CN116520484B - 光纤光栅刻写方法、装置及光纤光栅f-p腔 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅刻写方法、装置及光纤光栅F‑P腔，涉及光波导领域，该方法包括：采用第一刻写光束与第二刻写光束叠加，对光纤待刻写区域进行照射；其中第一刻写光束垂直于光纤的延伸方向对光纤进行照射，第一刻写光束为一发散光束或汇聚光束，其具有非平面状态的等相位面；第二刻写光束倾斜照射光纤，与光纤形成一夹角，第二刻写光束为一平行光束；待刻写区域存在垂直于光纤并位于光纤待刻写区域的中点的中心垂直轴线，第一刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第二刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称；该方法简单、灵活、刻写效率高，能够形成起振波长连续可调的光纤光栅F‑P腔。

Description

光纤光栅刻写方法、装置及光纤光栅F-P腔

技术领域

本发明涉及激光器件领域，尤其涉及一种光纤光栅刻写方法、装置及光纤光栅F-P腔。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的光纤元器件，其具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等优点。在光纤激光器、光纤通信及光纤传感等领域有着广泛的应用。

目前常用的光纤光栅刻写方法主要是相位掩模法和逐点刻写法。其中，逐点写入法的刻写装置一般由CO₂激光器、透镜和位移台等组成。CO₂激光器发出的光在传播过程中由透镜进行聚焦，在空间上形成光斑，光斑照射在位移台上的光纤的纤芯上。由于激光照射时会产生热，基于热效应作用可使光纤的纤芯的折射率发生改变。同时，置于位移台上的光纤由位移台控制进行移动(例如以恒定速度移动)，从而实现光纤光栅的在线刻写和周期控制。采用逐点刻写法制备长周期光纤光栅由于光栅区最两端的曝光点和普通光纤之间存在一个折射率突变，产生自啁啾效应，透射谱、反射谱上出现较为严重的边带，公开号为CN111856644A的专利对其进行了改进，通过控制电动水平位移平台逐渐减小光栅两端的折射率调制形成切趾，消除由于逐点曝光刻写法导致的折射率突变。虽然现有技术中出现了各种改进方法，但仍不能克服逐点刻写法刻写效率较低的缺陷。

另外一种目前常用的方法为相位掩模法，主要是利用紫外光透过相位掩模板形成周期性相干条纹；待刻写光纤的纤芯采用光敏材料；当外部相干光入射到纤芯时，其材料性质发生改变，造成纤芯的折射率发生周期性的变化，从而形成光纤光栅。该方法较为简单、灵活，便于批量生产，得到了广泛的应用。如公开号为JP2006099010A的专利公开了紫外激光入射到相位掩模上，并利用相位掩模的衍射现象分成两束，两束光被相对于相位掩模表面对称布置的两个反射镜反射后对光纤进行刻写。但是这种方法加工过程需要掩模板，刻写受到掩模板的限制，不够灵活且价格昂贵。

发明内容

本发明旨在提供一种光纤光栅刻写方法、装置及光纤光栅F-P腔，以解决现有技术中光纤光栅刻写效率低、掩模板昂贵等技术问题，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

一方面，本发明提供了一种光纤光栅刻写方法，包括：采用第一刻写光束与第二刻写光束叠加，对光纤的待刻写区域进行照射；其中所述第一刻写光束垂直于光纤的延伸方向对光纤进行照射，所述第一刻写光束为一发散光束或汇聚光束，其具有非平面状态的等相位面；所述第二刻写光束倾斜照射光纤，与光纤形成一夹角，所述第二刻写光束为一平行光束；所述待刻写区域存在中心垂直轴线，所述中心垂直轴线垂直于光纤并与光纤相交于光纤待刻写区域的中点；第一刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第二刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第一刻写光束和第二刻写光束在光纤待刻写区域叠加形成干涉，相干区域的相对光强分布I成周期性变化，由此对光纤进行刻写，所述相干区域的相对光强分布I 满足：

其中，W为光栅刻写激光波长，单位为米；A为第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度，单位为π；D为双光束干涉区域长度，单位为米；Z为光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离，单位为米；L 为第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离，单位为米，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束；

