專利名稱：飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種光纖傳感和光纖光柵制備技術(shù)領(lǐng)域的長周期制備系統(tǒng)，具體是一種飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置。
背景技術(shù)：
長周期光纖光柵是一種在光纖上制作的新型光學(xué)器件，它是指在光纖上的數(shù)十到數(shù)百微米的周期性折射率調(diào)制形成的透射式光學(xué)器件，這種光學(xué)器件在光纖通信和光纖傳感上有著重要的用途。長周期光纖光柵具有易于制作、阻帶寬度大，無后向反射、色散低，對外界變化敏感等特性，特別是與光纖系統(tǒng)良好的兼容性，使之成為光纖通信及傳感領(lǐng)域的 性能優(yōu)越的無源光子器件之一。在光纖通信中，主要用作增益均衡器、濾波器、波長選擇及耦合器、光分插復(fù)用器、光開關(guān)以及模式轉(zhuǎn)換和色散補償器等。在傳感領(lǐng)域中，主要用于溫度、應(yīng)變、扭曲、振動等單參數(shù)或多參數(shù)的測量，近年來在化學(xué)、生物傳感領(lǐng)域也獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外長周期光纖光柵的制備方法有以下幾種一是紫外激光照射曝光法。曝光的激光通常是波長為193nm或248nm的紫外光，此法又有逐點曝光法和振幅淹模法之分，逐點曝光法的優(yōu)點是靈活性高，可制作不同光譜特性的光柵，振幅掩模法的有點事可以實現(xiàn)光纖光柵的批量生產(chǎn)，但不同的光柵使用不同的掩模板，并且會遮擋準分子激光器的大部分激光，降低激光的能量效率。最重要的是采用紫外曝光法寫制的長周期光纖光柵的透射譜不能保持長期穩(wěn)定，長時間使用或處于高溫環(huán)境下時，其利用光纖的氫載光敏性形成的光纖內(nèi)的折射率調(diào)制深度會逐漸被擦除，直至無法滿足長周期光纖光柵的耦合條件。二是物理變形法，此法又有加熱拉伸和周期性刻槽加壓兩個方面。在加熱拉伸法中，光纖需除去外包層，用電弧加熱光線的局部下斜區(qū)段，以電弧的持續(xù)時間控制該區(qū)段的微彎大小，其優(yōu)點是長周期光纖光柵具有低的插入損耗和高的熱穩(wěn)定性(達800°C)，缺點是光纖的機械性能下降，工藝條件不易控制，光譜參數(shù)不能準確寫制，且不適宜批量生產(chǎn)；周期性刻槽加壓法中，是將光纖放在一塊平板和一塊刻有周期性凹槽的面板之間，向刻有凹槽的底板施加壓力，由于光彈效應(yīng)，在壓力點產(chǎn)生折射率變化而形成長周期光纖光柵，其缺點是光譜穩(wěn)定性差，且在不同的溫度下，寫制結(jié)構(gòu)由于溫度變化施加的壓力會產(chǎn)生波動，導(dǎo)致對光纖的折射率調(diào)制深度發(fā)生變化，光譜不穩(wěn)定。三是高頻CO2激光寫入法。該方法只需普通光纖，不必氫載，并且可隨意改變寫入周期，從而可以寫入不同周期的長周期光纖光柵，成本低，制作周期短。但由于存在熱擴散，所以纖芯基模到包層模的耦合不徹底，存在較大的寫入損耗。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置。它利用設(shè)計的程控式控制系統(tǒng)實現(xiàn)飛秒激光對固定在高精度三維位移平臺上光纖上長周期光纖光柵的寫制，這樣制作的長周期光纖光柵折射率調(diào)制均勻，通過控制三維位移平臺的移動距離、往復(fù)次數(shù)可實現(xiàn)諧振波長和諧振峰值可調(diào)諧長周期光纖光柵的寫制，且具有寫入損耗小，飛秒激光利用率高的特點。本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，它包括超連續(xù)白光光源、光纖、三維位移臺、光譜分析儀、監(jiān)視器、CCD、聚焦透鏡、高反射鏡、顯微物鏡、泵浦光源、飛秒激光振蕩器、激光放大器、全反射鏡、圓形可調(diào)節(jié)衰減片、可控機械開關(guān)及光闌，光纖將超連續(xù)白光光源與光譜分析儀連接，監(jiān)視器、(XD、聚焦透鏡、高反射鏡、顯微物鏡依次連接組成觀察光路；泵浦光源、飛秒激光振蕩器、激光放大器、全反射鏡、圓形可調(diào)節(jié)衰減片、可控機械開關(guān)及光闌依次連接組成寫制光路，光闌的光線經(jīng)高反射鏡進入顯微物鏡；所述光纖兩端水平夾持在三維位移平臺上；在寫制過程中控制三維位移平臺的水平移動；通過控制三 