RU2695286C1 - Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials - Google Patents

Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials Download PDF

Info

Publication number
RU2695286C1
RU2695286C1 RU2018144847A RU2018144847A RU2695286C1 RU 2695286 C1 RU2695286 C1 RU 2695286C1 RU 2018144847 A RU2018144847 A RU 2018144847A RU 2018144847 A RU2018144847 A RU 2018144847A RU 2695286 C1 RU2695286 C1 RU 2695286C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
lens
refractive
plate
microlens
Prior art date
Application number
RU2018144847A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Алексеевич Бабин
Алексей Анатольевич Вольф
Александр Владимирович Достовалов
Вадим Станиславович Терентьев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ), Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2018144847A priority Critical patent/RU2695286C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2695286C1 publication Critical patent/RU2695286C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating
    • G02B6/02147—Point by point fabrication, i.e. grating elements induced one step at a time along the fibre, e.g. by scanning a laser beam, arc discharge scanning

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of optical instrument-making and can be used for fabrication of fiber Bragg gratings, long-period grids of the refraction index. Device consists of optically series-connected source of femtosecond laser radiation, rotary mirror, first converging lens, refractive plane-parallel plate made of optically transparent material and having the shape of rectangular parallelepiped, a second converging lens, a microlens and a transparent ferrule with a polished side face for accommodating a fiber-optic guide. Plate is placed with offset from beam-neck between first and second converging lenses and is installed with possibility of rotation about axis perpendicular to optical axis, optical circuit for controlling lateral displacement of laser radiation beam in focal plane of microlens defined by formula
Figure 00000012
, where θ is the angle of rotation of the refractive plate, d is the thickness of the refractive plate along the optical axis at θ=0 rad, n is refractive index of refractive plate, ƒ1 – focal length of microlens, ƒ2 is focal distance of second lens. Distance between first and second converging lenses L1=ƒ3+ƒ2+(n-1)d/n, where ƒ3 is focal distance of first convergent lens, and distance L2 from the second lens to the input aperture of the microlens is equal to the focal length of the second converging lens. A ferrule with a fiber-optic guide placed in it is located so that the core of the fiber-optic guide lies in the focus of the microlens.
EFFECT: high reflection coefficient of fiber Bragg gratings and speed of their manufacturing, as well as expansion of types of recorded structures.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления волоконных брэгговских решеток, длиннопериодных решеток показателя преломления, представляющих собой периодическую структуру показателя преломления, сформированную в сердцевине волоконного световода.The invention relates to the field of optical instrumentation and may find application for the manufacture of fiber Bragg gratings, long-period refractive index gratings, which are a periodic structure of the refractive index formed in the core of a fiber waveguide.

Волоконные брэгговские и длиннопериодные решетки показателя преломления широко применяются в различных областях науки и техники от элементов волоконных лазеров до чувствительных элементов волоконных сенсорных систем.Fiber Bragg and long-period refractive index gratings are widely used in various fields of science and technology from elements of fiber lasers to sensitive elements of fiber sensor systems.

Известно техническое решение создания периодических структур фемтосекундным лазерным излучением внутри оптических световодов (WO 2005111677 A3 «Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibres and sensors using the same», МПК G01L 1/24; G02B 6/02, опубликовано 24.11.2005), которое может быть использовано при изготовлении волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах.A technical solution is known for creating periodic structures by femtosecond laser radiation inside optical fibers (WO 2005111677 A3 “Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibers and sensors using the same”, IPC G01L 1/24; G02B 6/02, published 24.11. 2005), which can be used in the manufacture of fiber Bragg gratings in non-photosensitive fiber optic fibers.

В данном методе каждый штрих периодической структуры создается одним лазерным импульсом, сфокусированным высокоапертурным объективом в сердцевину световода. Каждый импульс следует с постоянной частотой повторения, при этом сам световод перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, формируется периодическая структура показателя преломления внутри сердцевины световода. В представленном методе волоконный световод фиксируется только в двух точках, участок световода между этими точками испытывает провисание, что приводит к отклонению положения световода от прямолинейного и смещению положения области фокусировки внутри сердцевины волоконного световода. Для устранения данных смещений области фокусировки перемещение волоконного световода необходимо осуществлять по траектории отличной от прямолинейной, которая бы компенсировала данное провисание.In this method, each stroke of a periodic structure is created by a single laser pulse focused by a high-aperture lens into the core of the fiber. Each pulse follows with a constant repetition rate, while the fiber itself moves at a constant speed. Thus, a periodic structure of the refractive index is formed inside the core of the fiber. In the presented method, the fiber is fixed at only two points, the portion of the fiber between these points experiences sagging, which leads to a deviation of the position of the fiber from a straight line and a shift in the position of the focus area inside the core of the fiber. To eliminate these displacements of the focusing area, the movement of the fiber must be carried out along a path different from the straight line, which would compensate for this sag.

