CN218917703U - 一种光纤光栅对刻写装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光纤光栅对刻写装置，用于在待刻写保偏光纤上同时刻写中心波长匹配的高反光栅和低反光栅，该刻写装置通过在整形模板上设置第一整形孔和第二整形孔，将激光分为两路，分别刻写高反光栅和低反光栅；通过在相位掩模板上设置不同周期的慢轴匹配区域和快轴匹配区域，配合由交叉对准的第一光纤段和第二光纤段组成的待刻写保偏光纤，第一整形区域、慢轴匹配区域、第一光纤段对应设置，第二整形区域、快轴匹配区域、第二光纤段对应设置，实现在待刻写保偏光纤上同时刻写中心波长匹配的高反光栅和低反光栅，从而摆脱不确定性对光栅中心波长的影响，提高了良品率，降低了光纤光栅对的生产难度。

Description

一种光纤光栅对刻写装置

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅技术领域，尤其涉及一种光纤光栅对刻写装置。

背景技术

近些年来，随着光纤技术和激光技术的迅速发展，高功率线偏振光纤激光器可广泛用于相干通信、传感、非线性变频、重力波探测和工业加工等领域。目前在光纤激光器里实现高功率线偏振激光输出往往采用在由高低反光栅组成的全保偏线性腔里，将刻写在保偏光纤上的高低反光栅进行交叉对准的方式，保证只有单个偏振的激光可以在腔内起振，从而实现线偏振激光输出。这种方式腔内可以只由高低反光栅和增益光纤组成，无其他器件，可以实现最高达到千瓦量级的窄线宽线偏振激光输出。但这种获得高功率窄线宽激光的方案对高低反光栅对有着极高的要求，为实现最佳效率输出，需要高反光栅与低反光栅的波长尽量接近，同时高反光栅的反射谱3dB带宽要小于光纤快慢轴折射率差引来的波长差，以保证只有单个偏振的激光可以起振。

在实际光栅刻写过程中，刻写前光纤载氢时不同段光纤的真实氢气渗入量不同会使得刻写时初始波长不同，刻写中环境振动导致的紫外光无效照射量不同会使得波长增加量不同，刻写后高温退火时波长收缩量也会不同，从而使得刻写完成后的光栅中心波长具有不确定性。而一般情况下高反光栅与低反光栅是分开刻写的，上述波长偏移量的不同会使得高低反光栅的匹配难度大大增加，从而降低了良品率，使得光栅对生产难度很高。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种光纤光栅对刻写装置，实现在同一段光纤上同时刻写高反光栅和低反光栅，从而摆脱不确定性对光栅中心波长的影响。

本实用新型的一种光纤光栅对刻写装置，用于在待刻写保偏光纤上同时刻写高反光栅和低反光栅，该刻写装置包括沿出光方向依次设置的光源、整形模板和相位掩模板。光源用于沿出光方向提供工作用激光；整形模板用于对激光的空间分布进行整形，整形模板包括沿第一方向依次设置的第一整形区域和第二整形区域，第一整形区域内设有第一整形孔，第二整形区域内设有第二整形孔，第一方向垂直于所述出光方向；相位掩模板用于衍射激光，形成±1级衍射输出，并抑制0级衍射，相位掩模板包括沿第一方向依次设置的慢轴匹配区域和快轴匹配区域，慢轴匹配区域具有第一周期，快轴匹配区域具有第二周期，第一周期不同于第二周期，第一整形区域与慢轴匹配区域对应设置，第二整形区域与快轴匹配区域对应设置；待刻写保偏光纤沿第一方向延伸，待刻写保偏光纤包括第一光纤段和第二光纤段，第一光纤段和第二光纤段快慢轴交叉对准，第一光纤段与慢轴匹配区域对应设置，第二光纤段与快轴匹配区域对应设置，工作用激光经整形模板、相位掩模板后入射到待刻写保偏光纤。

较佳地，第一整形孔沿垂直于第一方向的高度等于第二整形孔沿垂直于第一方向的高度。进一步地，第一整形孔沿第一方向的最大长度不大于第二整形孔沿第二方向的最大长度。

较佳地，第一整形孔和第二整形孔均为长方形结构或者高斯型结构或者超高斯型结构或者SINC型结构。

较佳地，该刻写装置还包括用于对激光进行扩束的扩束镜组件，扩束镜组件设置在光源与整形模板之间。进一步地，扩束镜组件包括第一柱透镜和第二柱透镜，光源、第一柱透镜、第二柱透镜、整形模板依次设置。

