CN115236798A - 一种光纤光栅及其制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅及其制备装置和制备方法，属于光纤技术领域。本发明的光纤光栅制备装置包括光纤、三维精密位移台、飞秒激光光源、反射镜、激光能量调节器、光快门、精密针孔、二向色镜、聚焦物镜、CCD相机以及光谱监测系统，飞秒激光光源发出的飞秒激光光束经反射镜、激光能量调节器、光快门、精密针孔和二向色镜，由聚焦物镜聚焦于光纤的纤芯，用于刻写光纤光栅，精密针孔的中心正对所述飞秒激光光束的正中心，限制进入聚焦物镜的飞秒激光光束的光斑直径，在光纤内形成贯穿纤芯和包层的光滑的丝状光栅条纹。本发明制备的光纤光栅具有低短波损耗、高反射率的特点。

Description

一种光纤光栅及其制备装置和制备方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种光纤光栅及其制备装置和制备方法。

背景技术

光纤光栅具有复用能力强、尺寸小、灵敏度高、响应速度快等优点。飞秒激光制备的光纤光栅可耐受超过1000℃高温，在航空航天、核电和冶金等高温环境下参数测量领域具有广泛应用。

在飞秒激光制备光纤光栅的现有方法中，CN111221072A公开了一种使用飞秒激光刻写光纤光栅的装置及方法，CN102699523A公开了一种飞秒激光程控式逐点长周期光纤光栅制备装置。其中，飞秒激光逐点法既不需要相位掩模板，也不特别需要光敏光纤，具有很高的灵活性，是制备光纤光栅的常用方法。该方法制备的光纤光栅通常表现出较大的短波损耗，串联的光栅越多损耗越大，这导致传感光栅数量受到极大限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够抑制短波损耗的光纤光栅及其制备装置和制备方法。

本发明的一个方面提供一种光纤光栅制备装置，包括光纤、三维精密位移台、飞秒激光光源、反射镜、激光能量调节器、光快门、精密针孔、二向色镜、聚焦物镜、CCD相机以及光谱监测系统，

所述光纤具有纤芯、包层和可透光的涂覆层；

所述三维精密位移台用于固定所述光纤，能够带动所述光纤移动从而调整所述光纤的空间位置；

所述飞秒激光光源用于发出飞秒激光光束，所述飞秒激光光束经所述反射镜、所述激光能量调节器、所述光快门、所述精密针孔和所述二向色镜，由所述聚焦物镜聚焦于所述光纤的纤芯，用于刻写光纤光栅；

所述反射镜用于调整所述飞秒激光光束的方向，使所述飞秒激光光束沿所述聚焦物镜的中心轴向入射；

所述激光能量调节器用于实时监测所述飞秒激光光源的激光功率，调节透射的飞秒激光光束的激光能量；

所述光快门用于控制所述飞秒激光光束的通断；

所述精密针孔位于所述光快门与所述二向色镜之间，所述精密针孔的中心正对所述飞秒激光光束的正中心，所述精密针孔的直径小于所述飞秒激光光束的光斑直径，并且，所述精密针孔的直径与所述光纤的包层的直径满足以下关系：

式中，

为所述精密针孔的直径，

为光纤的包层的直径，

为所述聚焦物镜的焦距，

为所述光纤的有效折射率，

为所述飞秒激光光束的波长；

所述二向色镜用于将所述飞秒激光光束反射进入所述聚焦物镜，并且将所述聚焦物镜内放大的光纤图像透射进入所述CCD相机；

所述聚焦物镜用于将所述飞秒激光光束聚焦于所述光纤的纤芯以刻写光纤光栅，并且形成放大的光纤图像；

所述CCD相机用于透过所述二向色镜采集所述聚焦物镜放大的光纤图像，用于监测光纤的空间位置和所刻写的光纤光栅的形态；

所述光谱监测系统用于监测所刻写的光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

优选地，所述光纤光栅制备装置还包括上位机，所述上位机与所述三维精密位移平台和所述光快门连接，用于控制所述三维精密位移平台的移动以及所述光快门的打开和关闭。

优选地，所述光谱监测系统包括宽带光源、耦合器和光谱仪，所述宽带光源通过所述耦合器与光纤连接，所述宽带光源发出的光经所述耦合器进入光纤，由所述光谱仪接收，用于监测光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