通过调整第二刻写光束与光纤形成的夹角的角度A，调整相干区域相对光强分布的周期性变化。

根据上述光纤光栅刻写方法，优选的，角度A的调整范围为：0<A≤0.5π。

根据上述光纤光栅刻写方法，优选的，通过调整距离L，调整相干区域相对光强分布的周期性变化，所述距离L的范围为-3m≤L≤3m。

根据上述光纤光栅刻写方法，优选的，0.2π≤A≤0.45π。

另一方面，本发明还提供了一种光纤光栅刻写装置，包括位于待刻写光纤一侧的线光源、分光元件、光学整形元件和反射镜，所述线光源、分光元件、光学整形元件与光纤的待刻写区域的中点在同一垂直于光纤的直线上；其中，所述线光源用于发射单路线性光束；所述分光元件位于线光源与待刻写光纤之间，用于将线光源的出射光分为垂直于光纤延伸方向的第一刻写光束，和与第一刻写光束成一角度的第二刻写光束；所述光学整形元件位于分光元件与待刻写光纤之间，用于将第一刻写光束的等相位面调整至非平面状态；所述反射镜位于分光元件的一侧，用于将分光元件分出的第二刻写光束反射至光纤待刻写区域，并使得第二刻写光束与光纤成一夹角，第一刻写光束和第二刻写光束在光纤待刻写区域叠加形成干涉，相干区域的相对光强分布I成周期性变化，由此对光纤进行刻写，所述相干区域的相对光强分布I 满足：

其中，W为光栅刻写激光波长，单位为米；A为第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度，单位为π；D为双光束干涉区域长度，单位为米；Z为光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离，单位为米；L 为第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离，单位为米，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束；

所述反射镜可以绕中心轴旋转，所述中心轴为第一反射镜自身的中心轴，处于反射面内，所述中心轴与线光源投影垂直，以调节第二刻写光束与光纤的夹角的角度A，并配合光纤沿第一刻写光束方向上下移动，调整相干区域相对光强分布的周期性变化。

根据上述光纤光栅刻写装置，优选地，角度A的调整范围为：且0<A≤0.5π。

根据上述光纤光栅刻写装置，优选的，0.2π≤A≤0.45π。

根据上述光纤光栅刻写装置，优选的，所述分光元件为分光镜或掩模板。

根据上述光纤光栅刻写装置，优选的，所述光学整形元件为发散透镜、汇聚透镜或数字微镜。

根据上述光纤光栅刻写装置，优选地，通过调整距离L，调整相干区域相对光强分布的周期性变化，所述距离L的范围为：-3m≤L≤3m，所述距离L的调整方式为通过替换屈光力不同的光学整形元件进行调整。

第三方面，本发明还提供一种光纤光栅F-P腔，所述光纤光栅F-P腔采用上述光纤光栅刻写方法形成。

上述方法和装置使得光纤光栅的刻写更加简单灵活，且能够降低掩模板的成本，适用于批量生产，并且能够形成起振波长连续可调的光纤光栅F-P腔。

附图说明

图1为本发明的一种光纤光栅刻写装置及光路示意图；

图2为使用本发明实施例的光纤光栅刻写方法所形成的一种光纤光栅示意图；

图3为实施例1所形成的周期性相对光强分布图；

图4为实施例2所形成的周期性相对光强分布图；

图5为实施例3所形成的周期性相对光强分布图；

图6为实施例4所形成的周期性相对光强分布图；

图7为实施例5所形成的周期性相对光强分布图；

图8为实施例6所形成的周期性相对光强分布图；

图9为实施例7所形成的周期性相对光强分布图；

图10为实施例8所形成的周期性相对光强分布图；

图11为实施例9所形成的周期性相对光强分布图；

图12为实施例10所形成的周期性相对光强分布图；

图13为实施例11所形成的周期性相对光强分布图；

图14为实施例12所形成的周期性相对光强分布图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的光纤光栅刻写方法采用一线光源1，所述线光源1出射单路线性光束6，通过分光元件2将所述线光源出射的单路线性光束分为两路光束，分别为第一刻写光束7以及第二刻写光束8；第一刻写光束7垂直朝向光纤延伸方向，经过一光学整形元件3；所述光学整形元件3将第一刻写光束的等相位面调增至非平面状态；第一刻写光束7以主光轴垂直朝向光纤延伸的方向照射在光纤5的待刻写区域9；第二刻写光束8经过第一反射镜4反射，倾斜照射在光纤5的待刻写区域9；第二刻写光束与光纤具有一夹角，夹角的角度为A；所述待刻写区域存在中心垂直轴线，所述中心垂直轴线垂直于光纤并与光纤相交于光纤待刻写区域的中点；第一刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第二刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称。其中第一反射镜优选可以绕中心轴旋转，所述中心轴为第一反射镜自身的中心轴，处于反射面内，与线光源投影垂直，使得上述夹角的角度A可调；并且，通过光纤沿第一刻写光束方向上下移动，配合干涉位置的调整，使得第二刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第一刻写光束与第二刻写光束在光纤待刻写区域叠加形成干涉，相干区域相对光强分布成周期性变化，从而在光纤上刻写出光栅。