较佳地，该刻写装置还包括用于对整形后的激光进行聚焦的第三柱透镜，第三柱透镜设置在整形模板与相位掩模板之间。进一步地，待刻写保偏光纤位于第三柱透镜对激光进行聚焦的焦点处。

较佳地，慢轴匹配区域和快轴匹配区域关于相位掩模板的中线对称。进一步地，第一整形区域和第二整形区域关于整形模板的中线对称。

与现有技术相比，本实用新型的一种光纤光栅对刻写装置，通过在整形模板上设置第一整形孔和第二整形孔，将激光分为两路，分别刻写高反光栅和低反光栅；通过在相位掩模板上设置不同周期的慢轴匹配区域和快轴匹配区域，配合由交叉对准的第一光纤段和第二光纤段组成的待刻写保偏光纤，第一整形区域、慢轴匹配区域、第一光纤段对应设置，第二整形区域、快轴匹配区域、第二光纤段对应设置，实现在待刻写保偏光纤上同时刻写中心波长匹配的高反光栅和低反光栅，从而摆脱不确定性对光栅中心波长的影响，提高了良品率，降低了光纤光栅对的生产难度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型一实施例的一种光纤光栅对刻写装置的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例的相位掩模板的结构示意图。

图3为本实用新型一实施例的整形模板的结构示意图。

图4为本实用新型另一实施例的整形模板的结构示意图。

图5为本实用新型另一实施例的一种光纤光栅对刻写装置的结构示意图。

具体实施方式

为使对本实用新型的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，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实用新型的限制。

根据布拉格条件，光栅所反射的波长由光纤纤芯中折射率调制的周期和光纤的折射率决定，即满足布拉格条件的光通过光栅时便会被分布式反射。布拉格条件的具体表达式为：

，

其中，λ为激光波长，为光纤纤芯的有效折射率，为纤芯中折射率调制的周期。

而光纤纤芯折射率调制周期与相位掩模板上的空间结构周期的关系为

，

其中，为相位掩模板周期。

由上述内容可知，光栅中心波长等于相位掩模板周期乘以光纤纤芯的有效折射率，即

。

请参见图1至图4，本实用新型的一种光纤光栅对刻写装置，用于在待刻写保偏光纤10上同时刻写高反光栅和低反光栅。该刻写装置包括沿出光方向依次设置的光源1、整形模板2和相位掩模板3。

光源1用于沿出光方向提供工作用激光。在一实施例中，光源1可以为紫外激光器，用于发射紫外激光。

整形模板2用于对激光的空间分布进行整形，将激光分为两路，分别刻写高反光栅和低反光栅。整形模板2包括沿第一方向依次设置的第一整形区域21和第二整形区域22，第一整形区域21内设有第一整形孔211，第二整形区域22内设有第二整形孔221，第一方向垂直于出光方向。

相位掩模板3用于衍射激光，形成±1级衍射输出，并抑制0级衍射。相位掩模板3包括沿第一方向依次设置的慢轴匹配区域31和快轴匹配区域32，慢轴匹配区域31具有第一周期t1，快轴匹配区域32具有第二周期t2，第一周期t1不同于第二周期t2，第一整形区域21与慢轴匹配区域31对应设置，第二整形区域22与快轴匹配区域32对应设置。

待刻写保偏光纤10沿第一方向延伸，待刻写保偏光纤10包括第一光纤段11和第二光纤段12，第一光纤段11和第二光纤段12快慢轴交叉对准，第一光纤段11与慢轴匹配区域31对应设置，第二光纤段12与快轴匹配区域32对应设置，工作用激光经整形模板2、相位掩模板3后入射到待刻写保偏光纤10。