优选地，所述三维精密位移台带有用于固定光纤的光纤夹具，所述光纤夹具包括基座、夹盖和一对磁吸，所述一对磁吸分别设置在所述基座和所述夹盖的对应位置上，用于通过吸引力夹紧光纤。

优选地，所述激光能量调节器包括半波片、格兰棱镜、分光镜和光功率计，所述飞秒激光光束通过所述半波片和所述格兰棱镜，由所述分光镜将一部分的激光反射进入所述光功率计，用于实时监测所述飞秒激光光源的激光功率，将剩余另一部分激光透射。

本发明的另一个方面提供一种光纤光栅制备方法，利用上述的光纤光栅制备装置制备光纤光栅，所述制备方法包括：

调整步骤S1：对光纤施加一定的预紧力，固定在所述三维精密位移平台上，在拟刻写的光栅长度内，调整所述三维精密位移平台带动光纤移动，利用所述CCD相机透过所述二向色镜观察，使所述聚焦物镜的焦点始终位于光纤的纤芯正中；

刻写步骤S2：打开所述飞秒激光光源，打开所述光快门，使所述三维精密位移平台沿光纤轴向匀速移动，到达拟刻写的光栅长度后，关闭所述光快门，同时使所述三维精密位移平台停止移动；

监测步骤S3：通过所述光谱监测系统监测所刻写的光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

优选地，在所述刻写步骤S2中，所刻写的光纤光栅的周期Λ、所述三维精密位移平台沿光纤轴向的移动速度ν以及所述飞秒激光光源的飞秒激光重复频率

之间满足：

。

本发明的又一个方面提供一种光纤光栅，所述光纤光栅是利用上述的光纤光栅制备方法制备得到的。

优选地，所述光纤光栅具有纤芯、包层、涂覆层以及贯穿所述纤芯和所述包层的光栅条纹。

优选地，所述光纤光栅的光栅条纹呈丝状，具有平滑的壁面。

根据本发明的上述方面的制备装置和制备方法制备的光纤光栅具有低短波损耗、高反射率的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明一种实施方式的光纤光栅制备装置的结构示意图。

图2是本发明一种实施方式的光纤光栅制备方法的流程图。

图3是本发明一种实施方式的光纤光栅的正视示意图。

图4是本发明一种实施方式的光纤光栅的横截面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施方式提供一种光纤光栅制备装置，图1是本发明一种实施方式的光纤光栅制备装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式的光纤光栅制备装置包括光纤1、三维精密位移台2、飞秒激光光源3、反射镜4、激光能量调节器5、光快门6、精密针孔7、二向色镜8、聚焦物镜9、CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）相机10以及光谱监测系统11。

光纤1包括纤芯、包层和可透光的涂覆层。光纤1是具有芯包结构（纤芯和包层）的实心光纤，具有可透光的涂覆层，不同于现有的光纤光栅制备工艺，在本发明实施方式的光纤光栅制备工艺中，无需剥除涂覆层，无需载氢。

三维精密位移台2用于固定光纤1，能够带动光纤1移动从而调整光纤1的空间位置。三维精密位移台2具有微米级的位移精度，可带动光纤1在三个相互垂直的方向上按照设定的速度移动。三维精密位移台2带有光纤夹具，可固定已施加预紧力的光纤1。光纤夹具可以有一个以上，固定于三维精密位移台2上，用于固定光纤1，包括基座、夹盖和一对磁吸。基座上加工有直径例如0.125mm的沟槽，用于放置光纤1，夹盖上装有与基座沟槽位置对应的橡胶垫块，防止夹断光纤1，基座和夹盖上的对应位置各设置有所述一对磁吸中的一块，所述一对磁吸通过吸引力对光纤1施加压力，夹紧光纤1。

飞秒激光光源3发出飞秒激光光束，飞秒激光光束经反射镜4、激光能量调节器5、光快门6、精密针孔7、二向色镜8，由聚焦物镜9聚焦于光纤1的纤芯，用于刻写光纤光栅。在一个实施例中，飞秒激光光源3的波长为800纳米，重复频率为1000赫兹，脉宽为120飞秒，单脉冲能量范围为0毫焦至6毫焦。反射镜4调整飞秒激光光束方向，使飞秒激光光束最终沿聚焦物镜9的中心轴向入射。

