CN208172292U - 长周期光纤光栅制备装置 - Google Patents

Abstract

提供一种长周期光纤光栅制备装置，包括飞秒激光器、半波偏振片、带光阑的衰减片、二向色反射镜、第一物镜、待加工光纤、超宽带连续光源、光谱分析仪和连接高精度三维运动平台的计算机；位于二向色反射镜后方，与反射后激光光路和第一物镜同轴设有第一CCD摄像头；与第一CCD摄像头呈锐角设有第二物镜和第二CCD摄像头。本实用新型在结构更为精简、设计灵活、高温性能稳定、成本低的基础上，可充分提高激光与光纤对准的准确度和效率；能满足垂直和倾角两种光纤光栅的刻制、监察、监视需求；使用多元化，功能更全面。

Description

长周期光纤光栅制备装置

技术领域

本实用新型属于作业运输领域使用激光束加工光纤光栅的装置技术领域，具体涉及一种长周期光纤光栅制备装置。

背景技术

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件。其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。按周期分为布拉格光栅和长周期光栅。其中，长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LGFP)，周期为几十到几百微米，与传统布拉格光栅相比，具有无后向反射、抗电磁干扰、色散低等优点，于光纤系统具有良好的兼容性，成为光纤传感和光纤通信领域最具潜力的无源光子器件之一。目前，制备长周期光纤光栅主要分为一般光纤上制作长周期光纤光栅和在特殊光纤上制作长周期光纤光栅；在一般光纤上制作长周期光纤光栅又分为基于非形变法制作长周期光纤光栅和形变法制作长周期光纤光栅；非形变法以幅掩模法和逐点写入法为代表。不同的LGFP制作方法影响着光栅的性能，从而制约着其应用。如应用高频CO2激光器、紫外准分子激光器以及飞秒激光器制作LGFP等。其中，高频CO2激光器、紫外准分子激光器为常用制栅激光器，但此类激光器在写制前需要对裸光纤进行载氢处理；在高温条件下，光纤光栅的特性会出现漂移、退化，并有可能完全消失；如不经过特殊处理，无法完成在高温下的检测；相较而言，飞秒激光器的高强度超短脉冲，在聚焦后功率密度可达到10¹²～10¹⁵w/cm²；写制光栅无需经过载氢处理；且与光纤相互作用时，通过造成永久性损伤改变其折射率，刻写的光栅具有大的折射率调制、窄的线宽、高的温度稳定性等特性，故推广应用的潜在价值更高。但是，利用飞秒激光采用逐点写入法加工长周期LPFG，对聚焦系统的定位精度要求很高，需要将μm量级的激光聚焦后光斑聚焦进光纤纤芯，而且在刻写光栅过程中要保证光纤始终与光纤移动方向平行。对此，现提供一种能对一般光纤刻制长周期光纤光栅，结构更为紧凑、组成结构更为简单；成本更低；并能省去相位掩膜板，无需过载氢处理；有利提高聚焦定位精度；在高温条件下性能稳定；且尤其有利完成垂直光栅刻制和倾角光栅刻制的改进型光纤光栅制备装置技术方案。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题：提供一种长周期光纤光栅制备装置，实现结构更为简单，成本更低，并能省去相位掩膜板，且无需过载氢处理，同时有利提高聚焦定位精度，并在高温条件下性能稳定；且不仅有利垂直光栅刻制，同时有利倾角光栅刻制定位的改进型光纤光栅制备装置，满足高品质、性能稳定、低成本投入、多品类的长周期光纤光栅的制备需求。

本实用新型采用的技术方案：长周期光纤光栅制备装置，包括激光器、反射镜、待加工光纤、高精度三维运动平台、超宽带连续光源、光谱分析仪和计算机，其特征在于：所述激光器为飞秒激光器；所述飞秒激光器与反射镜之间设有半波偏振片和可连续调节功率的衰减片；且所述衰减片前端同轴一体式固连光阑；且所述反射镜为二向色反射镜；且经二向色反射镜反射后的激光光路通过第一物镜聚焦后照射在一端连接超宽带连续光源另一端连接光谱分析仪(并通过夹具固定于高精度三维运动平台上的待加工光纤写制光纤光栅；位于二向色反射镜后方，并与二向色反射镜反射后的激光光路和第一物镜同轴设有第一CCD摄像头；与第一CCD摄像头的轴线和待加工光纤轴线所确定的平面处于同一平面，位于待加工光纤轴线上方旁侧并与第一CCD摄像头的轴线呈锐角设有第二CCD摄像头和设于第二CCD摄像头轴向前端的第二物镜；且计算机与高精度三维运动平台通信连接。