Недостатком известного технического решения является необходимость предварительной юстировки положения световода относительно области фокусировки для компенсации провисания, что увеличивает трудоемкость и время записи структур. Кроме того, для точного перемещения световода для компенсации провисания требуется использование дорогостоящего высокоточного 3-х координатного позиционера.A disadvantage of the known technical solution is the need for preliminary alignment of the position of the fiber relative to the focusing area to compensate for sagging, which increases the complexity and recording time of structures. In addition, the precise movement of the fiber to compensate for sagging requires the use of an expensive high-precision 3-axis positioner.

Известно техническое решение, представленное в патенте (RU 2610904, «Способ изготовления волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах» Авторы: Достовалов А.В., Бабин С.А., Вольф А.А., Парыгин А.В., Распопин К.С.) где предлагается поточечный метод создания волоконных брэгговских решеток, основанный на протяжке нефоточувствительного волоконного световода через прозрачную феррулу со шлифованной боковой гранью для эффективной фокусировки лазерного излучения в сердцевину нефоточувствительного волоконного световода. Протяжка осуществляется с помощью высокоточного линейного позиционера. В данном случае проблема провисания световода решается, поскольку область фокусировки относительно сердцевины световода не изменяется при протяжке световода.The technical solution presented in the patent is known (RU 2610904, “A method for manufacturing fiber Bragg gratings in oil-sensitive fiber optical fibers” Authors: Dostovalov AV, Babin SA, Wolf AA, Parygin AV, Raspopin K .С.) Where a pointwise method for creating fiber Bragg gratings is proposed, based on drawing an oil-sensitive fiber through a transparent ferrule with a polished side face to efficiently focus laser radiation into the core of the photosensitive fiber light a. The pulling is carried out using a high-precision linear positioner. In this case, the problem of sagging of the fiber is solved, since the focusing area relative to the core of the fiber does not change when pulling the fiber.

Недостатком известного технического решения является малое значение поперечного размера области модификации, определяемое условиями фокусировки излучения высокоапертурным объективом, что приводит к неэффективному взаимодействию излучения, распространяющегося по сердцевине световода, с периодической структурой и, следовательно, к низкому значению коэффициента отражения от данной структуры. По этой причине для увеличения коэффициента отражения необходимо либо повышать величину изменения показателя преломления области модификации с помощью увеличения энергии лазерных импульсов, либо увеличивать общую длину структуры. В первом случае чрезмерное увеличение энергии лазерных импульсов может привести к возникновению явления оптического пробоя в материале и, следовательно, возникновению существенных оптических потерь в структуре, что нежелательно для многих прикладных задач, где используются волоконные решетки показателя преломления. Во втором случае при записи длинных ВБР могут накапливаться ошибки в позиционировании, что может привести к искажению идеальной формы спектра ВБР.A disadvantage of the known technical solution is the small value of the transverse size of the modification region, determined by the conditions of focusing the radiation by a high-aperture lens, which leads to an ineffective interaction of the radiation propagating through the core of the fiber with a periodic structure and, therefore, to a low value of the reflection coefficient from this structure. For this reason, to increase the reflection coefficient, it is necessary either to increase the change in the refractive index of the modification region by increasing the energy of laser pulses, or to increase the total length of the structure. In the first case, an excessive increase in the energy of laser pulses can lead to the occurrence of optical breakdown in the material and, consequently, to the appearance of significant optical losses in the structure, which is undesirable for many applied problems where fiber gratings of the refractive index are used. In the second case, when recording long FBGs, positioning errors can accumulate, which can lead to distortion of the ideal shape of the FBG spectrum.