激光能量调节器5实时监测飞秒激光光源3的激光功率，调节透射的飞秒激光光束的激光能量。激光能量调节器5包括半波片、格兰棱镜、分光镜和光功率计，飞秒激光光束通过半波片和格兰棱镜，再经过分光镜，由分光镜将一部分已知比例的激光反射进入光功率计，用于实时监测计算激光功率，将剩余另一部分激光透射。在一个实施例中，分光镜在800纳米光波长处反射率为0.1%，透射率为99.9%。光功率计示值乘以1000即为飞秒激光光源3的输出功率。激光能量调节器5通过实时监测激光功率，保证飞秒激光光源3的激光器光能量在光栅刻制过程中始终保持稳定，以避免激光器光能量波动引起的光栅之间一致性变差的问题。

激光能量调节器5通过调节透射激光的比例来调节激光能量大小，使聚焦后的激光能量适中，既达到或超过纤芯和包层的损伤阈值，可刻写光栅条纹，又不可过高，防止烧蚀断光纤1。

光快门6控制飞秒激光光束的通断，精密针孔7位于光快门6与二向色镜8之间。精密针孔7的中心正对飞秒激光光束的正中心，精密针孔7的直径小于飞秒激光光束的光斑直径，用于限制进入聚焦物镜9的飞秒激光光束的光斑直径，增大焦点处的瑞利长度，使其大于或等于光纤的包层直径，使折射率调制区域呈丝状，覆盖贯穿纤芯和包层的区域。为提高飞秒激光聚焦光斑的瑞利长度，保证刻写光栅条纹呈丝状，贯穿纤芯和包层，精密针孔7的直径

与光纤的包层直径

之间满足以下式（1）的关系：

（1）

式中，

为聚焦物镜9的焦距，

为光纤1的有效折射率，

为飞秒激光的波长。

在一个实施例中，使用焦距

为2毫米的聚焦物镜9，波长

为800纳米的飞秒激光，包层直径0.125毫米的标准石英单模光纤制备光纤光栅，所需精密针孔7的直径

应小于108.7微米，实际使用直径

为100微米的精密针孔7可满足需求。

精密针孔7还会对飞秒激光光束进行低通滤波，滤除飞秒激光传输过程中激发的高频成分，消除高频成分在光栅条纹壁面产生的毛刺，使光纤光栅条纹具有光滑的壁面。

二向色镜8将飞秒激光光束反射进入聚焦物镜9，并且将聚焦物镜9内放大的实芯光纤图像透射进入CCD相机10。聚焦物镜9将飞秒激光光束聚焦于光纤1的纤芯，用于提高激光能量密度，使其达到或超过纤芯和包层的损伤阈值，在聚焦区域诱导产生微爆炸，形成光栅条纹；同时还将实芯光纤的结构放大，形成放大的实芯光纤图像。

CCD相机10透过二向色镜8采集聚焦物镜9放大的实芯光纤图像，用于监测光纤空间位置和光纤光栅形态。光纤空间位置用于反馈调整三维精密位移平台2，从而在拟刻写的光栅长度内，使聚焦物镜9的焦点始终位于光纤1的纤芯正中。光纤光栅形态用于反馈调整激光能量大小，使聚焦后的激光能量适中，既达到或超过纤芯和包层的损伤阈值，可刻写光栅条纹，又不可过高，防止烧蚀断光纤1。

光谱监测系统11用于监测所刻写的光纤光栅的反射光谱、透射光谱以及性能指标。光谱监测系统包括宽带光源、耦合器和光谱仪。宽带光源通过耦合器与光纤1连接，宽带光源发出的光经耦合器进入光纤1，再由光谱仪接收，用于监测光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。光纤1上刻写的光栅反射的光经耦合器进入光谱仪，可监测反射光谱，用于分析反射光谱形态是否合格，以及检测中心波长和3dB带宽等光栅性能指标。光纤光栅透射的光进入光谱仪，可监测透射光谱，用于分析透射光谱形态是否合格，以及检测反射率和短波损耗等光栅性能指标。根据反射光谱、透射光谱及各项光栅性能指标，调整激光器能量大小和精密针孔7的直径，以制备出预期光谱形态和性能指标的光栅。

