CN205193439U - 硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置 - Google Patents
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Abstract
一种硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，包括飞秒激光光源，还包括位于飞秒激光光源后的消色差1/2波片，位于光路上消色差1/2波片后的偏振分光棱镜，位于偏振分光棱镜后的快门，位于快门后的物镜，位于物镜后方的小孔光阑，位于小孔光阑后的凸透镜，位于凸透镜后的可调光阑，位于可调光阑后的反射镜，反射镜反射的光入射到三棱镜上，所述三棱镜的底面位于待加工的硫系光纤的侧面，从反射镜出射的光分别入射到该三棱镜的另外两边上进而在待加工的硫系光纤的侧面产生干涉场。该硫系光纤光栅的全息光刻装置，充分利用飞秒激光脉冲极高的瞬时功率，极短的持续时间，无需昂贵的掩模板，耗时短，降低成本，并且简单易操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种全息光刻装置，特别是涉及一种硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置。
背景技术
随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为现代科技的发展提供了平台，而光纤技术的发展成为了当今和未来信息科学的重要支柱，而光纤光栅这个新兴的光纤器件，是光纤技术的新进展，其具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，对全光纤器件的制作和发展起着重要的作用。近年来，用于通信波段的石英光纤光栅的研究取得了重大进展，主要集中于光纤光栅的紫外光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究；石英玻璃光纤光栅的制备技术日趋成熟，现阶段则主要集中于非均匀周期的光纤光栅的制作、光纤光栅光学特性及其在光纤激光器及光纤传感中的应用研究。
受石英材料红外截止特性的限制，目前常用的石英光纤光栅无法应用于2微米以上的中红外波段。然而中红外波段是包含十分重要的大气红外窗口，而且覆盖了绝大多数分子的指纹区，如：二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，TNT炸药、沙林神经毒气等危险品，中红外的光纤激光源和光纤传感探测等应用对此波段的光纤光栅提出了强烈的需求。硫系玻璃是以元素周期表VIA族中S，Se，Te为主，并引入一定量的其它类金属元素(Ga、Ge、As、Sb等)所形成的无氧玻璃，其在中远红外具有很宽的透过范围和极小的吸收，而在可见光区域的带边吸收带具有特殊的光敏特性。
硫系玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(1.2um-12um)，有利于多信道的复用，而且硫系玻璃光纤具有较宽的光学间隙，自由电子跃迁造成的能量吸收较小，而且温度对损耗的影响较小，其损耗水平在6微米波长处为0.2dB/m，是非常有前途的光纤。而且，硫系玻璃光纤具有很大的非线性系数，用它制作的非线性器件可以有效地提高光开关的速率，开关速率可以达到数百Gb/s以上。因此，制备的硫系玻璃光纤光栅可以被应用于中红外的光纤传感，用于各种生物分子探测。此外，中红外的光纤激光也是目前人们研究的热点，在中红外光纤激光中，必须要有高质量的光纤光栅作为光纤激光的布拉格反射镜。
目前利用飞秒激光器刻写硫系光纤光栅的基本方法有：传统的全息干涉法、相位掩膜板法、直接逐点刻写法。传统的飞秒激光全息干涉法的优点是突破了纵向驻波法对光栅中心反射波长的限制，使人们可以充分利用最需要的波段；其缺点是对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求，对工作环境要求严格，而且对光路调节有极高的精度要求。传统的飞秒激光相位掩膜法的优点是稳定，重复性好，对光源的相干性要求较低，适于大规模生产。缺点是每块模板只能制作固定或稍有差异周期的光纤光栅，且须严格控制相位模板的刻蚀深度和占空比，高质量的模板造价高。传统的直写逐点刻写法因为飞秒激光作用光纤的过程是一个非线性过程，其对于光强、加工时间、脉冲个数等都不易控制难以刻写出所需的光栅。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提出一种无需模板、不依赖于光纤的光敏性，通过聚焦飞秒激光光束，在固定飞秒激光焦点不动的情况下，利用计算机编程灵活的控制待加工光纤的移动的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，包括飞秒激光光源，其特征在于：还包括位于飞秒激光光源后的消色差1/2波片，位于光路上消色差1/2波片后的偏振分光棱镜，位于偏振分光棱镜后的快门，位于快门后的物镜，位于物镜后方的小孔光阑，位于小孔光阑后的凸透镜，位于凸透镜后的可调光阑，位于可调光阑后的反射镜，反射镜反射的光入射到三棱镜上，所述三棱镜的底面位于待加工的硫系光纤的侧面，从反射镜出射的光分别入射到该三棱镜的另外两边上进而在待加工的硫系光纤的侧面产生干涉场。
