CN220252198U - 一种飞秒激光刻写光纤光栅装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，包括依次设置形成激光路径的飞秒激光系统、功率监测系统、倍频系统、扩束系统、聚焦系统、运动平台以及成像系统，可以根据功率监测系统的反馈数据判断出激光功率是否出现波动，从而进行动态调节，并且可以对激光功率进行补偿，保证加工过程中激光功率的一致性；结合成像系统反馈的数据可判断加工过程中光纤是否偏离加工位置，从而控制运动平台对加工位置进行调整，提高光栅刻写稳定性和精度。

Description

一种飞秒激光刻写光纤光栅装置

技术领域

本实用新型属于激光刻写技术领域，具体是一种飞秒激光刻写光纤光栅装置。

背景技术

光纤光栅作为光纤传感器的主要部件，目前主要的制备方法有双光束干涉法、相位掩膜法、激光直写法。双光束干涉法是利用两束相干光相互叠加聚焦在材料上，材料内部会形成明暗相间的干涉条纹，利用光纤材料的光敏性来获得周期性的光栅结构。相位掩膜法是利用激光垂直照射到相位掩模板上，在其下方发生衍射，从而产生周期性光强分布，将光纤置于衍射区域即可形成光栅结构。激光直写法是将飞秒激光通过聚焦物镜聚焦在光纤纤芯，高功率密度的飞秒激光在纤芯引起材料非线性吸收从而形成折射率调制；

上述这些加工方法虽然可以实现光纤光栅的制备，但存在以下问题：1、双光束干涉法在制备过程中需要两束相干光在飞秒激光空间宽度内相互匹配，由于飞秒激光脉宽极短，匹配的难度非常大，因此对于设备的精度要求极高，并且采用此法制备光栅所需的时间相对较长，不适用于大批量生产；2、相位掩膜法在制备光栅时，折射率调制的周期与掩膜版的周期相关，刻写不同的光栅参数需要单独定制掩膜板，成本高。此外在使用相位掩膜法制备光栅前还需要对光纤表面图层进行预处理，并对光纤进行载氢、刷火等方式进行处理，增加光敏性，制备出的光纤光栅不耐高温，并且光纤本身的机械强度也会有所降低。3、激光直写法操作简单、光栅参数可任意编辑，并且无需对光纤进行预处理，制作的光栅具有耐高温、结构稳定的特点，目前已被广泛应用于光纤光栅的制备。但在飞秒激光直写光纤光栅的过程中，激光功率的波动、光纤位置的微小变化，都会对加工结果产生巨大影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，包括依次设置形成激光路径的飞秒激光系统，用于发射激光；

功率监测系统，用于监测和调节激光的功率；

倍频系统，用于调节激光的频率；

扩束系统，用于增加光斑尺寸压缩光束发散角；

聚焦系统，用于过滤散光，并且输出激光；

所述聚焦系统输出端设有运动平台，所述运动平台用于承载待加工光纤，并且运动平台沿“Z”字形移动，对应运动平台的端面设有成像系统。

所述倍频系统和扩束系统之间设有反射组件，所述扩束系统与聚焦系统之间设有二向色镜，所述反射组件与二向色境均用于改变激光线路。

进一步的技术方案，所述功率监测系统包括依次设置的半波片、偏振器件、分束器件和功率计。

进一步的技术方案，所述倍频系统包括激光依次经过的压束器件和倍频器件。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可以根据功率监测系统的反馈数据判断出激光功率是否出现波动，从而进行动态调节，并且可以对激光功率进行补偿，保证加工过程中激光功率的一致性；

另外，结合成像系统反馈的数据可判断加工过程中光纤是否偏离加工位置，从而控制运动平台对加工位置进行调整，提高光栅刻写稳定性和精度。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1：本实用新型的工作流程图。

图2：本实用新型的各部件分布示意图一。

图3：本实用新型的各部件分布示意图二。

图4：本实用新型的光纤光栅刻写过程图。

附图标记：1-飞秒激光系统、2-功率监测系统、21-半波片、22-偏振器件、23-分束器件、24-功率计、3-倍频系统、31-压束器件、32-倍频器件、4-扩束系统、5-聚焦系统、51-可变光阑、52-聚焦物镜、6-运动平台、7-成像系统、71-CCD相机、72-部分反射镜、73-LED光源、8-治具、9-反射组件、10-二向色镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1-4；

本实用新型公开一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，包括依次设置形成激光路径的飞秒激光系统1、功率监测系统2、倍频系统3、扩束系统4、聚焦系统5、运动平台6以及成像系统7；结合上述系统有以下光纤光纤光栅的刻写工作过程；

第一步，使用治具8将待加工光纤固定，放置在运动平台6上，通过治具8将光纤的轴线方向调至水平，同时通过成像系统7对光纤进行定位；

第二步，通过运动平台6带动治具8移动，使待加工光纤位于聚焦系统5的下方；

第三步，控制运动平台6的Z轴移动，使光纤上表面能够清晰成像在CCD相机71中，记录下此时Z轴的刻度z1。控制Z轴继续向下移动，使光纤的下表面清晰成像在CCD相机71中，记录下此时Z轴的刻度z2。刻度z1和z2的中间位置为激光加工的焦点位置；