在一个实施例中，本发明实施方式的光纤光栅制备装置还包括上位机，所述上位机可以与三维精密位移平台2连接，控制三维精密位移平台2的移动；与光快门6连接，控制所述光快门6的打开和关闭。所述上位机还可以与飞秒激光光源3连接，用于调整飞秒激光光源3的飞秒激光重复频率。飞秒激光重复频率是飞秒激光光源3每秒内发出的飞秒激光脉冲数量，每一个飞秒激光脉冲可刻写一条光纤光栅条纹。所述上位机还可以与激光能量调节器5连接，控制激光能量调节器5透射激光的比例，从而控制激光能量，使聚焦物镜9聚焦后的激光能量达到或超过光纤1的纤芯和包层的损伤阈值。

本发明的实施方式还提供一种光纤光栅制备方法，利用本发明实施方式的光纤光栅制备装置制备光纤光栅。图2是本发明一种实施方式的光纤光栅制备方法的流程图。如图2所示，本发明实施方式的光纤光栅制备方法包括以下步骤S1-S3。

步骤S1为调整步骤，固定并调整光纤位置。在步骤S1中，对光纤1施加一定的预紧力，固定在三维精密位移平台2上。在一个实施例中，可以利用光纤夹具夹紧光纤1。在拟刻写的光栅长度内，调整三维精密位移平台2带动光纤移动，利用CCD相机10透过二向色镜8观察，使聚焦物镜9的焦点始终位于光纤纤芯正中。在一个实施例中，可以通过上位机设置拟刻写的光纤光栅的长度。

步骤S2为刻写步骤，刻写光纤光栅。打开飞秒激光光源3，打开光快门6，使三维精密位移平台2沿光纤1的轴向以速度ν匀速移动；到达拟刻写的光栅长度后，关闭光快门6，同时三维精密位移平台2停止移动，制备得到光纤光栅。制备得到的光栅每两个条纹之间距离为光纤光栅的周期Λ， 其与三维精密位移平台2沿光纤轴向的移动速度ν、飞秒激光重复频率

之间满足：

在一个实施例中，可以通过上位机设定三维精密位移平台2沿光纤轴向的移动速度ν为535.295微米每秒，飞秒激光重复频率

为500赫兹来刻写光纤光栅，制备得到周期1.0706微米的光纤光栅。并且，可以通过上位机控制三维精密位移平台2的移动和光快门6的打开和关闭。

步骤S3为监测步骤，监测光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。在一个实施例中，刻制谐振峰在1550纳米附近反射率75%的光栅，在谐振峰的短波方向例如1510纳米处，刻写的光纤光栅损耗为0.25dB，显著低于现有技术刻写的光纤光栅的1.8dB。

本发明的实施方式还提供一种光纤光栅，所述光纤光栅是利用本发明实施方式的光纤光栅制备方法制备得到的。图3是本发明一种实施方式的光纤光栅的正视示意图。图4是本发明一种实施方式的光纤光栅的横截面示意图。如图3和图4所示，本发明实施方式的光纤光栅具有纤芯21、包层22、涂覆层23以及贯穿纤芯21和包层22的光栅条纹24。光纤光栅的光栅条纹呈丝状，具有平滑、无毛刺的壁面。本发明实施方式的光纤光栅既可以是布拉格光栅，也可以是其它类型的长周期光栅；既可以是光栅条纹等间距分布的光栅，也可以是不等间距光栅，例如啁啾光栅。

如上所述，与现有技术相比，利用本发明实施方式的光纤光栅制备装置和制备方法刻写的光纤光栅条纹呈丝状，贯穿纤芯和包层，具有平滑的壁面，减少了光栅条纹对短波长方向入射光的米氏散射，有效抑制了光纤光栅的短波损耗，同时提高了耦合强度，有效提高了光纤光栅的反射率。本发明抑制短波损耗的光纤光栅具有制备方法简单、性能稳定、损耗小等特点，在光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域具有良好的应用价值。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种光纤光栅制备装置，其特征在于，包括光纤、三维精密位移台、飞秒激光光源、反射镜、激光能量调节器、光快门、精密针孔、二向色镜、聚焦物镜、CCD相机以及光谱监测系统，

