一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅制备技术领域，具体涉及一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统。

背景技术

光纤光栅是一种光纤纤芯的折射率受到周期性内微扰形成的折射率周期性分布的一维周期性结构，其工作原理是在满足相位匹配的前提条件下，使共振波长模式之间发生耦合来达到波长选择。光纤光栅技术大大拓宽了光纤技术的应用范围。由于光纤光栅在光纤传感、通信技术、工业制造等领域中有巨大的现实和潜在应用价值，光纤光栅的研究引起了各国科学家的广泛关注，并且在未来相当长时间还将是光学以及通信领域研究的热点项目。传统制备光栅的方法有驻波写入法和干涉曝光法。例如，加拿大通信研究中心的K.O.Hill和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅。G.Meltz等人发明了用244nm紫外光双光束干涉曝光法写入光敏光栅技术，通过调整两束相干光之间所成的的夹角值或改变激光光源波长，对光栅的共振波长进行控制，使光纤制备工艺取得了重大进步，逐渐趋于成熟和商业化。传统制备光栅的方法往往存在写入效率低、对激光光源相关性要求高、对整体光路系统稳定性高等缺点。

超快激光是近些年出现的一种新技术，其脉冲宽度在数超快至数十皮秒之间，峰值功率极高，与物质相互作用的机理跟其它种类激光器有根本区别，属于激光“冷加工”，对激光化学、精密微纳加工等行业产生了颠覆性的影响。利用超快激光制作的光纤光栅不需要相位掩膜板，可以灵活地控制光栅参数，通过控制曝光宽度及曝光点间的相互宽度来建立不同特性的光纤光栅，这种特性在超快激光生产线中光栅种类多、批量少的特点上具有很大优势。而且在普通单模光纤没有去除涂覆层情况下就可以直接写入，不需要特殊处理光纤，极大提高了光纤机械强度，同时热稳定性极高，工作温度可达1000℃，这种特性在制造耐高功率的光纤激光器高反器件和部分反射光栅中都具有巨大的潜力。科研工作者在该方面取得一些科研成果。例如，英国S.J.Martinez等人利用红外超快激光逐点刻写法在常见通信光纤和相移光纤上实现了一阶三阶布拉格光纤光栅；澳大利亚G.D.Marshall等人用800nm超快激光，在标准单模光纤上逐点写入了线宽0.15nm，反射率高达99.99％的二阶布拉格光纤光栅。

在超快激光直写法制备光纤光栅的过程中，超快激光的聚焦位置严重影响光纤光栅的质量：当光栅写制在光纤纤芯中间附近的位置，光栅的光谱质量高；当光栅写制在纤芯边缘附近时，光栅反射率非常低；光栅写制在光纤纤芯外面时，光栅无透射光谱。因此，实时监测超快激光的聚焦位置对制备高质量光纤光栅非常重要。传统方法是在显微镜下写入光纤光栅，应用成像设备，通过肉眼判断超快激光的聚焦位置，误差大，导致所制作的光纤光栅质量差。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统，包括飞秒激光器、双色镜、第一CCD、物镜和监测模块，监测模块包括精密平移台、光纤、光源、第二CCD，飞秒激光器发出飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光经过双色镜反射进入物镜，物镜会聚飞秒脉冲激光，光纤固定在精密平移台上，飞秒脉冲激光照射光纤的纤芯，光源发出激光并耦合进入光纤，第二CCD连接光纤，用于探测光纤中的光场分布，光纤的反射光经物镜和双色镜后进入第一CCD。

本发明通过第二CCD观测光纤端面出射光场的分布，确定飞秒脉冲激光聚焦的位置，从而实现制备光纤光栅的实时监测。具体地，飞秒脉冲激光聚焦后在光纤上后，导致光纤的折射率发生变化，光纤内折射率变化的区域导致光纤端面出射光场分布变化，通过光场分布变化确定飞秒脉冲激光聚焦的位置。如果飞秒脉冲激光聚焦的位置偏离了纤芯的中心，那么就实时调整。

更进一步地，第二CCD连接光纤的另一端。即在光纤的一端输入激光，在光纤的另一端连接第二CCD，用于探测光场分布的变化，该连接方法简单。

更进一步地，还包括耦合器、光谱分析仪，所述耦合器为四端口光纤耦合器，耦合器的四个端口分别与光纤、光谱分析仪、第二CCD连接。提供了另外一种探测光场分布的方式：不仅能够探测光纤中的光场分布，而且能够探测光纤的反射光谱，从两方面探测所制备的光纤光栅的质量。

更进一步地，光源为宽带光源。

更进一步地，精密平移台为三维精密平移台，精密平移台不仅能够在水平面内运动，而且能够在上下方向调整，以便于飞秒脉冲激光聚焦到光纤的纤芯位置。

更进一步地，精密平移台上固定有固定部件，固定部件的表面设有V形槽，光纤设置在V形槽内，光纤设置在所述V形槽内，以便于将光纤稳定地固定在固定部件上，并随精密平移台运动。

