專利名稱：飛秒激光程控式逐點(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(zhǎng)周期制備系統(tǒng)，具體是一種飛秒激光程控式逐點(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵具有易于制作、阻帶寬度大，無(wú)后向反射、色散低，對(duì)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(wú)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(zhǎng)選擇及耦合器、光分插復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)以及模式轉(zhuǎn)換和色散補(bǔ)償器等。在傳感領(lǐng)域中，主要用于溫度、應(yīng)變、扭曲、振動(dòng)等單參數(shù)或多參數(shù)的測(cè)量，近年來(lái)在化學(xué)、生物傳感領(lǐng)域也獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)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(zhǎng)為193nm或248nm的紫外光，此法又有逐點(diǎn)曝光法和振幅淹模法之分，逐點(diǎn)曝光法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)事可以實(shí)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(huì)遮擋準(zhǔn)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(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間使用或處于高溫環(huán)境下時(shí)，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(huì)逐漸被擦除，直至無(wú)法滿足長(zhǎng)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(gè)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(shí)間控制該區(qū)段的微彎大小，其優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)周期光纖光柵具有低的插入損耗和高的熱穩(wěn)定性(達(dá)800°C)，缺點(diǎn)是光纖的機(jī)械性能下降，工藝條件不易控制，光譜參數(shù)不能準(zhǔn)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(diǎn)產(chǎn)生折射率變化而形成長(zhǎng)周期光纖光柵，其缺點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)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(zhǎng)周期光纖光柵，成本低，制作周期短。但由于存在熱擴(kuò)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(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置。它利用設(shè)計(jì)的程控式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛秒激光對(duì)固定在高精度三維位移平臺(tái)上光纖上長(zhǎng)周期光纖光柵的寫制，這樣制作的長(zhǎng)周期光纖光柵折射率調(diào)制均勻，通過(guò)控制三維位移平臺(tái)的移動(dòng)距離、往復(fù)次數(shù)可實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)和諧振峰值可調(diào)諧長(zhǎng)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(diǎn)。本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種飛秒激光程控式逐點(diǎn)長(zhǎng)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(tái)、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(jī)械開(kāi)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(jī)械開(kāi)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(jìn)入顯微物鏡；所述光纖兩端水平夾持在三維位移平臺(tái)上；在寫制過(guò)程中控制三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)；通過(guò)控制三 維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制；所述可控機(jī)械開(kāi)關(guān)為半圓形遮光片，在程控驅(qū)動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，激光無(wú)法折射到光纖上，此時(shí)程控驅(qū)動(dòng)高精度三位位移平臺(tái)水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)寫制光纖的周期性折射率調(diào)制。所述三維位移平臺(tái)是微米量級(jí)的可控電動(dòng)位移平臺(tái)，它使待寫制的光纖與飛秒激光對(duì)準(zhǔn)，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(tái)的水平移動(dòng)與可控機(jī)械開(kāi)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(guò)控制光纖的水平移動(dòng)速率，實(shí)現(xiàn)不同周期光柵的寫入，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期光纖光柵寫真波長(zhǎng)的調(diào)諧。通過(guò)控制三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(tái)移動(dòng)過(guò)程中，設(shè)定三維位移平臺(tái)的移動(dòng)長(zhǎng)度，即通過(guò)調(diào)節(jié)三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)距離，改變長(zhǎng)周期光纖光柵的寫入長(zhǎng)度。當(dāng)三維位移平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)周期即滿足長(zhǎng)周期光纖光柵寫入長(zhǎng)度后，控制可控機(jī)械開(kāi)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(tái)回復(fù)至初始位置時(shí)，再進(jìn)行重復(fù)操作。并且，重復(fù)深度的選擇通過(guò)光譜儀觀察長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵寫制過(guò)程中的光譜觀測(cè)，采用的光源波長(zhǎng)范圍為500 2400 nm，光譜儀波長(zhǎng)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(zhǎng)為800nm飛秒激光。本實(shí)用新型中，飛秒激光經(jīng)可控機(jī)械開(kāi)關(guān)和高精度三維位移平臺(tái)的同時(shí)程控，實(shí)現(xiàn)周期可選擇，寫入次數(shù)可選擇(即決定長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)和諧振峰值深度)的長(zhǎng)周期光纖光柵寫制。飛秒激光照射光纖取決于可控機(jī)械開(kāi)關(guān)的遮擋，長(zhǎng)周期光纖光柵的寫入周期取決于三維位移平臺(tái)的運(yùn)行速度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果本實(shí)用新型裝置簡(jiǎn)單有效，使用了高性能飛秒激光器，寫制長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期光纖光柵光譜參數(shù)的調(diào)諧。寫制長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振峰值深度可達(dá)_20dB。