所述光纤具有纤芯、包层和可透光的涂覆层；

所述三维精密位移台用于固定所述光纤，能够带动所述光纤移动从而调整所述光纤的空间位置；

所述飞秒激光光源用于发出飞秒激光光束，所述飞秒激光光束经所述反射镜、所述激光能量调节器、所述光快门、所述精密针孔和所述二向色镜，由所述聚焦物镜聚焦于所述光纤的纤芯，用于刻写光纤光栅；

所述反射镜用于调整所述飞秒激光光束的方向，使所述飞秒激光光束沿所述聚焦物镜的中心轴向入射；

所述激光能量调节器用于实时监测所述飞秒激光光源的激光功率，调节透射的飞秒激光光束的激光能量；

所述光快门用于控制所述飞秒激光光束的通断；

所述精密针孔位于所述光快门与所述二向色镜之间，所述精密针孔的中心正对所述飞秒激光光束的正中心，所述精密针孔的直径小于所述飞秒激光光束的光斑直径，并且，所述精密针孔的直径与所述光纤的包层的直径满足以下关系：

式中，

为所述精密针孔的直径，

为光纤的包层的直径，

为所述聚焦物镜的焦距，

为所述光纤的有效折射率，

为所述飞秒激光光束的波长；

所述二向色镜用于将所述飞秒激光光束反射进入所述聚焦物镜，并且将所述聚焦物镜内放大的光纤图像透射进入所述CCD相机；

所述聚焦物镜用于将所述飞秒激光光束聚焦于所述光纤的纤芯以刻写光纤光栅，并且形成放大的光纤图像；

所述CCD相机用于透过所述二向色镜采集所述聚焦物镜放大的光纤图像，用于监测光纤的空间位置和所刻写的光纤光栅的形态；

所述光谱监测系统用于监测所刻写的光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

2.如权利要求1所述的光纤光栅制备装置，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述三维精密位移台和所述光快门连接，用于控制所述三维精密位移台的移动以及所述光快门的打开和关闭。

3.如权利要求1或2所述的光纤光栅制备装置，其特征在于，所述光谱监测系统包括宽带光源、耦合器和光谱仪，所述宽带光源通过所述耦合器与光纤连接，所述宽带光源发出的光经所述耦合器进入光纤，由所述光谱仪接收，用于监测光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

4.如权利要求1或2所述的光纤光栅制备装置，其特征在于，所述三维精密位移台带有用于固定光纤的光纤夹具，所述光纤夹具包括基座、夹盖和一对磁吸，所述一对磁吸分别设置在所述基座和所述夹盖的对应位置上，用于通过吸引力夹紧光纤。

5.如权利要求1或2所述的光纤光栅制备装置，其特征在于，所述激光能量调节器包括半波片、格兰棱镜、分光镜和光功率计，所述飞秒激光光束通过所述半波片和所述格兰棱镜，由所述分光镜将一部分的激光反射进入所述光功率计，用于实时监测所述飞秒激光光源的激光功率，将剩余另一部分激光透射。

6.一种光纤光栅制备方法，利用如权利要求1-5中任一项所述的光纤光栅制备装置制备光纤光栅，其特征在于，所述制备方法包括：

调整步骤S1：对光纤施加一定的预紧力，固定在所述三维精密位移台上，在拟刻写的光栅长度内，调整所述三维精密位移台带动光纤移动，利用所述CCD相机透过所述二向色镜观察，使所述聚焦物镜的焦点始终位于光纤的纤芯正中；

刻写步骤S2：打开所述飞秒激光光源，打开所述光快门，使所述三维精密位移台沿光纤轴向匀速移动，到达拟刻写的光栅长度后，关闭所述光快门，同时使所述三维精密位移台停止移动；

监测步骤S3：通过所述光谱监测系统监测所刻写的光纤光栅的反射光谱、透射光谱和性能指标。

7.如权利要求6所述的光纤光栅制备方法，其特征在于，在所述刻写步骤S2中，所刻写的光纤光栅的周期Λ、所述三维精密位移台沿光纤轴向的移动速度ν以及所述飞秒激光光源的飞秒激光重复频率

之间满足：

。

8.一种光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅是利用如权利要求6或7所述的光纤光栅制备方法制备得到的。

9.如权利要求8所述的光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅具有纤芯、包层、涂覆层以及贯穿所述纤芯和所述包层的光栅条纹。

10.如权利要求8或9所述的光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅的光栅条纹呈丝状，具有平滑的壁面。

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