上述技术方案中，优选地：所述激光器为美国光谱物理公司生产的钛蓝宝石飞秒激光器，并包括顺次连接的泵浦光源、飞秒激光振荡器和激光放大器；且所述激光器的飞秒激光脉冲功率为4W，中心波长为800nm,频率为1kHz，脉宽为200fs。

上述技术方案中，优选地：所述高精度三维运动平台为微米量级与可控机械系统结合的可控电动移动平台；其结合shutter开关完成光纤光栅不同参数下写制工作的启停控制；其通过控制平台移动速率、移动长度、移动次数实现写制光纤光栅的不同周期、不同长度调制；其通过X轴、Y轴、Z轴的移动实现待加工光纤与激光器飞秒激光的精确对准。

上述技术方案中，进一步地：所述高精度三维运动平台的夹具上方设有保证其上方第一CCD摄像头和第二CCD摄像头观测待加工光纤纤芯位置及刻写形态的直流调压光源。

需要说明的是：所述第一物镜和第二物镜为20倍显微物镜。

需要说明的是：所述第一CCD摄像头和第二CCD摄像头还连接监视器。

需要说明的是：所述待加工光纤为剥去涂覆层，且未做载氢处理的一般单模光纤。

需要说明的是：所述超宽带连续光源为NKT Photonics波长范围为500～2400nm的超宽带连续光源。

需要说明的是：所述光谱分析仪为日本YOKOGAWA公司工作波长范围为1200～1700nm实时监控光谱透射谱的AQ6370B光谱分析仪。

本实用新型与现有技术相比的优点：

1、本方案同一平面内垂直和倾斜第一CCD摄像头和第二CCD摄像头的设置；垂直于光纤设置的第一CCD摄像头有利监视垂直光栅的刻制监察、监视；与垂直的第一CCD摄像头处于同一平面，呈一定锐角夹角倾斜设置的第二CCD摄像头有利倾斜光纤光栅的刻制监察、监视；因此该装置可满足多品类长周期光纤光栅的制备需求；应用领域覆盖更广、更全面；

2、本方案第一CCD摄像头和第二CCD摄像头结合使用时，有利提高激光与光纤聚焦精确度；

3、本方案，在未作增敏处理的单模光纤内，可刻写后向反射损耗低、强度大、线宽窄、光谱更为平滑(参见图3)的长周期光纤光栅；

4、本方案无需双反射镜反射；无需相位掩模板；衰减片前端同轴一体式固连光阑的结构改进，无需设置多个光阑，以及光阑与衰减片分体式设计的结构更为精简和紧凑；尤其使得飞秒激光先经光阑整形，再经衰减片调节功率的过程；较先经衰减片调节功率，再经光阑整形的过程更有利光线光谱滤波增益趋于平滑(参见图3)；加之，反射镜为二向色反射镜的结构改进共同作用；较公开号为CN 102699523B的长周期光纤光栅制备装置经两次反射后再写制光纤光栅的结构更为精简；于此同时，有利降低光纤写制对焦的难度；使得装置整体结构更为精简、结构更为紧凑的同时；保留了装置刻制长周期光栅具有的设计灵活、高温性能稳定，以及设置不同的周期与栅距加工任意参数的LPFG光谱特性优势的同时，装置整体成本更低；

5、本方案通过飞秒激光器结合高精度三维移动平台控制进行刻写，较紫外准分子激光器刻写，可克服紫外刻写必须结合相位掩模板使用的缺点；尤其克服了使用高频频CO2激光器、紫外准分子激光器刻写存在的不经过特殊处理，在高温条件下检测，光纤光栅特性极易出现漂移、退化，甚至有可能完全消失的缺陷，一方面简化了长周期光纤光栅制备装置的结构组成，另一方面充分保证了长周期光纤光栅制备性能的稳定性；

6、本方案制备的长周期光纤光栅，可广泛应用于光纤通信中光线滤波、增益平滑等以及在土木工程、电力工业、核工业等倾角传感器制备领域。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型飞秒激光脉冲对光纤光栅逐点刻写的刻写轨迹示意图；