为了便于调节待加工的硫系光纤的位置，所述待加工的硫系光纤的一端连接至宽带光源，另一端连接至光谱仪，并且该待加工的硫系光纤固定设于一三维调节平台上，三维调节平台设于一二维移动平台上，并且通过计算机控制该二维移动平台和三维移动平台的移动可以使得该待加工的硫系光纤移动
优选地，所述三棱镜的顶角满足以下公式：其中ΛG为所刻写的光栅的周期，λ0为飞秒激光光源的波长，n为三棱镜的折射率。
为了减少激光的反射对刻写光栅的不利影响，待加工的硫系光纤与三维移动平台之间还设有载玻片，所述载玻片上设有折射率匹配液，折射率匹配液的折射率与三棱镜相同。
优选地，所述凸透镜为将非平行光转化为平行光平凸透镜。
优选地，所述的宽带光源的波长范围800nm-2500nm，光谱仪的测量范围1000nm-2500nm。
为了调节光阑的孔径大小来决定刻写光栅的长度，所述的可调光阑是连续可调的。
优选地，所述反射镜是反射波长范围覆盖飞秒激光光源的波长的宽带介质膜高反射镜。
所述的飞秒激光光源的波长为800nm，重复频率为1KHz，且无热效应。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于该硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，充分利用飞秒激光脉冲极高的瞬时功率，极短的持续时间，无需昂贵的掩模板，由于飞秒激光的瞬时能量密度非常高，它与光纤介质作用形成光栅的过程是一个非线性过程，不依赖于光纤的光敏性，因此也不需要光敏光纤，耗时短，降低成本，并且可以通过更换三棱镜来改变刻写的光栅的周期，简单易操作。
附图说明
图1为本实用新型实施例的光纤结构的示意图。
图2为本实用新型实施例的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
本实用新型的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，如图2所示，包括飞秒激光光源1，以及位于飞秒激光光源1后的消色差1/2波片2，以及位于光路上消色差1/2波片2后侧的偏振分光棱镜3，和位于偏振分光棱镜3后的快门4，以及位于快门4后的物镜5，和位于物镜5后方的小孔光阑6，位于小孔光阑6后的凸透镜7，以及位于凸透镜7后的可调光阑8，位于可调光阑8后的反射镜9，反射镜9反射的光入射到三棱镜10上，三棱镜10位于待加工的硫系光纤12的侧面，待加工的硫系光纤12的一端连接至宽带光源11，另一端连接至光谱仪13，并且该待加工的硫系光纤12固定设于一三维调节平台15上，三维调节平台15设于一二维移动平台17上，并且通过计算机14控制该二维移动平台17和三维移动平台15的移动可以使得该待加工的硫系光纤12移动。并且待加工的硫系光纤12与三维移动平台15之间还设有载玻片16，其上设有折射率匹配液，该载玻片16和折射率匹配液使得光纤更加稳定，且折射率匹配液可以减少激光的反射对刻写光栅的不利影响，其折射率等于三棱镜的折射率。上述三棱镜10的底面位于待加工硫系光纤12的侧面，从反射镜9反射的光入射到该三棱镜10的另外两边上。进而在待加工的硫系光纤12的侧面产生干涉场
其中的凸透镜7为平凸透镜，使得出射的光变为平行光。上述消色差1/2波片2和偏振分光棱镜3实现飞秒激光的功率的连续调节。上述的物镜5和小孔光阑6构成了空间滤波器，经过滤波之后的激光变得更加均匀，保证了刻写的光栅质量。所述的可调光阑8是连续可调的，可通过调节光阑的孔径大小来决定刻写光栅的长度。反射镜9是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。所述的飞秒激光光源1的波长为800nm，重复频率为1KHz，且无热效应。
所述的三棱镜10的顶角θ1满足一定要求，光纤光栅的周期其中λ0为飞秒激光光源的波长，n为三棱镜10的折射率，n＝1.5。
上述宽带光源11的波长范围800nm-2500nm，光谱仪13测量范围1000nm-2500nm。
所刻写的光纤光栅反射谱中心波长在3um-5um之间，且由三棱镜10的顶角夹角来决定：λB＝2neffΛG，其中neff为纤芯的有效折射率，λB为需要制作的光纤光栅的反射谱中心波长。
本装置制作硫系光纤光栅的步骤以及原理描述如下，按照上述装置的各光学器件的顺序搭建好装置，然后剥除光纤涂覆层10，硫系光纤结构图如图1所示，从外向内分别为涂覆层10、包层20和纤芯30。将待加工的硫系光纤12浸泡在二甲基乙酰胺培养皿中半个小时，取出涂层被剥的待加工的硫系光纤12，用乙醇与丙酮溶液对剥离涂层区域充分的擦拭，同时也要清洁整段光纤，放在显微镜下观察裸纤以确定在处理过程中没有造成伤痕。