Известно техническое решение, представленное в статье [P. Lu, S.J. Mihailov, Н. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. Способ основан на использовании астигматического гауссова пучка при записи, который формируется цилиндрической линзой, расположенной перед фокусирующим объективом. При фокусировке астигматического гауссова пучка наблюдается формирования двух каустик с взаимно-перпендикулярным расположением: меридиональную и сагиттальную, которые представляет собой две полоски (вертикальная и горизонтальная). Таким образом, располагая одну из каустик в сердцевине, перпендикулярно оси световода, возможно, получить область модификации с поперечным размером равным диаметру сердцевины, поэтому излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.The technical solution presented in the article [P. Lu, S.J. Mihailov, N. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. The method is based on the use of an astigmatic Gaussian beam when recording, which is formed by a cylindrical lens located in front of the focusing lens. When focusing an astigmatic Gaussian beam, two caustics are formed with a mutually perpendicular arrangement: meridional and sagittal, which are two strips (vertical and horizontal). Thus, by arranging one of the caustics in the core perpendicular to the axis of the fiber, it is possible to obtain a modification region with a transverse dimension equal to the diameter of the core, therefore, radiation propagating through the core will be effectively reflected from such a structure.

Недостатками данного технического решения являются фиксированный поперечный размер области модификации, определяемый фокусным расстоянием цилиндрической линзы, что ограничивает запись ВБР в световодах с различными диаметрами сердцевины, а также высокое значение величины энергии лазерных импульсов (на порядок больше, чем при поточечной схеме записи) требуемой для записи, что может привести к повреждению оптических элементов системы.The disadvantages of this technical solution are the fixed transverse size of the modification region, determined by the focal length of the cylindrical lens, which limits the FBG recording in optical fibers with different core diameters, as well as the high value of the energy of laser pulses (an order of magnitude greater than with a point-by-point recording scheme) required for recording , which can lead to damage to the optical elements of the system.

Известно техническое решение, представленное в статье (K. Zhou, М. Dubov, С. Mou, L. Zhang, V.K. Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) где предлагается модифицированный поточечный метод записи посредством наложения соседних областей модификаций, которые образуют непрерывный трек, формирующий периодическую структуру ВБР. Периодическая структура формируется вследствие перемещение световода, закрепленного на высокоточном 2-х координатном позиционере, по заданной траектории движения, состоящей из прямых отрезков, расположенных поперек и вдоль оси волокна. Период периодической структуры равен в данном случае длине отрезка прямой вдоль волокна. При этом с помощью синхронизации открывания/закрывания лазерного затвора модификация показателя преломления осуществляется только в сердцевине световода. В данном случае, поскольку поперечный размер области модификации показателя преломления будет сопоставим или равен диаметру сердцевины световода, излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.A technical solution is presented in the article (K. Zhou, M. Dubov, C. Mou, L. Zhang, VK Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) where a modified point-by-point recording method is proposed by superimposing adjacent regions of modifications that form a continuous track forming a periodic FBG structure. The periodic structure is formed due to the movement of the fiber, mounted on a high-precision 2-coordinate positioner, along a predetermined path of movement, consisting of straight segments located transversely and along the fiber axis. The period of the periodic structure is equal in this case to the length of the straight line segment along the fiber. In this case, by synchronizing the opening / closing of the laser shutter, the refractive index is modified only at the core of the fiber. In this case, since the transverse size of the region of modification of the refractive index will be comparable to or equal to the diameter of the core of the fiber, the radiation propagating through the core will be effectively reflected from such a structure.

Недостатком известного технического решения является низкая скорость записи структур, поскольку для создания каждого штриха решетки требуется сместить весь участок световода на величину, превышающую диаметр сердцевины световода, а также необходимость использования высокоточного 2-х координатного позиционера.A disadvantage of the known technical solution is the low speed of recording structures, since to create each bar of the grating it is necessary to shift the entire section of the fiber by an amount exceeding the diameter of the core of the fiber, as well as the need to use a high-precision 2-coordinate positioner.

Перед авторами ставилась задача разработать устройство изготовления волоконных решеток показателя преломления в волоконных световодах с поперечным размером модификации сравнимой с диаметром сердцевины световода различных диаметров.The authors were tasked with developing a device for manufacturing refractive index fiber gratings in fiber optical fibers with a transverse modification size comparable to the diameter of the fiber core of various diameters.