图3是本实用新型LPFG光纤光栅在周期为450μm的透射谱。

具体实施方式

下面结合附图1-3描述本实用新型的具体实施例。

以下的实施例便于更好地理解本实用新型，但并不限定本实用新型。下述实施例，仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。下述实施例中所用的部件，如无特殊说明，均为市售。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。下述实施例中控制电路的实现，如无特殊说明，均为常规控制方式。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，除非另有说明，否则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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

对于术语，参考附图以及描述的任何功能都可使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、手动处理或者这些实现的组合来实现。例如，在软件实现的情况下，术语“逻辑”、“模块”、“组建”或“功能”表示被配置成当在一个或多个处理设备(例如，一个或多个CPU)上执行指定任务的程序代码(或申明性内容)。前述程序代码可被存储在一个或多个计算机可读介质中。

更一般而言，所示的讲逻辑、模块、组建和功能分割成不同单元可以反映这些软件、固件、和/或硬件的实际物理分组和分配，或者可对应于由单个软件程序、固件程序和/或硬件单元执行的不同任务的概念性分配。

长周期光纤光栅制备装置，包括激光器1、反射镜4、待加工光纤6、高精度三维运动平台7、超宽带连续光源8、光谱分析仪9和计算机10。其中，所述高精度三维运动平台7为微米量级与可控机械系统结合的可控电动移动平台；其结合shutter开关完成光纤光栅不同参数下写制工作的启停控制；其通过控制平台移动速率、移动长度、移动次数实现写制光纤光栅的不同周期、不同长度调制；其通过X轴、Y轴、Z轴的移动实现待加工光纤6与激光器1飞秒激光的精确对准。

此外，为保留装置刻制长周期光栅具有的设计灵活、高温性能稳定，以及设置不同的周期与栅距加工任意参数的LPFG光谱特性的优势，(参见图1)所述激光器1为飞秒激光器；优选地：所述激光器1为美国光谱物理公司生产的钛蓝宝石飞秒激光器，并包括顺次连接的泵浦光源、飞秒激光振荡器和激光放大器；且所述激光器1的飞秒激光脉冲功率为4W，中心波长为800nm,频率为1kHz，脉宽为200fs。

为精简并紧凑化设计装置结构，降低成本，有利光线光谱滤波增益趋于平滑：所述激光器1为飞秒激光器；所述飞秒激光器与反射镜4之间设有半波偏振片2和可连续调节功率的衰减片3；且所述衰减片3前端同轴一体式固连光阑。为进一步精简结构，满足高品质、性能稳定、低成本投入的长周期光纤光栅的制备需求：所述反射镜4为二向色反射镜；且经二向色反射镜反射后的激光光路通过第一物镜5聚焦后照射在一端连接超宽带连续光源8另一端连接光谱分析仪9并通过夹具固定于高精度三维运动平台7上的待加工光纤6以写制光纤光栅。

参见图1实施例：以写制垂直非倾角的光纤光栅为例：所述激光器1与沿激光器1的激光照射光路呈45°夹角的反射镜4之间依次设有半波偏振片2和连续调节功率的衰减片3；且所述衰减片3前端同轴一体式固连光阑。经二向色反射镜反射后的激光光路通过第一物镜5聚焦后垂直照射在一端连接超宽带连续光源8另一端连接光谱分析仪9并通过夹具固定于高精度三维运动平台7上的待加工光纤6以刻制光纤光栅。

为满足多品类光纤光栅的制备需求：其中，位于二向色反射镜后方，并与二向色反射镜反射后的激光光路和第一物镜5同轴设有第一CCD摄像头11。所述第一CCD摄像头11负责监察竖直光纤光栅的刻制线性垂直度；负责监察二向色反射镜的反射垂直度；负责监察飞秒激光在待加工光纤6轴线上的聚焦精度；与第一CCD摄像头11的轴线和待加工光纤6轴线所确定的平面处于同一平面，位于待加工光纤6轴线上方旁侧并与第一CCD摄像头11的轴线呈锐角设有第二CCD摄像头12和设于第二CCD摄像头12轴向前端的第二物镜13。

为满足多品类光纤光栅的制备需求，再其中：所述第二CCD摄像头12负责监察带倾角光纤光栅的刻制；并负责协同第一CCD摄像头11共同监察并提高飞秒写制激光在待加工光纤6上的聚焦精度。且第二CCD摄像头12与第一CCD摄像头11之间的锐角夹角度数根据待刻制倾角光纤光栅的倾角度数相关联。此外，所述计算机10与高精度三维运动平台7通信连接。进一步地，所述高精度三维运动平台7的夹具上方设有保证其上方第一CCD摄像头11和第二CCD摄像头12观测待加工光纤6纤芯位置及刻写形态的直流调压光源。需要说明的是：所述第一物镜5和第二物镜13为20倍显微物镜。所述第一CCD摄像头11和第二CCD摄像头12还连接监视器。

