本發(fā)明涉及光纖光柵的刻寫(xiě)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵在光纖激光器、光纖通信及光纖傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)光柵相比，光纖光柵具有線寬窄、插入損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、質(zhì)量輕、體積小、易于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。利用光纖光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)二色鏡而構(gòu)成的全光纖激光器，具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖激光器走向?qū)嵱没９饫w光柵的出現(xiàn)也極大促進(jìn)了光纖通信和光纖傳感的發(fā)展。

目前制備光纖布拉格光柵的主要方法有掩模板法、逐點(diǎn)寫(xiě)入法和干涉法。其中，相位掩模板法，通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射條紋，利用±1級(jí)衍射條紋側(cè)面曝光光敏光纖制備光柵結(jié)構(gòu)。該方法大大降低了對(duì)紫外光源相干性的要求，而且實(shí)驗(yàn)制備的光纖光柵的周期只取決于相位掩模板條紋的周期(光柵周期為相位掩模板條紋周期的一半)，因而降低了光纖光柵制備工藝的難度?；谧贤饧す獾南辔谎谀０宸ㄊ悄壳白顬槠毡椴捎玫闹苽浞椒ǎ侵苽涔饫w光柵的標(biāo)準(zhǔn)工藝，該方法使得光纖光柵走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。

采用相位掩模板法制備的光纖布拉格光柵，在光纖布拉格光柵的兩側(cè)，存在折射率突變，產(chǎn)生自啁啾效應(yīng)，表現(xiàn)為其透射譜、反射譜上出現(xiàn)較為嚴(yán)重的邊帶，極大地制約了光纖光柵器件的應(yīng)用。通過(guò)光纖光柵切趾技術(shù)，使光柵中光感折射率調(diào)制的振幅沿著光柵長(zhǎng)度有一個(gè)鐘形函數(shù)的形狀變化，這樣能避免光柵的短波損耗和有效抑制布拉格光纖光柵反射譜的邊帶。常用的光纖光柵切趾方法有切趾相位掩模板法、掃描法、多次曝光法與振幅掩模板法。其中，振幅掩模板法通過(guò)采用振幅模板垂直光束方向?qū)馐鴴呙?，控制光纖光柵的曝光時(shí)間，使光柵中光感折射率調(diào)制呈不均勻變化，達(dá)到切趾效果。這種方法對(duì)控制精度要求不高，較為簡(jiǎn)便，性價(jià)比較高，是較為常用的一種光纖光柵切趾方法。

普通的相位掩模板刻寫(xiě)系統(tǒng)是由準(zhǔn)分子激光器、反射鏡組、光闌、擴(kuò)束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板與光纖夾持裝置構(gòu)成。這種刻寫(xiě)系統(tǒng)是用來(lái)制作光纖布拉格光柵，由于沒(méi)有引入切趾裝置，制備的光纖光柵在透射譜、反射譜上存在較為嚴(yán)重的邊帶；并且在光纖為大芯徑光纖時(shí)，受限于控制精度，聚焦后的光束不能精確的置于光纖中心處，導(dǎo)致光纖纖芯光感折射率調(diào)制在徑向呈現(xiàn)出不對(duì)稱。這種調(diào)制不對(duì)稱性，對(duì)提高大芯徑光纖布拉格光柵的透射譜、反射譜深度是不利的，會(huì)影響大芯徑光纖光柵的性能和應(yīng)用。現(xiàn)有的相位掩模板刻寫(xiě)技術(shù)是無(wú)法消除這種調(diào)制不對(duì)稱性的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種可制備不同類型切趾光纖光柵、能夠消除由于光纖大芯徑所導(dǎo)致的光感折射率調(diào)制的不對(duì)稱性的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，還提供一種采用該刻寫(xiě)系統(tǒng)刻寫(xiě)切趾光纖光柵的方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)、準(zhǔn)分子激光器、反射鏡組、光闌、擴(kuò)束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板和光纖夾持裝置，所述反射鏡組安裝在光學(xué)平臺(tái)上用于調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器出射光束的位置和高度，所述光闌、擴(kuò)束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板和光纖夾持裝置沿反射鏡組反射的出射光束的射出方向依次布置在光學(xué)平臺(tái)上，所述擴(kuò)束柱透鏡組和聚焦柱透鏡之間設(shè)有切趾裝置，所述切趾裝置包括具有正模板和負(fù)模板的振幅掩模板以及安裝于光學(xué)平臺(tái)上的升降驅(qū)動(dòng)組件，所述振幅掩模板安裝于升降驅(qū)動(dòng)組件的升降端；所述光纖夾持裝置包括兩個(gè)光纖夾具以及兩個(gè)安裝于光學(xué)平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光纖夾具繞與出射光束垂直的同一軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)裝置通過(guò)三維手動(dòng)線位移平臺(tái)安裝于光學(xué)平臺(tái)上。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述升降驅(qū)動(dòng)組件包括豎直線性位移平臺(tái)，所述豎直線性位移平臺(tái)的升降端設(shè)有載物臺(tái)，所述振幅掩模板裝設(shè)于載物臺(tái)上。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述豎直線性位移平臺(tái)通過(guò)一L型支架安裝于光學(xué)平臺(tái)上。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述反射鏡組包括兩個(gè)針對(duì)248nm紫外激光高反的反射鏡，兩個(gè)反射鏡安裝在同一支柱上。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)裝置為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，各電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有供光纖穿過(guò)的貫通孔，所述貫通孔沿電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線布置。