Поставленная задача решается с помощью использования оптически последовательно связанных: источника фемтосекундного лазерного излучения, поворотного зеркала, первой собирающей линзы, рефрактивной плоскопараллельной пластинки, выполненной из оптически прозрачного материала, имеющуей форму прямоугольного параллелепипеда, второй собирающей линзы, микрообъектива и прозрачной феррулы со шлифованной боковой гранью, для размещения в ней волоконного световода, при этом рефрактивная пластинка размещена со смещением от перетяжки пучка между первой и второй собирающими линзами и установлена с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной оптической оси оптической схемы для регулирования латерального смещения пучка лазерного излучения в фокальной плоскости микрообъектива, определяемое по формуле

Figure 00000001
, где θ - угол поворота рефрактивной пластинки, d - толщина рефрактивной пластинки вдоль оптической оси при θ=0 рад, n - коэффициент преломления рефрактивной пластинки, ƒ1 - фокусное расстояние микрообъектива, ƒ2 - фокусное расстояние второй линзы, расстояние между первой и второй собирающими линзами - L1=ƒ3+ƒ2+(n-1)d/n, где ƒ3 - фокусное расстояние первой собирающей линза, а расстояние L2 от второй линзы до входной апертуры микрообъектива должно быть равным фокусному расстоянию второй собирающей линзы, феррула, с размещенным в ней волоконным световодом, должна быть расположена таким образом, чтобы сердцевина волоконного световода находилась в фокусе микрообъективаThe problem is solved by using optically sequentially coupled: a femtosecond laser radiation source, a rotary mirror, a first collecting lens, a refractive plane-parallel plate made of optically transparent material having the shape of a rectangular parallelepiped, a second collecting lens, a micro lens and a transparent ferrule with a polished side face, to accommodate a fiber waveguide in it, while the refractive plate is placed with an offset from the beam waist Do the first and second collecting lens and is mounted rotatably about an axis perpendicular to the optical axis of the optical circuit for controlling the lateral displacement of the laser beam in the focal plane of the microscope objective defined by the formula
Figure 00000001
where θ is the angle of rotation of the refractive plate, d is the thickness of the refractive plate along the optical axis at θ = 0 rad, n is the refractive index of the refractive plate, ƒ 1 is the focal length of the micro lens, ƒ 2 is the focal length of the second lens, the distance between the first and second collecting lenses - L 1 = ƒ 3 + ƒ 2 + (n-1) d / n, where ƒ 3 is the focal length of the first collecting lens, and the distance L 2 from the second lens to the input aperture of the micro lens should be equal to the focal length of the second collecting lens , ferrule, with fiber light placed in it water should be located so that the core of the fiber is in the focus of the micro lens

Техническим результатом заявляемого устройства изготовления волоконных брэгговских решеток в волоконных световодах является увеличение коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток и скорости изготовления волоконных брэгговских решеток, а также расширение типов записываемых структур (наклонные ВБР, ДПВР, волноводные структуры).The technical result of the claimed device for the manufacture of fiber Bragg gratings in optical fibers is an increase in the reflection coefficient of fiber Bragg gratings and the speed of manufacture of fiber Bragg gratings, as well as the expansion of the types of recorded structures (inclined FBG, LPFG, waveguide structures).

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства изготовления периодических структур показателя преломления (вид спереди), где 1 - лазерное излучение, 2 - фемтосекундный лазер, 3 - микрообъектив, 4 - феррула, 5 - сердцевина световода, 6 - световод, 8 - сквозной канал ферулы, 9 - сканерный модуль, 10 - первая собирающая линза, 11 - плоскопараллельная пластинка, 12 - вторая собирающая линза.In FIG. 1 is a diagram of the inventive device for manufacturing periodic structures of a refractive index (front view), where 1 is laser radiation, 2 is a femtosecond laser, 3 is a micro lens, 4 is a ferrule, 5 is a fiber core, 6 is a fiber, 8 is a through ferrule channel, 9 - scanner module, 10 - the first collecting lens, 11 - plane-parallel plate, 12 - the second collecting lens.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства изготовления периодических структур показателя преломления (вид сбоку), где 1 - лазерное излучение, 2 - фемтосекундный лазер, 3 - микрообъектив, 4 - феррула, 6 - световод, 7 - высокоточный линейный позиционер, 9 - сканерный модуль, 10 - первая собирающая линза, 11 - плоскопараллельная пластинка, 12 - вторая собирающая линза.In FIG. 2 shows a diagram of the inventive device for manufacturing periodic structures of the refractive index (side view), where 1 is laser radiation, 2 is a femtosecond laser, 3 is a micro lens, 4 is a ferrule, 6 is a fiber, 7 is a high-precision linear positioner, 9 is a scanner module, 10 - the first collecting lens, 11 - plane-parallel plate, 12 - the second collecting lens.

На фиг. 3 представлены схема записи волоконных брэгговских решеток показателя преломления с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.In FIG. Figure 3 shows the recording scheme of fiber Bragg gratings of the refractive index using the proposed method of scanning a laser beam.

На Фиг. 4 представлена схема записи наклонных ВБР с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.In FIG. 4 shows a recording scheme of inclined FBGs using the proposed method of scanning a laser beam.