圖I本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2光纖由水平方向移動(dòng)與飛秒激光對(duì)準(zhǔn)CCD示意圖；圖3周期375 μ m的長(zhǎng)周期光纖光柵寫制過(guò)程中透射譜變化；圖4寫制過(guò)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(tái)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(jī)械開(kāi)關(guān)及16、光闌?！?br> 具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖I所示，本實(shí)施例包括超連續(xù)白光光源I、光纖2、高精度三維位移臺(tái)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(jī)械開(kāi)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(tái)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(zhǎng)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(duì)準(zhǔn)待寫制光纖2的中心位置，監(jiān)視器5和CCD6各為兩個(gè)，分別監(jiān)測(cè)水平和垂直兩個(gè)方向。所述可控機(jī)械開(kāi)關(guān)15為自行設(shè)計(jì)的飛秒激光遮擋裝置，通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛秒激光的周期性遮擋，控制占空比為50%，其轉(zhuǎn)動(dòng)周期為長(zhǎng)周期光纖光柵的寫制時(shí)間周期。所述高精度三維位移平臺(tái)3 —方面用于夾持待寫制光纖2，通過(guò)程控調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)待寫制光纖2與飛秒激光光束的對(duì)準(zhǔn)，另一方面在寫制過(guò)程中通過(guò)程控調(diào)節(jié)，使其能使光纖2水平移動(dòng)，逐點(diǎn)寫入長(zhǎng)周期光纖光柵，移動(dòng)次數(shù)決定長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵寫制過(guò)程中的光譜觀測(cè)，采用的光源波長(zhǎng)范圍為500 2400 nm，光譜儀波長(zhǎng)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(jī)械開(kāi)關(guān)15及高精度三維位移平臺(tái)3可同步進(jìn)行程控控制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(dòng)與飛秒激光對(duì)準(zhǔn)CCD6監(jiān)視示意圖，通過(guò)控制高精度三維位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)待寫制光纖與飛秒激光光束的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。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(shí)，在水平方向上兩點(diǎn)消失，在垂直方向上亮點(diǎn)完整。如圖3所示為寫制過(guò)程中，長(zhǎng)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(tái)3水平方向移動(dòng)次數(shù)的增加，折射率調(diào)制深度增加，在一定范圍內(nèi)，長(zhǎng)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(shí)施實(shí)例實(shí)驗(yàn)采用800nm鈦藍(lán)寶石(Ti: Sapphire)飛秒激光器,其發(fā)射帶寬為70(T980nm。采用波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)速度25 μ m/s，激光遮擋時(shí)間15s，利用設(shè)計(jì)的程控系統(tǒng)將飛秒激光與待寫制光纖進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，刻寫100周期時(shí)的光纖透射譜如下圖5所示。深度最 高的兩個(gè)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(diǎn)長(zhǎng)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(tái)、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(jī)械開(kāi)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(jī)械開(kāi)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(jìn)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(tái)上；在寫制過(guò)程中控制三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)；通過(guò)控制三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制；所述可控機(jī)械開(kāi)關(guān)為半圓形遮光片，在程控驅(qū)動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，激光無(wú)法折射到光纖上，此時(shí)程控驅(qū)動(dòng)高精度三位位移平臺(tái)水平移動(dòng)，實(shí)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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述三維位移平臺(tái)是微米量級(jí)的可控電動(dòng)位移平臺(tái)，它使待寫制的光纖與飛秒激光對(duì)準(zhǔn)，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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置，其特征是，所述三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)與可控機(jī)械開(kāi)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(guò)控制光纖的水平移動(dòng)速率，實(shí)現(xiàn)不同周期光柵的寫入，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期光纖光柵寫真波長(zhǎng)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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置，其特征是，通過(guò)控制三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)寫制光柵折射率深度的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置，其特征是，在三維位移平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中，設(shè)定三維位移平臺(tái)的移動(dòng)長(zhǎng)度，即通過(guò)調(diào)節(jié)三維位移平臺(tái)的水平移動(dòng)距離，改變長(zhǎng)周期光纖光柵的寫入長(zhǎng)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(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置，其特征是，當(dāng)三維位移平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)周期即滿足長(zhǎng)周期光纖光柵寫入長(zhǎng)度后，控制可控機(jī)械開(kāi)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(tái)回復(fù)至初始位置時(shí)，再進(jìn)行重復(fù)操作；重復(fù)深度的選擇通過(guò)光譜儀觀察長(zhǎng)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(diǎn)長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵寫制過(guò)程中的光譜觀測(cè)，采用的光源波長(zhǎng)范圍為500 2400 nm，光譜儀波長(zhǎng)范圍為1200nnTl700nm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種飛秒激光程控式逐點(diǎn)長(zhǎng)周期光纖光柵制備裝置。它利用設(shè)計(jì)的程控式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛秒激光對(duì)固定在高精度三維位移平臺(tái)上光纖上長(zhǎng)周期光纖光柵的寫制，這樣制作的長(zhǎng)周期光纖光柵折射率調(diào)制均勻，通過(guò)控制三維位移平臺(tái)的移動(dòng)距離、往復(fù)次數(shù)可實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)和諧振峰值可調(diào)諧長(zhǎng)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(diǎn)。通過(guò)上述程控式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)和諧振峰值均可調(diào)諧的長(zhǎng)周期光纖光柵的寫制。本實(shí)用新型制備的長(zhǎng)周期光纖光柵具有噪聲低、無(wú)后向反射、諧振波長(zhǎng)易調(diào)諧、諧振峰值深度可控等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)B23K26/00GK202780229SQ20122020201
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:山東大學(xué)