在一实施例中，第一光纤段11和第二光纤段12为同一保偏光纤从中间断开后的两部分，将该两部分90度熔接，即将该两部分的快慢轴交叉对准，得到待刻写保偏光纤10。

本实施例的一种光纤光栅对刻写装置，通过在整形模板2上设置第一整形孔211和第二整形孔221，将激光分为两路，分别刻写高反光栅和低反光栅；通过在相位掩模板3上设置不同周期的慢轴匹配区域31和快轴匹配区域32，配合由交叉对准的第一光纤段11和第二光纤段12组成的待刻写保偏光纤10，第一整形区域21、慢轴匹配区域31、第一光纤段11对应设置，第二整形区域22、快轴匹配区域32、第二光纤段12对应设置，实现在待刻写保偏光纤10上同时刻写中心波长匹配的高反光栅和低反光栅，从而摆脱不确定性对光栅中心波长的影响，提高了良品率，降低了光纤光栅对的生产难度。

在实际使用中，本实用新型可以具体为以下实施例：

刻写的高反光栅和低反光栅的中心波长为1064nm（纳米），待刻写保偏光纤10由两段PM980光纤90度熔接，常用PM980光纤的双折射系数约为2.72×10^-4，PM980光纤在1064nm（纳米）的折射率约为1.452。根据上述公式可得，相位掩模板3上慢轴匹配区域31的周期t1为732.65nm（纳米）、快轴匹配区域22的周期t2为732.78nm（纳米）。

在光纤光栅对刻写时，根据中心波长、组成待刻写保偏光纤10的第一光纤段11和第二光纤段12的折射率，选择慢轴匹配区域31和快轴匹配区域32周期合适的相位掩模板3，即可实现高反光栅和低反光栅的同时刻写。

请参见图3,图3为本实用新型一实施例的整形模板2的结构示意图。在该图中，第一整形孔211和第二整形孔221均为长方形结构。

为了使激光打在第一光纤段11和第二光纤段12的功率密度相同，第一整形孔211沿垂直于第一方向的高度Hl等于第二整形孔221沿垂直于第一方向的高度Hh。

当第一光纤段11对应刻写低反光栅、第二光纤段12对应刻写高反光栅时，第一整形孔211整形后的激光用于刻写低反光栅，第二整形孔221整形后的激光用于刻写高反光栅，高反光栅的折射率为99%，通过调整第一整形孔211沿第一方向的最大长度Ll不大于第二整形孔221沿第一方向的最大长度Lh，即可使低反光栅反射率在1-99%变化。

请参见图4，图4为本实用新型另一实施例的整形模板2的结构示意图。在该图中，第一整形孔211和第二整形孔221均为高斯型结构，以在光栅刻写过程中进行切趾，使反射谱无边带。

在实际使用中，在光栅刻写中进行切趾，第一整形孔411和第二整形孔421还可以是超高斯型结构或者SINC型结构，等等。

请参见图5，图5为本实用新型另一实施例的一种光纤光栅对刻写装置的结构示意图。与图1中实施例相比，在本实施例中，刻写装置还包括用于对激光进行扩束的扩束镜组件4，扩束镜组件4设置在光源1与整形模板2之间，扩束镜组件4扩束后的激光完全覆盖第一整形孔211和第二整形孔221，以实现高反光栅和低反光栅的同时刻写。

在一优选的实施方式中，扩束镜组件4包括第一柱透镜41和第二柱透镜42，光源1、第一柱透镜41、第二柱透镜42、整形模板2依次设置，第一柱透镜41用于接收光源1提供的激光，并使激光发生聚焦，并在经过焦点后发散，第二柱透镜42用于将发散的激光折射成平行的激光，第一柱透镜41和第二柱透镜42共同作用实现激光扩束。

优选地，刻写装置还包括用于对整形后的激光进行聚焦的第三柱透镜5，第三柱透镜5设置在整形模板2与相位掩模板3之间。

进一步地，待刻写保偏光纤10位于第三柱透镜5对激光进行聚焦的焦点处，以使激光经过相位掩模板3后的强度空间周期性调制光斑以最强的功率密度入射到光纤上。

在一优选的实施方式中，慢轴匹配区域31和快轴匹配区域32关于相位掩模板3的中线对称，以便于相位掩模板3的制作。

由于整形模板2的第一整形区域21与慢轴匹配区域31对应设置、第二整形区域22与快轴匹配区域32对应设置，第一整形区域21和第二整形区域22关于整形模板2的中线对称。如此，该刻写装置在各部分元件布置时，只需将各部分元件共对称轴布置即可。