На Фиг. 5 представлена схема записи длиннопериодных решеток показателя преломления с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.In FIG. 5 shows a recording scheme for long-period refractive index gratings using the proposed laser beam sweep method.

На Фиг. 6 представлены спектры наклонных волоконных брэгговских решеток в волоконных световодах, изготовленных по предложенной схеме записи.In FIG. Figure 6 shows the spectra of inclined fiber Bragg gratings in fiber optical fibers made according to the proposed recording scheme.

На Фиг. 7 представлена фотография области модификации показателя преломления внутри сердцевины волоконных световодах в области наклонных волоконных брэгговских решеток, изготовленных по предложенной схеме записи.In FIG. 7 is a photograph of the region of modification of the refractive index inside the core of the optical fibers in the region of the inclined fiber Bragg gratings made according to the proposed recording scheme.

Заявляемое устройство создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов на основе сканирования (развертки) сфокусированного пучка лазерного излучения в фокальной плоскости объектива работает следующим образом. Лазерное излучение 1 фемтосекундного лазера 2 с постоянной частотой следования и энергией импульсов с помощью микрообъектива 3, с числовой апертурой NA>0.5, фокусируется через шлифованную боковую грань феррулы 4, прозрачной для излучения фемтосекундного лазера, в сердцевину 5 нефоточувствительного волоконного световода 6. Волоконный световод 6 изготавливают как одномодовым (т.е. в сердцевине волоконного световода может распространяться только одна мода на рабочей длине волны), так и многомодовым (т.е. в сердцевине волоконного световода может распространяться несколько мод на рабочей длине волны). Волоконный световод 6 перемещается с помощью высокоточного линейного позиционера 7 (Фиг. 2) с постоянной скоростью V в процессе изготовления волоконных решеток показателя преломления. Сквозной внутренний канал 8 феррулы 4, между волоконным световодом 6 и внутренними стенками феррулы 4, заполняется иммерсионной жидкостью для компенсации кривизны боковой поверхности световода. Показатель преломления иммерсионной жидкости подбирается равным показателю преломления феррулы 4.The inventive device for creating periodic structures of the refractive index inside transparent materials based on scanning (sweep) of a focused laser beam in the focal plane of the lens works as follows. Laser radiation 1 of a femtosecond laser 2 with a constant repetition rate and pulse energy using a micro lens 3, with a numerical aperture NA> 0.5, is focused through the polished side face of the ferrule 4, which is transparent for the emission of a femtosecond laser, into the core 5 of the photosensitive fiber 6. they are made both single-mode (i.e., only one mode can propagate in the core of the fiber at the operating wavelength), and multi-mode (i.e., in the core of the fiber can spread several modes at the working wavelength). The fiber waveguide 6 is moved using a high-precision linear positioner 7 (Fig. 2) with a constant speed V during the manufacture of refractive index fiber gratings. The through inner channel 8 of the ferrule 4, between the fiber waveguide 6 and the inner walls of the ferrule 4, is filled with immersion liquid to compensate for the curvature of the side surface of the fiber. The refractive index of the immersion fluid is selected equal to the refractive index of the ferrule 4.

