光纤光栅刻写方法、夹具及装置

技术领域

本申请属于光纤光栅制作技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅刻写方法、夹具及装置。

背景技术

光纤光栅应用于光纤激光器、光纤放大器、光通信和光纤传感领域，由于其折射率的沿激光传播方向的分布可以按照需求改变，因此对一些特定的波长有反射或者透射作用，在某些场合能代替过去的机械刻写光栅以及谐振腔，能在节约成本的同时，提高产品稳定性和缩小体积。目前，能投入商业光纤光栅刻写的是基于昂贵的准分子激光器和一面相位掩模版的光路，一般一次最多刻写一根光纤。如图1所示，要增加产量，通常在光路增加一面分光镜分出两束光，以及采用两面相位掩模版来实现同时刻写两根光纤光栅。使用上述方法虽然使得光纤光栅的产量增加成为可能，但采用多个昂贵的相位掩模版抵消不少因产量增加带来的低成本优势；此外，分光镜分出一半的能量会影响刻写速度，导致产量提升幅度偏小。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种多根光纤光栅刻写方法、夹具及装置，旨在解决现有技术中的同时刻写多根光纤制作成本高，并且刻写效率低的技术问题。

为实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种光纤光栅刻写方法，包括：使多根第一光纤位于同一平面内并沿第一方向设置；将相位掩模版的版面相对于第一光纤的轴向非垂直设置，其中，第一方向垂直于相位掩模版的版面；采用紫外激光照射相位掩模版以产生干涉光，使干涉光由第一方向依次刻写多根第一光纤，以获取多根第一光栅光纤。

可选地，光纤光栅刻写方法还包括：使第二光纤位于干涉光的衍射范围内，并使第二光纤的轴向相对于相位掩模版的版面非垂直设置，使第二光纤平行于多根第一光纤所在的平面。

可选地，光纤光栅刻写方法还包括：当第二光纤的数量为多根时，使多根第二光纤位于同一平面内并沿第一方向设置。

根据本申请的另一个方面，提供了一种光纤光栅刻写夹具，用于上述的光纤光栅刻写方法，光纤光栅刻写夹具包括两个相间隔设置的夹紧组件，夹紧组件用于夹持第一光纤和/或第二光纤；夹紧组件包括基板、第一盖板和第二盖板，基板具有相对的上表面和下表面，上表面沿第一方向设置有多个第一光纤槽，第一光纤槽用于放置第一光纤，第一光纤槽的长度方向与第一方向非平行或非重合设置；下表面沿第一方向设置有多个第二光纤槽，第二光纤槽用于放置第二光纤，第二光纤槽的长度方向与第一方向非平行或非重合设置；第一盖板用于盖设在上表面以使第一光纤限制在第一光纤槽内，第二盖板用于盖设在下表面以使第二光纤限制在第二光纤槽内。

可选地，第一方向为基板的长度延伸方向。

可选地，多个第一光纤槽与多个第二光纤槽一一对应设置。

可选地，第一盖板的数量为多个，多个第一盖板和多个第一光纤槽一一对应设置；第二盖板的数量为多个，多个第二盖板和多个第二光纤槽一一对应设置。

可选地，第一盖板和第二盖板分别可拆卸地固定于基板。

可选地，第一盖板的一侧面与上表面相对设置，第一盖板的相对的另一侧面设置有第一把手，第二盖板的一侧面与下表面相对设置，第二盖板的相对的另一侧面设置有第二把手。

根据本申请的又一个方面，提供了一种光纤光栅刻写装置，包括激光器、激光调整单元、相位掩模版和夹具，夹具为上述的光纤光栅刻写夹具，激光器用于发出紫外激光，激光调整单元用于对紫外激光整形和聚焦以使紫外激光照射相位掩模版，相位掩模版用于产生干涉光以通过干涉光对第一光纤和/或第二光纤进行刻写，夹具用于夹持第一光纤和/或第二光纤。