維位移平臺的水平移動次數(shù)，實現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制；所述可控機械開關(guān)為半圓形遮光片，在程控驅(qū)動下勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對飛秒激光的周期性遮擋，控制占空比為50%，當(dāng)飛秒激光被遮擋時，激光無法折射到光纖上，此時程控驅(qū)動高精度三位位移平臺水平移動，實現(xiàn)寫制光纖的周期性折射率調(diào)制。所述三維位移平臺是微米量級的可控電動位移平臺，它使待寫制的光纖與飛秒激光對準，飛秒激光垂直照射光纖的中心位置，利用CXD成像，并利用監(jiān)視器觀察。所述三維位移平臺的水平移動與可控機械開關(guān)相結(jié)合，使光纖在飛秒激光下的周期性均勻折射率調(diào)制，通過控制光纖的水平移動速率，實現(xiàn)不同周期光柵的寫入，實現(xiàn)長周期光纖光柵寫真波長的調(diào)諧。通過控制三維位移平臺的水平移動次數(shù)，實現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制，實現(xiàn)長周期光纖光柵諧振峰值調(diào)制深度的調(diào)諧和選擇。在三維位移平臺移動過程中，設(shè)定三維位移平臺的移動長度，即通過調(diào)節(jié)三維位移平臺的水平移動距離，改變長周期光纖光柵的寫入長度。當(dāng)三維位移平臺移動一個周期即滿足長周期光纖光柵寫入長度后，控制可控機械開關(guān)使飛秒激光處于遮擋狀態(tài)，當(dāng)高精度三位位移平臺回復(fù)至初始位置時，再進行重復(fù)操作。并且，重復(fù)深度的選擇通過光譜儀觀察長周期光纖光柵的諧振峰值調(diào)制深度確定。所述超連續(xù)白光光源和光譜儀用于構(gòu)建長周期光纖光柵寫制過程中的光譜觀測，采用的光源波長范圍為500 2400 nm，光譜儀波長范圍為1200nnTl700nm。所述泵浦光源、飛秒激光振蕩器及激光放大器產(chǎn)生功率為650毫瓦、脈寬為200fs，脈沖重復(fù)頻率為250kHz、中心波長為800nm飛秒激光。本實用新型中，飛秒激光經(jīng)可控機械開關(guān)和高精度三維位移平臺的同時程控，實現(xiàn)周期可選擇，寫入次數(shù)可選擇(即決定長周期光纖光柵諧振波長和諧振峰值深度)的長周期光纖光柵寫制。飛秒激光照射光纖取決于可控機械開關(guān)的遮擋，長周期光纖光柵的寫入周期取決于三維位移平臺的運行速度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果本實用新型裝置簡單有效，使用了高性能飛秒激光器，寫制長周期光纖光柵具備良好的性能，寫入損耗低、溫度穩(wěn)定性高，能夠靈活實現(xiàn)長周期光纖光柵光譜參數(shù)的調(diào)諧。寫制長周期光纖光柵的諧振峰值深度可達_20dB。
圖I本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2光纖由水平方向移動與飛秒激光對準CCD示意圖；圖3周期375 μ m的長周期光纖光柵寫制過程中透射譜變化；圖4寫制過程中各諧振峰隨寫入次數(shù)(折射率調(diào)制深度)變化情況；圖5為光纖透射譜圖。其中，I、超連續(xù)白光光源2、光纖3、三維位移臺4、光譜分析儀5、監(jiān)視器6、CXD
7、聚焦透鏡8、高反射鏡9、顯微物鏡10、泵浦光源11、飛秒激光振蕩器12、激光放大器13、全反射鏡14、圓形可調(diào)節(jié)衰減片15、可控機械開關(guān)及16、光闌?！?br> 具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明。本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。如圖I所示，本實施例包括超連續(xù)白光光源I、光纖2、高精度三維位移臺3、光譜分析儀4、監(jiān)視器5、(XD6、聚焦透鏡7、高反射鏡8、顯微物9鏡、Verdi5泵浦光源10、Mirra900飛秒激光振蕩器ll、Legend Elite激光放大器12、全反射鏡13、圓形可調(diào)節(jié)衰減片14、可控機械開關(guān)15及光闌16等。待寫入光柵的光纖2兩端水平固定于高精度三維位移平臺3上。所述Verdi5泵浦光源10、Mirra900飛秒激光振蕩器11及Legend Elite激光放大器12產(chǎn)生功率為650毫瓦、脈寬為200fs，脈沖重復(fù)頻率為250kHz、中心波長為800nm飛