第四步，通过飞秒激光系统1发出激光，发出的激光波长优选为200-1200mm，脉冲宽度为1-1000fs，激光依次经过功率监测系统2、倍频系统3、扩束系统4和聚焦系统5，最后照射到待加工光纤上；其中功率监测系统2，用于监测和调节激光的功率；倍频系统3，用于调节激光的频率；扩束系统4，用于增加光斑尺寸压缩光束发散角，进一步减小聚焦光斑尺寸；聚焦系统5，用于过滤散光，并且输出激光；在此过程中通过功率监测系统2实时监测激光输出的功率，并根据激光功率波动进行补偿；

另外，倍频系统3和扩束系统4之间设有反射组件9，扩束系统4与聚焦系统5之间设有二向色镜10，反射组件9与二向色境均用于改变激光线路。

在本实施例中，功率监测系统2包括依次设置的半波片21、偏振器件22、分束器件23和功率计24，激光也依次经过上述部件，当激光到达分束器时会将其分为两部分，一部分激光会进入功率计24中，通过功率计24对激光的功率进行监测，另一部分会进入到倍频系统3中，根据功率计24反馈的数据可以判断出激光功率是否出现波动，从而进行动态调节，具体是通过控制半波片21与偏振器件22的相对角度实现功率的连续调节，实现激光功率补偿，保证加工过程中激光功率的一致性。

本实施例中，倍频系统3可以通过倍频效应减小入射激光的波长，最终聚焦光斑的尺寸与波长成正比，波长越短聚焦光斑尺寸越小，光栅刻写精度越高，倍频系统3由压束器件31和倍频器件32组成，压束器件31可以压缩光斑尺寸，提高功率密度，进而提高倍频效率，倍频器件32可以产生二倍频、三倍频或四倍频，相应的出射激光波长可变为原来的1/2、1/3或1/4。

激光通过扩束系统4后进入聚焦系统5，本实施例中聚焦系统5由可变光阑51和聚焦物镜52组成，可变光阑51可以通过调整入射孔径滤掉光束边缘的杂散光提高光栅的刻写效果，入射光束通过聚焦物镜52聚焦后射出至待加工光纤内部。

本实施例中成像系统7由CCD相机71、部分反射镜72、LED光源73组成，可以实时监测光纤的位置及加工效果，LED光源73发出的照明光经过部分反射镜72、二向色镜10、聚焦系统5后，照射到待加工光纤表面，部分照明光被光纤表面反射沿原光路返回，基于聚焦系统5由可变光阑51和聚焦物镜52组成，所以反射光原路返回时不会被遮挡，能够透过部分反射镜72进入CCD相机71，从CCD相机71中可以实时观测到待加工处光纤位置、激光聚焦位置以及加工效果，根据成像系统7反馈的数据可判断加工过程中光纤是否偏离加工位置，从而控制运动平台6对加工位置进行调整。

第五步，运动平台6以速度V1沿Y轴方向移动，移动距离h后关闭激光，完成第一条折射率调制线刻写，随后控制平台XY轴以速度V2运动至第二条折射率调制线的起始位置，打开激光，平台仍然以速度V1沿Y轴方向移动，移动距离h后关闭激光，完成第二条折射率调制线刻写，依次循环，直至完成光栅刻写，如图4所示“Z”字形移动轨迹可以保证激光在刻写每条线时光斑的重叠方向相同，从而严格确保光栅的每条线加工效果一致。

采用飞秒激光加工结合倍频系统3、激光功率监测系统2和成像系统7，提高光栅刻写稳定性和精度。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施。

Claims (3)

1.一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，其特征在于：包括依次设置形成激光路径的飞秒激光系统(1)，用于发射激光；

功率监测系统(2)，用于监测和调节激光的功率；

倍频系统(3)，用于调节激光的频率；

扩束系统(4)，用于增加光斑尺寸压缩光束发散角；

聚焦系统(5)，用于过滤散光，并且输出激光；

所述聚焦系统(5)输出端设有运动平台(6)，所述运动平台(6)用于承载待加工光纤，并且运动平台(6)沿“Z”字形移动，对应运动平台(6)的端面设有成像系统(7)；

所述倍频系统(3)和扩束系统(4)之间设有反射组件(9)，所述扩束系统(4)与聚焦系统(5)之间设有二向色镜(10)，所述反射组件(9)与二向色境均用于改变激光线路。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，其特征在于：所述功率监测系统(2)包括依次设置的半波片(21)、偏振器件(22)、分束器件(23)和功率计(24)。

3.根据权利要求2所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅装置，其特征在于：所述倍频系统(3)包括激光依次经过的压束器件(31)和倍频器件(32)。