更进一步地，V形槽的侧面设有反射层，反射层的材料为铝。反射层将飞秒脉冲激光部分地反射回光纤内，以便于在光纤内形成更强的光场，促使光纤内折射率变化的区域更集中。

更进一步地，还包括波片和棱镜，飞秒脉冲激光依次经过波片和棱镜后，照射所述双色镜。

更进一步地，棱镜为格兰汤普森棱镜。

更进一步地，波片为半波片。

本发明的有益效果：

(1)本发明应用第一CCD监控飞秒脉冲激光相对于光纤的位置，根据实际情况实时调整，相当于实现了光纤位置的粗调，调节方便。

(2)本发明应用第二CCD探测光纤内的光场分布，确定飞秒脉冲激光聚焦点相对于纤芯的位置，并适时调整光纤位置，实现了光纤位置的细调；由于能够通过光场分布能够容易地确定飞秒脉冲激光聚集点相对于纤芯的位置，调节精确。

(3)本发明将光纤置于V形槽内，便于固定光纤，写制光纤光栅系统更稳定。

(4)本发明在V形槽内设置反光层，便于聚集飞秒脉冲激光，不仅提高了飞秒脉冲激光与纤芯之间的作用，而且防止了飞秒脉冲激光对固定部件的损伤。

综合以上效果，本发明在超快激光直写法制备光纤光栅领域具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统的示意图。

图2是折射率改变区域处于纤芯的不同位置时，光纤出射端的光场分布：(a)小圆柱与纤芯轴线之间距离为0纳米、(b)小圆柱与纤芯轴线之间距离为100纳米、(c)小圆柱与纤芯轴线之间距离为180纳米。

图3是又一种监测模块的示意图。

图4是又一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统的示意图。

图中：1、飞秒激光器；2、双色镜；3、第一CCD；4、物镜；5、精密平移台；6、光纤；7、光源；8、第二CCD；9、波片；10、棱镜；11、耦合器；12、光谱分析仪。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本发明提供了一种具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统，如图1所示，包括飞秒激光器1、双色镜2、第一CCD3、物镜4和监测模块，监测模块包括精密平移台5、光纤6、光源7、第二CCD8。本发明所述的光纤6即为需要写制的光纤。

写制光纤光栅时，飞秒激光器1发出飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光经过双色镜2反射进入物镜4，物镜4会聚飞秒脉冲激光。物镜4优选为显微物镜，并且为长焦距物镜，由于其焦距长，在物镜4和光纤6之间留有较大空间，便于调节光纤6的位置。飞秒激光器2的脉宽的测量和调节由自相关仪精确控制。

光纤6固定在精密平移台5上，计算机控制光纤6随着高精度精密平移台以特定速度精确地移动。飞秒脉冲激光照射光纤6的纤芯，即飞秒激光器1发出激光并耦合进入光纤6，并对准纤芯进行刻写。光源7发出激光并耦合进入光纤6。第二CCD8连接光纤6的另一端，光纤6的反射光或散射光经物镜4和双色镜2后进入第一CCD3。第一CCD3用来监控调整过程，并在线粗略观察刻写情况。总之，第一CCD3不仅监控了调整过程，而且初步判断了飞秒脉冲激光聚焦点相对于纤芯的位置，并实施调整，具有调整方便的优点。

当精密平移台5以设定的速度沿着光纤6方向移动时，聚焦的超快脉冲激光与纤芯作用，改变超快激光光束与光纤6接触的位点，每个脉冲在纤芯内产生具有调制周期的折射率调制的点，这些点序列就形成了光纤布拉格光栅。通过改变精密平移台6的移动速度与脉冲重复率之间的比率就可以设定光栅周期。

本发明通过第二CCD8观测光纤6端面出射光场的分布，确定飞秒脉冲激光聚焦的位置，从而实现制备光纤光栅的实时监测。具体地，飞秒脉冲激光聚焦后在光纤6上后，导致光纤6某些区域的折射率发生变化，光纤6内折射率变化的区域导致光纤端面出射光场分布变化，通过光场分布变化确定飞秒脉冲激光聚焦的位置。如果飞秒脉冲激光聚焦的位置偏离了纤芯的中心，那么就实时调整。总之，本发明应用第二CCD8探测光纤6内的光场分布，实时监测了飞秒脉冲激光聚焦点相对于纤芯的位置，在哪个方向出现了偏差，就进行相应的实时调整，实现了光纤位置的细调，调节精确。