上述的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述相位掩模板通過(guò)六維調(diào)節(jié)架安裝于光學(xué)平臺(tái)上。

一種采用上述刻寫(xiě)系統(tǒng)刻寫(xiě)切趾光纖光柵的方法，包括以下步驟：

(a)設(shè)置好準(zhǔn)分子激光器的重復(fù)頻率以及電壓；調(diào)節(jié)升降驅(qū)動(dòng)組件，使振幅掩模板的正模板下沿正好位于出射光束上沿；

(b)截取合適長(zhǎng)度的光纖，將待刻寫(xiě)中間區(qū)域用化學(xué)剝除劑涂覆，再用酒精擦拭后將刻寫(xiě)光纖夾持在光纖夾持裝置的光纖夾具上，將光纖與在線檢測(cè)系統(tǒng)相連；

(c)使用準(zhǔn)分子激光器控制器控制激光器開(kāi)始輸出的同時(shí)啟動(dòng)切趾裝置，通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)組件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板正模板的上沿正好位于出射光束下沿，此時(shí)停止準(zhǔn)分子激光器輸出并停止振幅掩模板的運(yùn)動(dòng)，在幅掩模板下降的同時(shí)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)光纖，在幅掩模板下降的整個(gè)時(shí)間里面將光纖勻速地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，在準(zhǔn)分子激光器停止輸出激光的同時(shí)回到原點(diǎn)；然后降低相位掩模板高度，使光束移出柵區(qū)；

(d)補(bǔ)償時(shí)，先通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)組件使振幅掩模板的負(fù)模板的下沿正好位于出射光束的上沿，使用準(zhǔn)分子激光器控制器控制激光器開(kāi)始輸出的同時(shí)啟動(dòng)切趾裝置，通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)組件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板負(fù)模板的上沿正好位于出射光束下沿，此時(shí)停止準(zhǔn)分子激光器輸出并停止振幅掩模板的運(yùn)動(dòng)，在幅掩模板下降的同時(shí)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)光纖，在幅掩模板下降的整個(gè)時(shí)間里面將光纖勻速地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，在準(zhǔn)分子激光器停止輸出激光的同時(shí)回到原點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)引入了切趾裝置，并且可以通過(guò)靈活調(diào)整切趾函數(shù)類型與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同類型切趾光纖光柵的制備。

2、本發(fā)明的切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)引入了光纖旋轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)對(duì)光纖的旋轉(zhuǎn)，消除由于光纖大芯徑所導(dǎo)致的光感折射率調(diào)制的不對(duì)稱性，有助于制備高性能的大芯徑光纖光柵。

附圖說(shuō)明

圖1為切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為振幅掩模板安裝在升降驅(qū)動(dòng)組件上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為超高斯切趾函數(shù)振幅掩模板示意圖。