本申请提供的光纤光栅刻写方法、夹具及装置的有益效果在于：

通过将位于同一平面内且相对于相位掩模版的版面非垂直设置的多根第一光纤沿第一方向设置，且第一方向与相位掩模版的版面相互垂直，使得紫外激光经过相位掩模版后产生的干涉光沿第一方向依次刻写多根第一光纤，以获取多根第一光栅光纤，从而实现一次刻写多根光纤，不仅使得光纤光栅的生产效率成倍提高，同时有效提高激光光束的能量利用率，降低了光纤光栅的制作成本；此外，由于无需使用分光镜划分激光光束的能量，因此，不会降低刻写速度，影响产量提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为通过分光镜和相位掩模版刻写两根光栅光纤的结构示意图；

图2为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写方法的流程图；

图3为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写夹具的结构示意图；

图4为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写夹具的主视图；

图5为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写夹具的仰视图；

图6为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写夹具的侧视图；

图7为本申请的一些实施例提供的光纤光栅刻写装置的结构示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

10、第一光纤；11、第二光纤；

20、相位掩模版；30、紫外激光；40、干涉光；

50、基板；501、上表面；502、下表面；503、第一光纤槽；504、第二光纤槽；505、第一定位凹槽；506、第二定位凹槽；

51、第一盖板；511、第三光纤槽；512、第一定位凸起；52、第二盖板；521、第四光纤槽；522、第二定位凸起；53、第一把手；54、第二把手；

60、控制器；70、光谱仪；80、模场适配器；90、光源。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

正如背景技术中所记载的，目前，能投入商业光纤光栅刻写的是基于昂贵的准分子激光器和一面相位掩模版的光路，一般一次最多刻写一根光纤。如图1所示，要增加产量，通常在光路增加一面分光镜分出两束光，以及采用两面相位掩模版来实现同时刻写两根光纤光栅。使用上述方法虽然使得光纤光栅的产量增加成为可能，但采用多个昂贵的相位掩模版抵消不少因产量增加带来的低成本优势；此外，分光镜分出一半的能量会影响刻写速度，导致产量提升幅度偏小。

参见图2所示，为了解决上述问题，根据本申请的一个方面，本申请的一些实施例提供了一种光纤光栅刻写方法，包括：S101、使多根第一光纤10位于同一平面内并沿第一方向设置；S102、将相位掩模版20的版面相对于第一光纤10的轴向非垂直设置，其中，第一方向垂直于相位掩模版20的版面；S103、采用紫外激光30照射相位掩模版20以产生干涉光40，使干涉光40由第一方向依次刻写多根第一光纤10，以获取多根第一光栅光纤。

在一些实施例中，在相位掩模版20的版面的一侧设置激光器，其中激光器为准分子激光器，在相位掩模版20的版面的另一侧设置多根第一光纤10，其中，多根第一光纤10位于相位掩模版20的衍射范围内，且多根第一光纤10沿第一方向设置于同一平面，例如，第一方向与第一光纤10的轴向垂直，多根第一光纤10沿第一方向设置于同一平面，该平面垂直于相位掩模版20的版面，激光器出射紫外激光30并使紫外激光30照射相位掩模版20产生干涉光40，干涉光40能够从靠近相位掩模版20的第一光纤10穿设至远离相位掩模版20的第一光纤10，从而利用一块相位掩模版20和一次紫外曝光实现多根光栅光纤的制作。

在一些可选实施例中，相位掩模版20的版面平行于第一光纤10的轴向设置，以保证光栅光纤的刻写效果。

在一些其他实施例中，也可以使相位掩模版20的版面与第一光纤10的轴向呈非90度角设置，例如，相位掩模版20与第一光纤10的轴向呈锐角设置。

应用本申请的上述技术方案，通过将位于同一平面内且相对于相位掩模版20的版面非垂直设置的多根第一光纤10沿第一方向设置，且第一方向与相位掩模版20的版面相互垂直，使得紫外激光30经过相位掩模版20后产生的干涉光40沿第一方向依次刻写多根第一光纤10，以获取多根第一光栅光纤，从而实现一次刻写多根光纤，不仅使得光纤光栅的生产效率成倍提高，同时有效提高激光光束的能量利用率，降低了光纤光栅的制作成本；此外，由于无需使用分光镜划分激光光束的能量，因此，不会降低刻写速度，影响产量提升。

