的t3、Λ4有与之相对应的t4、Λ5有与之相对应的t5、Λ6有与之相对应的t6；d1有与之相对应的T1、d2有与之相对应的T2、d3有与之相对应的T3、d4有与之相对应的T4、d5有与之相对应的T5、d6有与之相对应的T6。

所述三维位移平台优选地带动所述光纤沿自身轴向匀速移动，当然，若所述啁啾光纤光栅的光栅规格或目标谱形较为复杂时，所述三维位移平台仍然可以带动所述光纤进行变速运动，此时所述运动参数还包括所述光纤沿自身轴向移动的加速度等，再配合经过时序调制的飞秒激光脉冲，仍然能够降低制备所述啁啾光纤光栅时对所述三维位移平台的运动精度要求。

该方法在步骤300之后，还包括如下步骤：

步骤400：将制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形进行比对，若制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形的差别超过预设误差值，则对所述加工参数进行优化，并执行步骤300。

通过对所述加工参数进行优化，可以进一步制备获得与所述的光栅规格或目标谱形更加匹配的啁啾光纤光栅。为了得到高质量的啁啾光纤光栅，可以执行多次步骤400，以实现对所述加工参数的多次优化迭代，最终可以获得在误差范围内与所需的光栅规格或目标谱形高度匹配的啁啾光纤光栅。

在步骤400中，通过对制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所述的光栅规格或目标谱形两者差别的分析，根据具体情况选择对加工制备采用的光栅周期、啁啾量、激光能量、运动速度、激光重频等参数中的其中一个或者多个进行优化迭代。

具体的，可通过对两者光谱差别进行分析，并根据以下几种情况进行不同的加工参数优化方法：如果两者整体在光谱波长范围差异较大，则需要对光栅周期以及啁啾量等进行更换迭代；这种情况下，加工参数需要较大的调整，包括，可能需要对步骤100中的光栅参数进行调整；以及对步骤200中的加工参数也同步进行调整。

如果两者整体在光谱强度差别较大，则需要对步骤200中的部分加工参数如激光能量、运动速度、激光重频等进行调整；可以保持光栅周期、啁啾量、周期数量等不变，调整加工的能量、改变光栅的调制量来进行匹配。

如果光谱仅在部分区域有差别，可以保持其他区域的加工参数不变，仅对差异较大的区域进行加工参数的调整。

实施例二

如图3所示，一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统，用于实现实施例一所述的方法，包括：

仿真控制子系统，用于根据啁啾光纤光栅所需的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得所述啁啾光纤光栅的光栅参数，然后根据所述啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，所述加工参数包括飞秒激光脉冲的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

高速信号子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下，根据计算出的时序调制函数输出高速开关信号；

飞秒激光子系统，用于根据所述高速信号子系统输出的高速开关信号，向光纤输出飞秒激光脉冲；

运动子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动；

光路子系统，用于调节所述飞秒激光脉冲至所述光纤上的光路方向。

如图4所示，所述仿真控制子系统包括个人电脑，所述高速信号子系统包括高速信号发生器，所述飞秒激光子系统包括飞秒激光器和光功率衰减器，所述运动子系统包括三维位移平台，所述光路子系统包括双色镜、CCD相机和高倍聚焦物镜；所述个人电脑分别连接于所述高速信号发生器和三维位移平台，所述高速信号发生器连接于所述飞秒激光器，所述光功率衰减器、双色镜和高聚焦物镜依次设置于所述飞秒激光器至所述三维位移平台所搭载的光纤之间光路上，所述CCD相机和高倍聚焦物镜相对设置于所述双色镜的两侧上。