实施例2

在实施例1的基础上，为核实本发明的核心构思，应用数值软件计算了纤芯不同位置处折射率变化时，在光纤6出射端光场的变化。在模拟计算中，纤芯的直径为1000纳米，纤芯材料的折射率为1.45。采用入射光的波长为633纳米，基膜的有效折射率为1.2959。在纤芯中设置小圆柱，模拟飞秒脉冲激光引起折射率变化的区域。小圆柱沿纤芯方向，小圆柱的长度为200纳米，半径为100纳米。经飞秒脉冲激光照射后，折射率变为2.0。如图2所示，当小圆柱相对于纤芯轴线处于不同位置时，在纤芯的出射端出现不同的光场分布。图2(a)为小圆柱轴线与纤芯轴线对其时候的出射端光场分布；图2(b)为小圆柱轴线与纤芯轴线之间距离为100纳米时候的出射端光场分布；图2(c)为小圆柱轴线与纤芯轴线之间距离为180纳米时候出射端光场分布。从图2可以看出，当折射率改变的区域发生变化时，光场的强度和具体分布具有明显的变化。因此，能够通过光场分布特征确定折射率改变的区域是否偏离纤芯中轴线。

实施例3

在实施例1的基础上，如图3所示，还包括耦合器11、光谱分析仪12，耦合器11为四端口光纤耦合器，耦合器11的四个端口分别与光纤6、光谱分析仪12、第二CCD8连接。光源7为宽带光源。光源7发出宽带激光，经过耦合器11进入光纤6，光纤6中的栅区反射激光，所反射的激光经耦合器11分别到达光谱分析仪12和第二CCD8。光谱分析仪12测定栅区的反射光谱，通过反射光谱中共振峰的宽度和共振峰的强度确定飞秒脉冲激光聚焦的位置相对于纤芯是否出现偏差。第二CCD8探测反射光光场分布，通过光场分布确定飞秒脉冲激光聚焦位置相对于纤芯中心出现哪个方向的偏差，从而采用不同方向的调整。

实施例4

在实施例1、实施例3的基础上，精密平移台5为三维精密平移台。精密平移台5不仅能够在水平面内运动，而且能够在上下方向调整，以便于调整飞秒脉冲激光聚焦到光纤6的纤芯位置。光纤6的方向沿精密平移台5平移的方向。精密平移台5上固定有固定部件，固定部件的粘附或夹持在精密平移台5上。固定部件为金属，以便于牢固地固定在精密平移台5上。固定部件的表面设有V形槽，将光纤6设置在所述V形槽内，光纤6沿V形槽的方向设置。具体地，将光纤6粘附在V形槽内，V形槽限制了光纤6的横向移动，方便将光纤6稳定地固定在固定部件上，并随精密平移台5运动。在V形槽的两端，光纤6被更牢固地粘附在固定部件上，以免防止临近区域对整个光纤6的牵拉作用。更进一步地，V形槽的侧面设有反射层。反射层的材料为铝或银。反射层将飞秒脉冲激光部分地反射回光纤6内，以便于在光纤6内形成更强的光场，促使光纤6内折射率变化的区域更集中。这一方面使得折射率变化的区域更集中，另一方面也减少了飞秒脉冲激光对固定部件的损害，同时也减少了飞秒激光器1发出的脉冲激光返回原光路，消减了杂散光。

实施例5

在实施例1-4的基础上，如图4所示，还包括波片9和棱镜10，飞秒脉冲激光依次经过波片9和棱镜10后，照射双色镜2。波片9可以为半波片。棱镜10为偏振分光棱镜。

光纤6的多光子吸收发生几率与光电场的高次项成正比，因此只有能量密度极高的光束才能表现出多光子吸收现象。但是能量密度不能超过一定的阈值。在超快激光照射下，转变的自由电子密度超过等离子体密度时，材料开始大量吸收激光能量，会导致材料的破坏，材料非线性吸收阶数越高，其损伤区域越小。例如，在激光脉冲宽度为200fs时，熔融石英的损伤阈值为2.2J/cm

在本实施例中，飞秒脉冲激光经过波片9后，形成偏振光。偏振光经过棱镜10后，实现了透过光的功率可调，以便于调节纤芯内折射率改变的区域大小和折射率改变的大小。

更进一步地，棱镜10为格兰汤普森棱镜。格兰汤普森棱镜是将方解石或石英磨成光轴平行棱边的直角三棱镜两块，再用加拿大树胶粘合。两棱镜中具有空气夹层。光从端面垂直入射，o光在胶面上全反射，而e光能够透过。光垂直入射端面，反射较小，透射光较强。并且转动棱镜，出射像没有横向移动。本发明对飞秒脉冲激光聚焦的位置要求高，当转动格兰汤普森棱镜时，格兰汤普森棱镜的出射像不发生横向移动，对提高所制备的光纤光栅的质量具有重要的意义。

综上所述，本发明提供了具有监测功能的超快激光直写法制备光纤光栅的系统，应用第二CCD8探测光纤内的光场分布，实现了飞秒脉冲激光聚焦点相对于纤芯的位置，实现了光纤6位置的细调，通过光场分布能够容易地确定飞秒脉冲激光聚集点相对于纤芯的位置，调节精确，有利于制备高质量光纤光栅。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。