如图2所示，由于第一刻写光束被光学整形元件调整至发散光或会聚光的状态，即其等相位面为非平面状态，优选曲面状态，第一刻写光束的聚焦或发散光焦点相对于观察干涉面的距离为L，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束；而第二刻写光束通过反射镜反射后仍然为平行光束，并以角度A照射光纤；第一刻写光束和第二刻写光束叠加形成干涉，相干区域的相对光强分布I成周期性变化，由此对光纤进行刻写，在光纤的待刻写区域形成中心向两边成对称的疏密或密疏变化，疏密或密疏变化程度可通过第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离L 和第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度A 的大小进行调整，从而进一步可以得到起振波长连续可调的光纤光栅F-P腔。

具体来说，相干区域相对光强分布I如以下公式所示：

其中，W为光栅刻写激光波长；A为第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度；D为双光束干涉区域长度；Z为光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离；L 为第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束。

公式中各参数的单位为：角度A的单位为弧度制单位π，波长W的单位为米（m），长度D的单位为米（m），距离Z的单位为米（m），距离L的单位为米（m）。

根据第一刻写光束的汇聚或发散状态不同，L可以为-∞～+∞，根据光纤光栅作为不同的用途，L的范围可以适当的调整，L可通过替换屈光力不同的光学整形元件进行调整。例如在一些实施例中，L的范围可以优选在-3m≤L≤3m，在另外一些实施例中，L的范围可以优选在-0.5m≤L≤0.5m，在另外一些实施例中，L的范围可以优选在-0.3m≤L≤0.3m；

另外，角度A的范围一般为0<A≤0.5π，角度A的范围也可以根据光纤光栅的不同用途做出调整，例如在一些实施例中，角度A的范围可以优选为0.2π≤A≤0.45π，在另一些实施例中，角度A的范围可以优选为0.2π≤A≤1/3π。

作为其中的一种用途，通过上述方法所刻写形成的光纤光栅，可以用作光纤光栅F-P腔（法布里-珀罗谐振腔（Fabry–Pérot cavity）），由此，即可以通过控制第二刻写光束的夹角的角度A，改变F-P腔的起振波长。当刻写形成的光纤光栅作为F-P腔时，夹角的角度A的范围优选在0<A≤0.5π之间，第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离优选在-3m≤L≤3m 之间。

如图1所示，用于实现上述方法的设备可以具体包括位于待刻写光纤正上方的刻写装置，该刻写装置包括线光源1、分光元件2、光学整形元件3以及反射镜4等，所述线光源1、分光元件2、光学整形元件3与光纤的待刻写区域的中点在同一垂直于光纤的直线上；具体地：

线光源1用于发射单路线性光束，作为具体的线光源对其并没有限制，可以为任何可以形成线型光束的光源，在一些实施例中，线光源1可以选自：193nm中紫外准分子激光，248nm中紫外准分子激光，334nm近紫外激光，488nm氩离子激光，10.6μmCO₂激光，400nm飞秒激光，800nm飞秒激光以及常见固体激光器的四倍频激光器、五倍频激光器（其波长为266nm、213nm）中的一种。

分光元件位于线光源的正下方，用于将线光源的出射光分为垂直于光纤延伸方向的第一刻写光束和与第一刻写光束成一夹角的第二刻写光束；作为分光元件可以采用任何几何光学的分光元件，如分光镜等，而不限制为相位掩模板。

光学整形元件位于分光元件的正下方，用于将第一刻写光束的等相位面调整至非平面状态，所述光学整形元件可以采用任何的可以实现上述功能的光学元件，如发散透镜、会聚透镜、数字微镜等，在此不做限制。

反射镜位于分光元件的一侧，优选一平面反射镜，所述反射镜用于将分光元件分出的第二刻写光束反射至光纤待刻写区域，并使得第二刻写光束与光纤形成夹角，所述夹角的角度为A；并且优选该反射镜可以绕中心轴旋转，使得第二刻写光束的夹角的角度A的大小可调。

以下，通过具体实施例的方式，对本申请提供进一步的说明。应该指出，以下详细说明仅为示例性的，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

实施例1-12 分别对第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度A 和第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离L 进行不同的取值，以示出第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度A 和第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离L 对于相对光强分布周期性变化的影响。

实施例1-12中，

光栅刻写激光波长：W=248nm=2.48*10^-7m；

双光束干涉区域长度D=0.01m。

在每一个实施例的刻写过程中，第二刻写光束与光纤的夹角的角度A和第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离L的取值是固定的，而相对光强分布I在不同区域的取值随着光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离Z的变化而变化，在实施例1-12中，角度A和距离L的取值分别如表1所示：