所述个人电脑通过仿真软件和控制软件，根据操作者输入的所述啁啾光栅光纤所需的如3dB带宽、反射率、中心波长、啁啾率等光栅规格或者目标光谱，所述仿真软件计算出所述光栅参数，所述控制软件根据所述光栅参数自动计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，然后对所述信号发生器和三维位移平台进行控制；所述个人电脑根据所述加工参数中的时序调制函数控制所述信号发生器向所述飞秒激光器输出相应的高速开关信号输出给所述飞秒激光器，同时根据所述加工参数中的运动参数控制所述三维位移平台带动所述光纤同步移动；所述飞秒激光器在接收到所述信号发生器的高平开启信号后，开启并持续发射飞秒激光脉冲，在接收到所述信号发生器的低平关闭信号后，关闭并停止发射飞秒激光脉冲；所述飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲经所述光功率衰减器衰减至合适功率，所述光功率衰减器通过可精密旋转的半波片与格兰棱镜相配合，以不同的偏振态来选择所述飞秒激光脉冲的通过比例，进而调整所述飞秒激光脉冲的功率；所述双色镜将衰减后的飞秒激光脉冲反射至所述高倍聚焦物镜内，由所述高倍聚焦物镜将所述飞秒激光脉冲聚焦后打在所述三维位移平台的光纤上，以对所述光纤进行折射率调制形成啁啾光栅；所述CCD相机在背景光照明下透过所述双色镜对所述光纤进行成像，实现所述飞秒激光脉冲的调制路径的可视化。

该系统还包括监测子系统，用于监测所述高速信号子系统输出的高速开关信号。所述监测子系统包括示波器，连接于所述信号发生器。

实施例三

一种啁啾光纤光栅，采用实施例一所述的方法制备。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100：根据啁啾光纤光栅所需的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得所述啁啾光纤光栅的光栅参数；

步骤200：根据所述啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出所述啁啾光纤光栅的加工参数，所述加工参数包括飞秒激光脉冲的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

步骤300：根据计算出的时序调制函数向光纤输出飞秒激光脉冲，同时根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动，以制得所述啁啾光纤光栅，所述光纤搭载于一三维位移平台上；

其中，所述光栅参数包括光栅周期和光栅宽度，所述运动参数包括所述光纤沿自身轴向移动的运动速度，所述光栅周期Λ和运动速度v满足Λ=v*t，t为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中相邻两个脉冲的间隔时间，所述光栅宽度d和运动速度v满足d=v*T，T为所述时序调制函数中飞秒激光脉冲中每个脉冲的输出时间。

2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤400：将制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形进行比对，若制备的啁啾光纤光栅的规格或光谱与所需的光栅规格或目标谱形的差别超过预设误差值，则对所述加工参数进行优化，并执行步骤300。

3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述光栅规格包括啁啾光纤光栅的3dB带宽、反射率、中心波长和啁啾率。

4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的方法，其特征在于，所述光栅参数包括啁啾光纤光栅的折射率调制空间分布、光栅宽度、光栅单点引入的折射率调制量、制备采用的啁啾函数与啁啾量。

5.一种基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统，其特征在于，用于实现权利要求1-4中任一所述的方法，包括：

仿真控制子系统，用于根据啁啾光纤光栅的光栅规格或目标谱形，采用仿真软件计算获得啁啾光纤光栅的光栅参数，然后根据获得的啁啾光纤光栅的光栅参数，计算出飞秒激光的时序调制函数，以及与该时序调制函数相匹配的运动参数；

高速信号子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下，根据计算出的时序调制函数输出高速开关信号；

飞秒激光子系统，用于根据所述高速信号子系统输出的高速开关信号，向光纤输出飞秒激光脉冲；

运动子系统，用于在所述仿真控制子系统的控制下根据计算出的运动参数带动所述光纤同步移动。

6.根据权利要求5所述的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统，其特征在于，还包括光路子系统，用于调节所述飞秒激光脉冲至所述光纤上的光路方向。

7.根据权利要求5所述的基于飞秒激光脉冲时序制备啁啾光纤光栅的系统，其特征在于，所述运动子系统包括是三维位移平台。

8.一种啁啾光纤光栅，其特征在于，采用权利要求1-4中任一所述的方法制备。

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