圖4為Sinc切趾函數(shù)振幅掩模板示意圖。

圖5為兩個(gè)光纖夾具通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置和三維手動(dòng)線位移平臺(tái)安裝在光學(xué)平臺(tái)上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為切趾未補(bǔ)償時(shí)光纖光柵的透射譜示意圖。

圖7為切趾補(bǔ)償后光纖光柵的透射譜示意圖。

圖例說(shuō)明：

1、準(zhǔn)分子激光器；2、反射鏡組；3、光闌；4、擴(kuò)束柱透鏡組；5、聚焦柱透鏡；6、相位掩模板；7、光纖夾持裝置；71、光纖夾具；72、旋轉(zhuǎn)裝置；73、三維手動(dòng)線位移平臺(tái)；8、切趾裝置；81、振幅掩模板；811、正模板；812、負(fù)模板；82、豎直線性位移平臺(tái)；821、載物臺(tái)；83、L型支架；9、光纖；10、寬帶光源；11、光譜分析儀；100、光學(xué)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)100、準(zhǔn)分子激光器1、反射鏡組2、光闌3、擴(kuò)束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5、相位掩模板6和光纖夾持裝置7，反射鏡組2安裝在光學(xué)平臺(tái)100上用于調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器1出射光束的位置和高度，光闌3、擴(kuò)束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5、相位掩模板6和光纖夾持裝置7沿反射鏡組2反射的出射光束的射出方向依次布置在光學(xué)平臺(tái)100上，擴(kuò)束柱透鏡組4和聚焦柱透鏡5之間設(shè)有切趾裝置8，切趾裝置8包括具有正模板811和負(fù)模板812的振幅掩模板81以及安裝于光學(xué)平臺(tái)100上的升降驅(qū)動(dòng)組件，振幅掩模板81安裝于升降驅(qū)動(dòng)組件的升降端，振幅掩模板81是根據(jù)具體切趾要求，于薄銅片上激光蝕刻加工得到，可選取不同函數(shù)，圖3、圖4分別為超高斯、Sinc切趾函數(shù)的振幅掩模板示意圖；光纖夾持裝置7包括兩個(gè)光纖夾具71以及兩個(gè)安裝于光學(xué)平臺(tái)100上分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光纖夾具71繞與出射光束垂直的同一軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置72。光纖夾具71使用的是Vytran公司涂覆機(jī)FSR-02配套光纖夾具，通過(guò)V型槽定位光纖并由磁性材料翻蓋固定。

本實(shí)施例中，進(jìn)一步的，旋轉(zhuǎn)裝置72通過(guò)一三維手動(dòng)線位移平臺(tái)73安裝于光學(xué)平臺(tái)100上，通過(guò)三維手動(dòng)線位移平臺(tái)73可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置72的三維空間位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)光纖的位置，保證光纖處在正確的刻寫(xiě)位置。通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置72和三維手動(dòng)線位移平臺(tái)73的配合，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖位置的精確調(diào)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)光纖的高精度旋轉(zhuǎn)。

上述旋轉(zhuǎn)裝置72為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置72可以同步順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)謩e旋轉(zhuǎn)180度，該電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以采用現(xiàn)有技術(shù)，例如，可采用日本駿河精機(jī)電動(dòng)360°平臺(tái)。三維手動(dòng)線位移平臺(tái)73也為現(xiàn)有技術(shù)，例如，可以采用Newport三維手動(dòng)線位移平臺(tái)。

本實(shí)施例中，各電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有供光纖穿過(guò)的貫通孔，貫通孔沿電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線布置，光纖被夾持在兩個(gè)光纖夾具71上，并穿過(guò)兩個(gè)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的貫通孔。

本實(shí)施例中，升降驅(qū)動(dòng)組件包括豎直線性位移平臺(tái)82，豎直線性位移平臺(tái)82通過(guò)一L型支架83安裝于光學(xué)平臺(tái)100上。豎直線性位移平臺(tái)82的升降端設(shè)有載物臺(tái)821，振幅掩模板81裝設(shè)于載物臺(tái)821上。