秒激光。所述監(jiān)視器5和(XD6的作用為用于使飛秒激光光束對準待寫制光纖2的中心位置，監(jiān)視器5和CCD6各為兩個，分別監(jiān)測水平和垂直兩個方向。所述可控機械開關(guān)15為自行設(shè)計的飛秒激光遮擋裝置，通過控制實現(xiàn)對飛秒激光的周期性遮擋，控制占空比為50%，其轉(zhuǎn)動周期為長周期光纖光柵的寫制時間周期。所述高精度三維位移平臺3 —方面用于夾持待寫制光纖2，通過程控調(diào)節(jié)和實現(xiàn)待寫制光纖2與飛秒激光光束的對準，另一方面在寫制過程中通過程控調(diào)節(jié)，使其能使光纖2水平移動，逐點寫入長周期光纖光柵，移動次數(shù)決定長周期光纖光柵的諧振峰值調(diào)制深度。所述超連續(xù)白光光源I和光譜儀4用于構(gòu)建長周期光纖光柵寫制過程中的光譜觀測，采用的光源波長范圍為500 2400 nm，光譜儀波長范圍為1200nnTl700nm。所述聚焦透鏡7、高反射鏡8、顯微物鏡全反射鏡9、圓形可調(diào)節(jié)衰減片14及光闌16用于寫制光路的構(gòu)建，激光聚焦等功能。所述可控機械開關(guān)15及高精度三維位移平臺3可同步進行程控控制，實現(xiàn)長周期光纖光柵寫入周期的控制。如圖2所示為光纖2由水平方向移動與飛秒激光對準CCD6監(jiān)視示意圖，通過控制高精度三維位移平臺實現(xiàn)待寫制光纖與飛秒激光光束的準確對準。待寫制光纖2與飛秒激光光束水平和垂直方向的(XD6監(jiān)視圖像，當(dāng)光纖與飛秒激光光束完全重合時，在水平方向上兩點消失，在垂直方向上亮點完整。如圖3所示為寫制過程中，長周期光纖光柵透射譜的變化，寫制周期為375 μ m。如圖4所示隨著寫制次數(shù)即高精度三維位移平臺3水平方向移動次數(shù)的增加，折射率調(diào)制深度增加，在一定范圍內(nèi)，長周期光纖光柵諧振峰值隨著寫制次數(shù)的增加而增加。光譜寫入損耗低、噪聲小，并呈現(xiàn)良好的規(guī)律性。實施實例實驗采用800nm鈦藍寶石(Ti: Sapphire)飛秒激光器,其發(fā)射帶寬為70(T980nm。采用波長為527nm的二極管泵浦摻釹氟化鋰釔(ND: YLF)固體激光器Evolution-15/30作為泵浦源。實驗使用的超寬帶光源是丹麥NKT photonics公司生產(chǎn)的SuperK Compact超連接譜光源，可以產(chǎn)生50(T2400nm的超連續(xù)光譜。利用光譜分析儀是日本橫河公司的AQ6331光譜分析儀，最小解析精度為O. 05nm，工作波長為120(Tl700nm。當(dāng)設(shè)置脈沖激光能量I. 3毫瓦，光纖周期為375 μ m，移動速度25 μ m/s，激光遮擋時間15s，利用設(shè)計的程控系統(tǒng)將飛秒激光與待寫制光纖進行對準設(shè)計，刻寫100周期時的光纖透射譜如下圖5所示。深度最 高的兩個諧振峰峰值深度分別為-17dB和-14dB。
權(quán)利要求1.一種飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，它包括超連續(xù)白光光源、光纖、三維位移臺、光譜分析儀、監(jiān)視器、CCD、聚焦透鏡、高反射鏡、顯微物鏡、泵浦光源、飛秒激光振蕩器、激光放大器、全反射鏡、圓形可調(diào)節(jié)衰減片、可控機械開關(guān)及光闌，光纖將超連續(xù)白光光源與光譜分析儀連接，監(jiān)視器、(XD、聚焦透鏡、高反射鏡、顯微物鏡依次連接組成觀察光路；泵浦光源、飛秒激光振蕩器、激光放大器、全反射鏡、圓形可調(diào)節(jié)衰減片、可控機械開關(guān)及光闌依次連接組成寫制光路，光闌的光線經(jīng)高反射鏡進入顯微物鏡；其特征是所述光纖兩端水平夾持在三維位移平臺上；在寫制過程中控制三維