С помощью сканирующего модуля 9 осуществляется развертка сфокусированного лазерного пучка в области сердцевины 5 волоконного световода 6. Задача сканирующего модуля 9 создавать изменение угла наклона сколлимированного пучка лазера 2 на входной апертуре микрообъектива 3. Сканерный модуль 9 (Фиг. 1) на основе рефрактивной плоскопараллельной пластинки включает в себя первую собирающую линзу 10, рефрактивную плоскопараллельную пластинку 11 и вторую собирающую линзу 12. Пластинка 11 выполнена из оптически прозрачного материала и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с расстоянием между рабочими гранями d. Пластинка располагается между двумя линзами 10 и 12 и смещена от перетяжки пучка между линзами для уменьшения интенсивности фемтосекундного излучения внутри нее. Пластинка установлена на оси электродвигателя или гальвано-сканера (ось вращения перпендикулярна оптической оси оптической схемы. (Фиг. 1). Расстояние между линзами 10 и 12 - L1=ƒ3+ƒ2+(n-1)d/n, где ƒ3 - фокусное расстояние первой собирающей линзы, ƒ2 - фокусное расстояние второй собирающей линзы, а n - коэффициент преломления пластинки, d - толщина пластинки вдоль оптической оси при θ=0 рад. При этом, расстояние L2 до входной апертуры микрообъектива 3 должно быть равным ƒ2, чтобы при сканировании пятно лазерного пучка не перемещалось относительно апертуры миркообъектива 3. При повороте пластинки 11 на угол θ происходит латеральное смещение пучка между линзами на расстояние:Using the scanning module 9, a focused laser beam is scanned in the region of the core 5 of the optical fiber 6. The task of the scanning module 9 is to create a change in the angle of inclination of the collimated laser beam 2 at the input aperture of the micro lens 3. The scanner module 9 (Fig. 1) based on a refractive plane-parallel plate includes the first collecting lens 10, a refractive plane-parallel plate 11 and the second collecting lens 12. The plate 11 is made of optically transparent material and has a straight shape coal parallelepiped with the distance between the working faces d. The plate is located between two lenses 10 and 12 and is offset from the constriction of the beam between the lenses to reduce the intensity of the femtosecond radiation inside it. The plate is mounted on the axis of the electric motor or galvanic scanner (the axis of rotation is perpendicular to the optical axis of the optical circuit. (Fig. 1). The distance between the lenses 10 and 12 is L 1 = ƒ 3 + ƒ 2 + (n-1) d / n, where ƒ 3 is the focal length of the first collecting lens, ƒ 2 is the focal length of the second collecting lens, and n is the refractive index of the plate, d is the thickness of the plate along the optical axis at θ = 0 rad. Moreover, the distance L 2 to the input aperture of the micro lens 3 should ƒ be equal to 2 so as not to move relative aper scanning laser beam spot urs mirkoobektiva 3. When plate 11 is rotated by an angle θ occurs lateral displacement of the beam between the lenses at a distance of:

Figure 00000002
Figure 00000002

что приводит к смещения пятна в плоскости фокусировки наwhich leads to a shift of the spot in the focusing plane by

Figure 00000003
Figure 00000003

где ƒ1 - фокусное расстояние микрообъектива 3. Соотношение фокусных расстояний линз позволяет управлять диаметром пучка на апертуре микрообъектива W2, по отношению к исходному диаметру W1 в плоскости линзы 10 по формуле:where ƒ 1 is the focal length of the micro lens 3. The ratio of the focal lengths of the lenses allows you to control the beam diameter at the aperture of the micro lens W 2 , relative to the original diameter W 1 in the plane of the lens 10 according to the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

Схема записи ВБР с помощью описанного метода представлена на фиг. 3, где окружность изображает модификацию от одиночного лазерного импульса. При наложении данных модификаций формируется непрерывный трек с измененным показателем преломления. Таким образом, задавая сканирование в поперечном к оси световода (диаметра D) направлении по синусу с частотой vs и перемещая световод с постоянной скоростью V, возможно создание однородных ВБР. При этом период ВБР будет равен Λ=V/(2vs). При этом, амплитуда сканирования Ах должна быть больше диаметра сердцевины световода D для эффективного взаимодействия излучения с ВБР и отсутствия угла наклона штрихов ВБР.The FBG recording scheme using the described method is shown in FIG. 3, where the circle depicts a modification from a single laser pulse. When these modifications are superimposed, a continuous track is formed with a modified refractive index. Thus, by setting the scan in the transverse to the axis of the fiber (diameter D) along the sine with a frequency v s and moving the fiber with a constant speed V, it is possible to create homogeneous FBGs. In this case, the FBG period will be equal to Λ = V / (2v s ). In this case, the scanning amplitude Ax should be larger than the diameter of the core of the fiber D for effective interaction of radiation with FBG and the absence of a slope angle of the FBG strokes.

На Фиг. 4 представлена схема записи наклонных ВБР с помощью развертки лазерного луча. В данном случае функция сканирования лазерного луча задается в виде треугольной функции при непрерывном перемещении световода. Угол наклона штрихов решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещение световода V, так и от частоты сканирования луча v: tg(α)=V/(2Dvs).In FIG. 4 shows a recording scheme of inclined FBGs using a laser beam scan. In this case, the function of scanning the laser beam is set in the form of a triangular function with continuous movement of the fiber. In this case, the angle of inclination of the grating of the grating α depends both on the speed of the fiber moving V and on the beam scanning frequency v: tg (α) = V / (2Dv s ).

На Фиг. 5 представлена схема записи длиннопериодных решеток показателя преломления. В данном случае при наложении соседних треков и модуляции энергии импульсов, возможно, создание периодической структуры с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого открыт затвор лазера.In FIG. 5 shows a recording scheme for long-period refractive index gratings. In this case, when overlapping adjacent tracks and modulating the pulse energy, it is possible to create a periodic structure with a period Λ = 2Vτ, where τ is the time during which the laser shutter is open.