表1

图3-14示出了实施例1-12的情况下，焦点距观察干涉面的距离L与夹角的角度A的变化对于相对光强分布变化的影响。在每个图中，横坐标代表光栅的刻写位置（即光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离Z），纵坐标代表相对光强分布I。可以看出焦点距观察干涉面的距离L与夹角的角度A的变化都能够起到对全相对光强分布周期变化的影响，其中焦点距观察干涉面的距离L的调整能够起到大范围调整效果，调整夹角的角度A能够得到微调效果。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了元件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该元件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光纤光栅刻写方法，包括：采用第一刻写光束与第二刻写光束叠加，对光纤的待刻写区域进行照射；其特征在于：其中所述第一刻写光束垂直于光纤的延伸方向对光纤进行照射，所述第一刻写光束为一发散光束或汇聚光束，其具有非平面状态的等相位面；所述第二刻写光束倾斜照射光纤，与光纤形成一夹角，所述第二刻写光束为一平行光束；所述待刻写区域存在中心垂直轴线，所述中心垂直轴线垂直于光纤并与光纤相交于光纤待刻写区域的中点；第一刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称，第二刻写光束在待刻写区域形成的光斑关于所述中心垂直轴线对称；第一刻写光束和第二刻写光束在光纤待刻写区域叠加形成干涉，相干区域的相对光强分布I成周期性变化，由此对光纤进行刻写，所述相干区域的相对光强分布I 满足：

其中，W为光栅刻写激光波长，单位为米；A为第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度，单位为π；D为双光束干涉区域长度，单位为米；Z为光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离，单位为米；L 为第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离，单位为米，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束；

通过调整第二刻写光束与光纤形成的夹角的角度A，调整相干区域相对光强分布的周期性变化。

2.如权利要求1所述的光纤光栅刻写方法，其特征在于，角度A的调整范围为：0<A≤0.5π。

3.如权利要求2所述的光纤光栅刻写方法，其特征在于，0.2π≤A≤0.45π。

4.如权利要求1所述的光纤光栅刻写方法，其特征在于，通过调整距离L，调整相干区域相对光强分布的周期性变化，所述距离L的范围为：-3m≤L≤3m。

5.一种光纤光栅刻写装置，包括位于待刻写光纤一侧的线光源、分光元件、光学整形元件和反射镜，所述线光源、分光元件、光学整形元件与光纤的待刻写区域的中点在同一垂直于光纤的直线上；其中，所述线光源用于发射单路线性光束；所述分光元件位于线光源与待刻写光纤之间，用于将线光源的出射光分为垂直于光纤延伸方向的第一刻写光束，和与第一刻写光束成一角度的第二刻写光束；所述光学整形元件位于分光元件与待刻写光纤之间，用于将第一刻写光束的等相位面调整至非平面状态；所述反射镜位于分光元件的一侧，用于将分光元件分出的第二刻写光束反射至光纤待刻写区域，并使得第二刻写光束与光纤成一夹角；第一刻写光束和第二刻写光束在光纤待刻写区域叠加形成干涉，相干区域的相对光强分布成周期性变化，由此对光纤进行刻写，所述相干区域相对光强分布I满足：

其中，W为光栅刻写激光波长，单位为米；A为第二刻写光束与光纤之间的夹角的角度，单位为π；D为双光束干涉区域长度，单位为米；Z为光纤当前刻写位置与待刻写区域远离第二刻写光束入射方向的端点之间的距离，单位为米；L 为第一刻写光束的焦点相对于观察干涉面的距离，单位为米，所述观察干涉面为第一刻写光束和第二刻写光束发生干涉的平面，且所述观察干涉面垂直于第一刻写光束；

所述反射镜可以绕中心轴旋转，所述中心轴为第一反射镜自身的中心轴，处于反射面内，所述中心轴与线光源投影垂直，以调节第二刻写光束与光纤的夹角的角度A，并配合光纤沿第一刻写光束方向上下移动，调整相干区域光强分布的周期性变化。

6.如权利要求5所述的光纤光栅刻写装置，其特征在于，角度A的调整范围为：0<A≤0.5π。

7.如权利要求6所述的光纤光栅刻写装置，其特征在于，0.2π≤A≤0.45π。

8.如权利要求5所述的光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述分光元件为分光镜或掩模板。

9.如权利要求5所述的光纤光栅刻写装置，其特征在于，所述光学整形元件为发散透镜、汇聚透镜或数字微镜。

10.如权利要求5或9所述的光纤光栅刻写装置，其特征在于，通过调整距离L，调整相干区域光强分布的周期性变化，所述距离L的范围为：-3m≤L≤3m，所述距离L的调整方式为通过替换屈光力不同的光学整形元件进行调整。

11.一种光纤光栅F-P腔，其特征在于，所述光纤光栅F-P腔采用权利要求1-4之一所述的光纤光栅刻写方法形成。