调节飞秒激光光源1的泵浦和消色差1/2波片2，以便从偏振分光棱镜3出来的激光满足功率的需要。打开快门4，通过调节各个光学器件的位置，调节可调光阑8的孔径大小，调节反射镜9与飞秒激光光源1射出的激光成45度角，以改变激光的方向入射至三棱镜10上，最后通过三棱镜10的干涉，形成能量集中的光斑。
调整光纤的位置，先用一根测试光纤夹持在两个三维的移动平台上，利用飞秒激光脉冲入射，首先确定光纤的轴向方向与光束的入射方向相互垂直，其属于垂直加工方式。然后通过观察衍射条纹的对称性来确定是否激光打在纤芯的正中位置，从而调节以满足衍射条纹完全对称，最后换上待加工的硫系光纤12即可。关闭快门，再微调激光的功率，以便达到功率的所需。打开快门，通过控制计算机的软件界面，编程来控制驱动器的相关参数，控制三维调节平台15和二维移动平台17移动速度，而且计算机还可以对飞秒激光光源进行控制，对光纤逐点曝光造成纤芯折射率周期性的改变而形成光栅。
宽带光源11发出的光通过已经刻写后的光纤光栅后输出到光谱仪13，实时的监测制作过程中硫系光纤光栅的透射谱变化。
本实用新型可以使用Ge25Ga5S70且掺杂Er3+成分的硫系玻璃而制成的硫系光纤，如果要设计该光纤光栅的反射谱中心波长λB＝4um纤芯的有效折射率neff＝2.135，则需要光刻生产的光栅的周期，由公式λB＝2neffΛG得到为ΛG＝0.94um。再根据上述公式计算出需要使用的三棱镜的顶角θ1，从而选用合适的三棱镜，例如当飞秒激光的中心波长λ0为800nm时，三棱镜的折射率n为1.5时，该θ1为90度。另外还可以通过其中公式，算出，三棱镜干涉形成的两束光的夹角θ2为33°。因此，只要根据想要的光栅的中心波长λB，即可设计出光栅的周期，即可得到需要的三棱镜的参数，使用者而已根据需要更换三棱镜来设计不同周期的光栅。
本实用新型的硫系光纤光栅的全息光刻装置，充分利用飞秒激光脉冲极高的瞬时功率，极短的持续时间，无需昂贵的掩模板，由于飞秒激光的瞬时能量密度非常高，它与光纤介质作用形成光栅的过程是一个非线性过程，不依赖于光纤的光敏性，因此也不需要光敏光纤，耗时短，降低成本，并且可以通过更换三棱镜来改变刻写的光栅的周期，简单易操作。
Claims (9)
1.一种硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，包括飞秒激光光源(1)，其特征在于：还包括位于飞秒激光光源(1)后的消色差1/2波片(2)，位于光路上消色差1/2波片(2)后的偏振分光棱镜(3)，位于偏振分光棱镜(3)后的快门(4)，位于快门(4)后的物镜(5)，位于物镜(5)后方的小孔光阑(6)，位于小孔光阑(6)后的凸透镜(7)，位于凸透镜(7)后的可调光阑(8)，位于可调光阑(8)后的反射镜(9)，反射镜(9)反射的光入射到三棱镜(10)上，所述三棱镜(10)的底面位于待加工的硫系光纤(12)的侧面，从反射镜(9)出射的光分别入射到该三棱镜(10)的另外两边上进而在待加工的硫系光纤(12)的侧面产生干涉场。
2.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述待加工的硫系光纤(12)的一端连接至宽带光源(11)，另一端连接至光谱仪(13)，并且该待加工的硫系光纤(12)固定设于一三维调节平台(15)上，三维调节平台(15)设于一二维移动平台(17)上，并且通过计算机(14)控制该二维移动平台(17)和三维移动平台(15)的移动可以使得该待加工的硫系光纤(12)移动。
3.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述三棱镜(10)的顶角(θ1)满足以下公式：其中ΛG为所刻写的光栅的周期，λ0为飞秒激光光源的波长，n为三棱镜(10)的折射率。
4.如权利要求2所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：待加工的硫系光纤(12)与三维移动平台(15)之间还设有载玻片(16)，所述载玻片(16)上设有折射率匹配液，折射率匹配液的折射率与三棱镜(10)相同。
5.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述凸透镜(7)为将非平行光转化为平行光平凸透镜。
6.如权利要求2所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述的宽带光源(11)的波长范围800nm-2500nm，光谱仪(13)的测量范围1000nm-2500nm。
7.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述的可调光阑(8)是连续可调的。
8.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述反射镜(9)是反射波长范围覆盖飞秒激光光源(1)的波长的宽带介质膜高反射镜。
9.如权利要求1所述的硫系光纤光栅的飞秒激光全息光刻装置，其特征在于：所述的飞秒激光光源(1)的波长为800nm，重复频率为1KHz，且无热效应。
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