Для демонстрации работоспособности предложенного способа были изготовлены наклонные волоконные брэгговские решетки с периодом структуры 2,14 мкм (4-ый порядок на 1550 нм). При этом общая длина ВБР составила 10 мм. Угол наклона составил 9°, амплитуда сканирования составила 10 мкм. Спектр записанной наклонной ВБР представлен на Фиг. 6. Поскольку для наклонной ВБР характерна сильная связь с оболочечными модами, то в спектре пропускания наблюдаются выраженные пики в коротковолновой области, соответствующие резонансам оболочечных мод. Изображения участка сердцевины световода с записанной наклонной ВБР представлены на Фиг. 7. Из которых отчетливо видна треугольная форма отдельных участков решетки.To demonstrate the operability of the proposed method, inclined fiber Bragg gratings with a structure period of 2.14 μm (4th order at 1550 nm) were manufactured. The total length of the FBG was 10 mm. The angle of inclination was 9 °, the scanning amplitude was 10 μm. The spectrum of the recorded oblique FBG is shown in FIG. 6. Since an inclined FBG is characterized by a strong coupling with cladding modes, pronounced peaks in the short-wavelength region corresponding to resonances of cladding modes are observed in the transmission spectrum. Images of a core section of a fiber with a recorded inclined FBG are shown in FIG. 7. Of which the triangular shape of individual sections of the lattice is clearly visible.

Таким образом, заявленный способ позволяет изготавливать волоконные решетки показателя преломления методом развертки лазерного луча, что существенно увеличивает скорость изготовления волоконных решеток показателя преломления, а также упрощает схему записи, поскольку в ней не требуется использования 2-х координатных высокоточных позиционеров.Thus, the claimed method allows to produce refractive index fiber gratings by laser beam scanning, which significantly increases the speed of manufacturing refractive index fiber gratings, and also simplifies the recording scheme, since it does not require the use of 2-coordinate high-precision positioners.

Преимуществом заявляемого технического решения является возможность изготовления волоконных решеток показателя преломления различных типов, как однородных ВБР, так и ВБР с наклонными штрихами, а также длиннопериодных решеток показателя преломления.An advantage of the claimed technical solution is the possibility of manufacturing fiber gratings of the refractive index of various types, both homogeneous FBGs and FBGs with inclined strokes, as well as long-period gratings of the refractive index.

Claims (1)

Устройство для создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов, включающее оптически последовательно связанные источник фемтосекундного лазерного излучения, первую собирающую линзу, рефрактивную плоскопараллельную пластинку, выполненную из оптически прозрачного материала, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда, вторую собирающую линзу, микрообъектив и прозрачную феррулу со шлифованной боковой гранью для размещения в ней волоконного световода, при этом рефрактивная пластинка размещена со смещением от перетяжки пучка между первой и второй собирающими линзами и установлена с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оптической оси, оптической схемы для регулирования латерального смещения пучка лазерного излучения в фокальной плоскости микрообъектива, определяемое по формуле
Figure 00000005
, где θ - угол поворота рефрактивной пластинки, d - толщина рефрактивной пластинки вдоль оптической оси при θ=0 рад, n - коэффициент преломления рефрактивной пластинки, ƒ1 - фокусное расстояние микрообъектива, ƒ2 - фокусное расстояние второй линзы, расстояние между первой и второй собирающими линзами - L1=ƒ3+ƒ2+(n-1)d/n, где ƒ3 - фокусное расстояние первой собирающей линзы, а расстояние L2 от второй линзы до входной апертуры микрообъектива должно быть равным фокусному расстоянию второй собирающей линзы, феррула с размещенным в ней волоконным световодом должна быть расположена таким образом, чтобы сердцевина волоконного световода находилась в фокусе микрообъектива.A device for creating periodic refractive index structures inside transparent materials, including an optically connected femtosecond laser source, a first collecting lens, a refractive plane-parallel plate made of an optically transparent material having the shape of a rectangular parallelepiped, a second collecting lens, a micro lens and a transparent ferrule with polished side face to accommodate a fiber waveguide in it, while the refractive plate is placed of displacement of beam waist between the first and second collecting lens and is mounted rotatably about an axis perpendicular to the optical axis of the optical circuit for controlling the lateral offset of the laser beam in the focal plane of the microscope objective defined by the formula
Figure 00000005
where θ is the angle of rotation of the refractive plate, d is the thickness of the refractive plate along the optical axis at θ = 0 rad, n is the refractive index of the refractive plate, ƒ 1 is the focal length of the micro lens, ƒ 2 is the focal length of the second lens, the distance between the first and second collecting lenses - L 1 = ƒ 3 + ƒ 2 + (n-1) d / n, where ƒ 3 is the focal length of the first collecting lens, and the distance L 2 from the second lens to the input aperture of the micro lens should be equal to the focal length of the second collecting lens ferrule with fiber light in it Odom should be located so that the fiber core was in focus microlens.
RU2018144847A 2018-12-17 2018-12-17 Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials RU2695286C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144847A RU2695286C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144847A RU2695286C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695286C1 true RU2695286C1 (en) 2019-07-22