此外，所述待加工光纤6为剥去涂覆层，且未做载氢处理的一般单模光纤。所述超宽带连续光源8为NKT Photonics波长范围为500～2400nm的超宽带连续光源。所述光谱分析仪9为日本YOKOGAWA公司工作波长范围为1200～1700nm实时监控光谱透射谱的AQ6370B光谱分析仪。

可见，本实用新型同一平面内垂直和倾斜设置的第一CCD摄像头和第二CCD摄像头；垂直于光纤设置的第一CCD摄像头有利监视垂直光栅的刻制监察、监视；与垂直的第一CCD摄像头处于同一平面，呈一定锐角夹角倾斜设置的第二CCD摄像头有利倾斜光纤光栅的刻制监察、监视；因此该装置可满足多品类长周期光纤光栅的制备需求；应用领域覆盖更广、更全面。本实用新型第一CCD摄像头和第二CCD摄像头结合使用时，有利提高激光与光纤聚焦精确度。本实用新型在未作增敏处理的单模光纤内，可刻写后向反射损耗低、强度大、线宽窄、光谱更为平滑(参见图3)的长周期光纤光栅。再者，本实用新型无需双反射镜反射；无需相位掩模板；衰减片前端同轴一体式固连光阑的结构改进，无需设置多个光阑，以及光阑与衰减片分体式设计的结构更为精简和紧凑；尤其使得飞秒激光先经光阑整形，再经衰减片调节功率的过程；较先经衰减片调节功率，再经光阑整形的过程更有利光线光谱滤波增益趋于平滑(参见图3)；加之，协同本实用新型反射镜为二向色反射镜的结构改进共同作用；较公开号为CN 102699523B的长周期光纤光栅制备装置经两次反射后再写制光纤光栅的结构更为精简；于此同时，有利降低光纤写制对焦的难度；装置结构精简化的同时，结构更为紧凑；保留了装置刻制长周期光栅具有的设计灵活、高温性能稳定，以及设置不同的周期与栅距加工任意参数的LPFG光谱特性优势的同时，装置整体为市面具有最优性价比的装置。

使用时：本实用新型通过飞秒激光器结合高精度三维移动平台控制进行刻写，较紫外准分子激光器刻写，可克服紫外刻写必须结合相位掩模板使用的缺点；尤其克服了使用高频频CO2激光器、紫外准分子激光器刻写存在的不经过特殊处理，在高温条件下检测，光纤光栅特性极易出现漂移、退化，甚至有可能完全消失的缺陷，一方面简化了长周期光纤光栅制备装置的结构组成，另一方面充分保证了长周期光纤光栅制备性能的稳定性；本实用新型制备的长周期光纤光栅，可广泛应用于光纤通信中光线滤波、增益平滑等以及在土木工程、电力工业、核工业等倾角传感器制备领域。

其中，光纤写制光路包括飞秒激光器、半波偏振片、前端同轴一体式固连光阑的圆形衰减片和二向色反射镜构成；光纤监视光路包括二向色反射镜、第一CCD摄像头和第二CCD摄像头以及监视器构成。

具体实施时：(参见图1)，激光器1的飞秒激光脉冲经过圆形的前端带光阑的衰减片3将能量衰减至阈值功率；经20倍显微的第一物镜5聚焦至高精度高精度三维运动平台7夹具上固定的SMF-28裸待加工光纤6上。其中，高精度三维运动平台7可根据对光栅周期、刻写周期数、光栅占空比、脉冲能量等因素的控制，改变可调谐光纤光栅的写制。计算机10通过程序控制高精度三维运动平台7；以对高精度三维运动平台7的平台速度、位置、加速度进行控制，实现高精度的飞秒激光制备长周期波导光栅加工。光栅写制过程中，激光器1的飞秒激光脉冲经过圆形的衰减片3将功率能量衰减至阈值功率附近；并经二向色反射镜反射后，通过高精度高精度三维运动平台7的计算机控制程序设置间距移动；并由高精度三维运动平台7完成一次刻写后，再由高精度的高精度三维运动平台7的平台沿轴向重复行走进行光栅刻写，直到刻写完设定周期数或长度即可；其中，LPFG光纤光栅的光谱特性可由超宽带连续光源8与光谱分析仪9实时监测。采用逐点写入法，利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅，光栅耦合截面，可以根据需要任意进行设计制作，灵活性高。