本實(shí)施例中，反射鏡組2包括兩個(gè)針對(duì)248nm紫外激光鍍高反射率膜的反射鏡，兩個(gè)反射鏡安裝在同一支柱上。

本實(shí)施例中，如圖5所示，相位掩模板6通過(guò)使用六維手動(dòng)調(diào)節(jié)架對(duì)相位掩模板位置進(jìn)行調(diào)整，以使聚焦后光束能夠垂直打在掩模板柵區(qū)中央。該六維手動(dòng)調(diào)節(jié)架由Newport公司出產(chǎn)的三維直角手動(dòng)調(diào)整架M-561D-XYZ，兩軸角度位移平臺(tái)M-GON40-U、L以及360度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)M-RS40拼接而成，并整體安裝于光學(xué)平臺(tái)100上。

上述準(zhǔn)分子激光器1、反射鏡組2、光闌3、擴(kuò)束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5和相位掩模板6均為現(xiàn)有技術(shù)，其中，準(zhǔn)分子激光器1的出射光斑為矩形，且能量分布不均勻，在光斑中心處能量均勻性較好。光闌3用于選取出射光束中心光斑。擴(kuò)束柱透鏡組4放置于兩個(gè)六維調(diào)節(jié)架上，且垂直放置，以得到較為均勻的放大光斑。

該切趾光纖光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)可配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制豎直線性位移平臺(tái)82的升降位置和升降速度，通過(guò)控制系統(tǒng)控制兩個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置72，保證旋轉(zhuǎn)過(guò)程中光纖位置具有較高的空間穩(wěn)定性。

一種采用上述刻寫(xiě)系統(tǒng)刻寫(xiě)切趾光纖光柵的方法，包括以下步驟：

(a)準(zhǔn)分子激光器1參數(shù)設(shè)置：設(shè)置好準(zhǔn)分子激光器1的重復(fù)頻率以及電壓，重復(fù)頻率以及電壓根據(jù)待刻寫(xiě)光纖不同，靈活設(shè)置；調(diào)節(jié)升降驅(qū)動(dòng)組件，使振幅掩模板81的正模板811下沿正好位于出射光束上沿；

(b)準(zhǔn)備光纖：截取合適長(zhǎng)度的光纖，將待刻寫(xiě)中間區(qū)域用化學(xué)剝除劑涂覆，再用酒精擦拭后將刻寫(xiě)光纖夾持在光纖夾持裝置7的光纖夾具71上。將光纖的一端與寬帶光源10連接，另一端與在線檢測(cè)系統(tǒng)(光譜分析儀11)相連，通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)；

(c)切趾光纖光柵刻寫(xiě)：在準(zhǔn)分子激光器1開(kāi)始輸出的同時(shí)啟動(dòng)切趾裝置8和光纖旋轉(zhuǎn)裝置72，通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)組件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板811的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整個(gè)時(shí)間里面將光纖勻速地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，在停止振幅掩模板81下降的同時(shí)停止準(zhǔn)分子激光器1輸出激光和光纖旋轉(zhuǎn)裝置72，此時(shí)光纖旋轉(zhuǎn)裝置72剛好回到旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)，可得到如圖6所示的光纖光柵透射譜。然后手動(dòng)降低相位掩模板6的高度，使光束移出柵區(qū)；

(d)切趾光纖光柵的補(bǔ)償：類似于切趾光纖光柵的刻寫(xiě)，在準(zhǔn)分子激光器1開(kāi)始輸出的同時(shí)啟動(dòng)切趾裝置8和光纖旋轉(zhuǎn)裝置72，通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)組件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板812的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整個(gè)時(shí)間里面將光纖勻速地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，在停止振幅掩模板81下降的同時(shí)停止準(zhǔn)分子激光器1輸出激光和光纖旋轉(zhuǎn)裝置72，此時(shí)光纖旋轉(zhuǎn)裝置72剛好回到旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)，此時(shí)，可得到如圖7所示的光纖光柵透射譜。

待刻寫(xiě)結(jié)束后，將光纖取出退火。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思前提下所得到的改進(jìn)和變換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。