Family

ID=67512295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018144847A RU2695286C1 (en) 2018-12-17 2018-12-17 Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2695286C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2726738C1 (en) * 2019-12-18 2020-07-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2093642C (en) * 1990-11-08 1999-05-04 Raman Kashyap Method of forming optical fibre gratings
WO2001001174A1 (en) * 1999-06-29 2001-01-04 Mitsubishi Cable Industries, Ltd. Method for making fiber grating, component for optical communication, and temperature sensor
EP0749587B1 (en) * 1994-02-14 2003-11-05 The University Of Sydney Optical grating in a waveguide and method of forming such grating

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2093642C (en) * 1990-11-08 1999-05-04 Raman Kashyap Method of forming optical fibre gratings
EP0749587B1 (en) * 1994-02-14 2003-11-05 The University Of Sydney Optical grating in a waveguide and method of forming such grating
WO2001001174A1 (en) * 1999-06-29 2001-01-04 Mitsubishi Cable Industries, Ltd. Method for making fiber grating, component for optical communication, and temperature sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2726738C1 (en) * 2019-12-18 2020-07-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thomas et al. Inscription of fiber Bragg gratings with femtosecond pulses using a phase mask scanning technique
US10201874B2 (en) Method and apparatus for realizing tubular optical waveguides in glass by femtosecond laser direct writing
Grobnic et al. Fiber Bragg gratings with suppressed cladding modes made in SMF-28 with a femtosecond IR laser and a phase mask
US20070091977A1 (en) Method and system for forming periodic pulse patterns
CN109641318A (en) Femtosecond laser is inscribed
JP2005292382A (en) Optical element, method for manufacturing the same and optical device
RU2695286C1 (en) Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials
Becker et al. Inscription of fiber Bragg grating arrays in pure silica suspended core fibers
Grenier et al. Optical circuits in fiber cladding: Femtosecond laser-written bragg grating waveguides
RU2726738C1 (en) Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation
CA3038944C (en) Glass ferrule coupling of in-line fiber taps and fiber cladding waveguides
Wolf et al. Direct core-selective inscription of Bragg grating structures in seven-core optical fibers by femtosecond laser pulses
RU2610904C1 (en) Method of making fibre bragg gratings in non-photosensitive fibre-optic guides
Han et al. Measurement of refractive index change of optical fiber core induced by femtosecond laser scanning
Rahnama et al. Visible-light, All-fiber Spectrometer Based on Radiative Emission From a Chirped Filament Grating Array
RU199247U1 (en) OPTICAL INTEGRAL CHIP WITH ELEMENT FOR INPUTING RADIATION INTO OR OUT OF THE WAVEGUIDE
RU199213U1 (en) OPTICAL INTEGRATED CHIP WITH ELEMENT FOR FOCUSING AND INPUTING RADIATION INTO OR OUT OF THE WAVEGUIDE
RU198454U1 (en) OPTICAL INTEGRAL CHIP WITH ELEMENT FOR INPUT RADIATION IN A WAVEGUIDE
Pavlopoulos et al. Fabrication of channel optical waveguides in glass by cw laser heating
Rahnama et al. Spatial light shaping of uniform femtosecond laser sheets for fabricating fiber Bragg gratings
JP3334417B2 (en) Method and apparatus for producing optical waveguide type diffraction grating
Ćorić et al. Prospects for ultrafast-laser writing of three-dimensional photonic devices for Telecom applications
Wolf et al. Femtosecond core-scanning inscription of tilted fiber Bragg gratings
Jang et al. Fiber-connected 3D Printed Hollow-core Light Cage for Gas Detection
Becker et al. Fiber Bragg grating inscription with DUV femtosecond exposure and two beam interference