该刻写装置的工作过程：光源1提供的工作用激光经过第一柱透镜41和第二柱透镜42在第一方向进行扩束，完全覆盖第一整形孔211和第二整形孔221，然后，激光经过整形模板2进行整形分为两路，两路激光分别经过第三柱透镜5进行聚焦，由于待刻写保偏光纤10位于第三柱透镜5对激光进行聚焦的焦点处，其中一路激光经由慢轴匹配区域31后以最强的功率密度入射到第一光纤段11实现光纤纤芯的折射率周期性调制引入，另一路激光经由快轴匹配区域32后以最强的功率密度入射到第二光纤段12实现光纤纤芯的折射率周期性调制引入，从而实现对高反光栅和低反光栅的同时刻写。

本实用新型的一种光纤光栅对刻写装置，通过在整形模板上设置第一整形孔和第二整形孔，将激光分为两路，分别刻写高反光栅和低反光栅；通过在相位掩模板上设置不同周期的慢轴匹配区域和快轴匹配区域，配合由交叉对准的第一光纤段和第二光纤段组成的待刻写保偏光纤，第一整形区域、慢轴匹配区域、第一光纤段对应设置，第二整形区域、快轴匹配区域、第二光纤段对应设置，实现在待刻写保偏光纤上同时刻写中心波长匹配的高反光栅和低反光栅，从而摆脱不确定性对光栅中心波长的影响，提高了良品率，降低了光纤光栅对的生产难度。

本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。此外，上面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅对刻写装置，用于在待刻写保偏光纤上同时刻写高反光栅和低反光栅，其特征在于，所述刻写装置包括沿出光方向依次设置的光源、整形模板和相位掩模板；

所述光源用于沿所述出光方向提供工作用激光；

所述整形模板用于对激光的空间分布进行整形，所述整形模板包括沿第一方向依次设置的第一整形区域和第二整形区域，所述第一整形区域内设有第一整形孔，所述第二整形区域内设有第二整形孔，所述第一方向垂直于所述出光方向；

所述相位掩模板用于衍射激光，形成±1级衍射输出，并抑制0级衍射，所述相位掩模板包括沿第一方向依次设置的慢轴匹配区域和快轴匹配区域，所述慢轴匹配区域具有第一周期，所述快轴匹配区域具有第二周期，所述第一周期不同于所述第二周期，所述第一整形区域与所述慢轴匹配区域对应设置，所述第二整形区域与所述快轴匹配区域对应设置；

所述待刻写保偏光纤沿第一方向延伸，所述待刻写保偏光纤包括第一光纤段和第二光纤段，所述第一光纤段和所述第二光纤段快慢轴交叉对准，所述第一光纤段与所述慢轴匹配区域对应设置，所述第二光纤段与所述快轴匹配区域对应设置，所述工作用激光经所述整形模板、所述相位掩模板后入射到所述待刻写保偏光纤。

2.如权利要求1所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述第一整形孔沿垂直于所述第一方向的高度等于所述第二整形孔沿垂直于所述第一方向的高度。

3.如权利要求2所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述第一整形孔沿第一方向的最大长度不大于所述第二整形孔沿第二方向的最大长度。

4.如权利要求1所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述第一整形孔和所述第二整形孔均为长方形结构或者高斯型结构或者超高斯型结构或者SINC型结构。

5.如权利要求1所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，还包括用于对激光进行扩束的扩束镜组件，所述扩束镜组件设置在所述光源与所述整形模板之间。

6.如权利要求5所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述扩束镜组件包括第一柱透镜和第二柱透镜，所述光源、所述第一柱透镜、所述第二柱透镜、所述整形模板依次设置。

7.如权利要求1所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，还包括用于对整形后的激光进行聚焦的第三柱透镜，所述第三柱透镜设置在所述整形模板与所述相位掩模板之间。

8.如权利要求7所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述待刻写保偏光纤位于所述第三柱透镜对激光进行聚焦的焦点处。

9.如权利要求1所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述慢轴匹配区域和所述快轴匹配区域关于所述相位掩模板的中线对称。

10.如权利要求9所述的一种光纤光栅对刻写装置，其特征在于，所述第一整形区域和所述第二整形区域关于所述整形模板的中线对称。

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