再者，(参见图2)图2为激光脉冲对光纤光栅进行逐点刻写的轨迹实例；其中，a为光栅周期，b为每个周期内刻写的长度，刻写过程中可根据对光栅周期、刻写周期数、光栅占空比、脉冲能量等因素的改变来控制可调谐光纤光栅的写制。(参见图3)图3为LPFG光纤光栅在周期为450μm的透射谱；具体地：设置加工平台光纤移动速度为10μm/s，占空比为0.5，经过衰减片后的功率为1.3MW，当刻写周期数为50即刻写长度为25mm时，在波长1275nm处产生过耦合现象，共振峰值为-19.8dB，第四个波峰在通信C波段，未发生过耦合现象，透射深度为-8.5dB，峰值带宽约为1nm。

综上所述，本实用新型能省去相位掩膜板，无需过载氢处理；结构更为紧凑和精简、成本更低；设计灵活、高温性能稳定；聚焦定位精度更高且调节便捷；尤其有利满足垂直光栅刻制和倾角光栅刻制的多重光纤光栅写制需求。

上述实施例，只是本实用新型的较佳实施例，并非用来限制本实用新型实施范围，故凡以本实用新型权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本实用新型权利要求范围之内。

Claims (9)

1.长周期光纤光栅制备装置，包括激光器(1)、反射镜(4)、待加工光纤(6)、高精度三维运动平台(7)、超宽带连续光源(8)、光谱分析仪(9)和计算机(10)，其特征在于：所述激光器(1)为飞秒激光器；所述飞秒激光器与反射镜(4)之间设有半波偏振片(2)和可连续调节功率的衰减片(3)；且所述衰减片(3)前端同轴一体式固连光阑；且所述反射镜(4)为二向色反射镜；且经二向色反射镜反射后的激光光路通过第一物镜(5)聚焦后照射在一端连接超宽带连续光源(8)另一端连接光谱分析仪(9)并通过夹具固定于高精度三维运动平台(7)上的待加工光纤(6)写制光纤光栅；位于二向色反射镜后方，并与二向色反射镜反射后的激光光路和第一物镜(5)同轴设有第一CCD摄像头(11)；与第一CCD摄像头(11)的轴线和待加工光纤(6)轴线所确定的平面处于同一平面，位于待加工光纤(6)轴线上方旁侧并与第一CCD摄像头(11)的轴线呈锐角设有倾斜的第二CCD摄像头(12)和设于第二CCD摄像头(12)轴向前端的第二物镜(13)，且计算机(10)与高精度三维运动平台(7)通信连接。

2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述激光器(1)为美国光谱物理公司生产的钛蓝宝石飞秒激光器，并包括顺次连接的泵浦光源、飞秒激光振荡器和激光放大器；且所述激光器(1)的飞秒激光脉冲功率为4W，中心波长为800nm,频率为1kHz，脉宽为200fs。

3.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述高精度三维运动平台(7)为微米量级与可控机械系统结合的可控电动移动平台；其结合shutter开关完成光纤光栅不同参数下写制工作的启停控制；其通过控制平台移动速率、移动长度、移动次数实现写制光纤光栅的不同周期、不同长度调制；其通过X轴、Y轴、Z轴的移动实现待加工光纤(6)与激光器(1)飞秒激光的精确对准。

4.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述高精度三维运动平台(7)的夹具上方设有保证其上方第一CCD摄像头(11)和第二CCD摄像头(12)观测待加工光纤(6)纤芯位置及刻写形态的直流调压光源。

5.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述第一CCD摄像头(11)和第二CCD摄像头(12)还连接监视器。

6.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述第一物镜(5)和第二物镜(13)为20倍显微物镜。

7.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述待加工光纤(6)为剥去涂覆层，且未做载氢处理的一般单模光纤。

8.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述超宽带连续光源(8)为NKT Photonics波长范围为500～2400nm的超宽带连续光源。

9.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅制备装置，其特征在于：所述光谱分析仪(9)为日本YOKOGAWA公司工作波长范围为1200～1700nm实时监控光谱透射谱的AQ6370B光谱分析仪。