位移平臺的水平移動；通過控制三維位移平臺的水平移動次數(shù)，實現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制；所述可控機械開關(guān)為半圓形遮光片，在程控驅(qū)動下勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對飛秒激光的周期性遮擋，控制占空比為50%，當(dāng)飛秒激光被遮擋時，激光無法折射到光纖上，此時程控驅(qū)動高精度三位位移平臺水平移動，實現(xiàn)寫制光纖的周期性折射率調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述三維位移平臺是微米量級的可控電動位移平臺，它使待寫制的光纖與飛秒激光對準，飛秒激光垂直照射光纖的中心位置，利用CXD成像，并利用監(jiān)視器觀察。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述三維位移平臺的水平移動與可控機械開關(guān)相結(jié)合，使光纖在飛秒激光下的周期性均勻折射率調(diào)制，通過控制光纖的水平移動速率，實現(xiàn)不同周期光柵的寫入，實現(xiàn)長周期光纖光柵寫真波長的調(diào)諧。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，通過控制三維位移平臺的水平移動次數(shù)，實現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制，實現(xiàn)長周期光纖光柵諧振峰值調(diào)制深度的調(diào)諧和選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，在三維位移平臺移動過程中，設(shè)定三維位移平臺的移動長度，即通過調(diào)節(jié)三維位移平臺的水平移動距離，改變長周期光纖光柵的寫入長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，當(dāng)三維位移平臺移動一個周期即滿足長周期光纖光柵寫入長度后，控制可控機械開關(guān)是飛秒激光處于遮擋狀態(tài)，當(dāng)高精度三位位移平臺回復(fù)至初始位置時，再進行重復(fù)操作；重復(fù)深度的選擇通過光譜儀觀察長周期光纖光柵的諧振峰值調(diào)制深度確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述泵浦光源、飛秒激光振蕩器及激光放大器產(chǎn)生功率為650毫瓦、脈寬為200fs，脈沖重復(fù)頻率為250kHz、中心波長為800nm飛秒激光。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述超連續(xù)白光光源和光譜儀用于構(gòu)建長周期光纖光柵寫制過程中的光譜觀測，采用的光源波長范圍為500 2400 nm，光譜儀波長范圍為1200nnTl700nm。
專利摘要本實用新型涉及一種飛秒激光程控式逐點長周期光纖光柵制備裝置。它利用設(shè)計的程控式控制系統(tǒng)實現(xiàn)飛秒激光對固定在高精度三維位移平臺上光纖上長周期光纖光柵的寫制，這樣制作的長周期光纖光柵折射率調(diào)制均勻，通過控制三維位移平臺的移動距離、往復(fù)次數(shù)可實現(xiàn)諧振波長和諧振峰值可調(diào)諧長周期光纖光柵的寫制，且具有寫入損耗小，飛秒激光利用率高的特點。通過上述程控式系統(tǒng)設(shè)計，可以利用飛秒激光實現(xiàn)諧振波長和諧振峰值均可調(diào)諧的長周期光纖光柵的寫制。本實用新型制備的長周期光纖光柵具有噪聲低、無后向反射、諧振波長易調(diào)諧、諧振峰值深度可控等優(yōu)點，為其在科研、光纖通信及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種高效且參數(shù)可調(diào)諧的制備方法。
文檔編號B23K26/00GK202780229SQ20122020201
公開日2013年3月13日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者姜明順, 苗飛, 隋青美, 賈磊 申請人:山東大學(xué)