参见图7所示，在本申请的一些实施例中的光纤光栅刻写方法还包括：使第二光纤11位于干涉光40的衍射范围内，并使第二光纤11的轴向相对于相位掩模版20的版面非垂直设置，使第二光纤11平行于多根第一光纤10所在的平面。

在一些实施例中，第二光纤11所在的平面与第一光纤10所在的平面相互平行，第二光纤11所在的平面可以位于第一光纤10所在的平面上方或者下方，第二光纤11的轴向与第一光纤10的轴向均与相位掩模版20的版面非垂直设置，第二光纤11和第一光纤10均位于相位掩模版20衍射范围内，当紫外激光30经过相位掩模版20后产生的干涉光40，干涉光40能够同时照射第一光纤10和第二光纤11，从而实现同时刻写第一光纤10和第二光纤11。

在一些可选实施例中，相位掩模版20的版面平行于第二光纤11的轴向设置，以保证光栅光纤的刻写效果。

在一些其他实施例中，也可以使相位掩模版20的版面与第二光纤11的轴向呈非90度角设置，例如，相位掩模版20与第一光纤10的轴向呈锐角设置。

参见图7所示，在本申请的一些实施例中的光纤光栅刻写方法还包括：当第二光纤11的数量为多根时，使多根第二光纤11位于同一平面内并沿第一方向设置。通过沿第一方向设置多根第二光纤11，使紫外激光30照射相位掩模版20产生的干涉光40沿第一方向依次刻写多根第二光纤11，从而获得多根第二光栅光纤，进一步提高了激光光束的能量利用率，也增加了光纤光栅的产量。

在一些可选实施例中，多根第一光纤10之间相互平行且等间距设置，多根第二光纤11之间相互平行且等间距设置，其中，多根第一光纤10所在平面与多根第二光纤11所在平面相互平行，多根第一光纤10和多根第二光纤11的数量相同，多根第一光纤10和多根第二光纤11一一对应设置，相位掩模版20的版面分别平行于第一光纤10的轴向和第二光纤11的轴向。参见图7所示，例如，第一光纤10和第二光纤11分别为两根，两根第一光纤10位于两根第二光纤11的上方，且每根第一光纤10的正下方设置一根第二光纤11。其中，为了保证刻写质量，相邻的两根第一光纤10之间的距离小于1mm，相邻的两根第二光纤11之间的距离小于1mm，相邻的第一光纤10和第二光纤11之间的距离小于1mm，与此同时，将前端光路调节到离开相位掩模版20的有用光斑宽度在1.5mm左右，以满足刻写呈上下两层放置的一共四根400微米直径的光纤光栅需求。当然，可以根据实际刻写的光纤直径调节相关参数，在此不作限定。

参见图3至图6所示，根据本申请的另一个方面，本申请的一些实施例提供了一种光纤光栅刻写夹具，用于上述任一实施例中的光纤光栅刻写方法，光纤光栅刻写夹具包括两个相间隔设置的夹紧组件，夹紧组件用于夹持第一光纤10和/或第二光纤11；夹紧组件包括基板50、第一盖板51和第二盖板52，基板50具有上表面501和与上表面501间隔设置的下表面502，上表面501沿第一方向设置有多个第一光纤槽503，第一光纤槽503用于放置第一光纤10，第一光纤槽503的长度方向与第一方向非平行或非重合设置；下表面502沿第一方向设置有多个第二光纤槽504，第二光纤槽504用于放置第二光纤11，第二光纤槽504的长度方向与第一方向非平行或非重合设置；第一盖板51用于盖设在上表面501以使第一光纤10限定在第一光纤槽503内，第二盖板52用于盖设在下表面502以使第二光纤11限定在第二光纤槽504内。由于通过基板50的上表面501可以固定多根第一光纤10，通过基板50的下表面可以固定多根第二光纤11，从而使得光纤光栅刻写夹具能够同时夹持多根第一光纤10和/或多根第二光纤11，从而利用一块相位掩模版20和一次紫外曝光实现多根光栅光纤的制作，本申请实施例提供的光纤光栅刻写夹具与上述实施例中的光纤光栅刻写方法具有相同的优势，在此不再赘述。另外，上述光纤光栅刻写夹具可以安装在现有的光栅设备，比如刻写机上，减少对现有光纤光栅设备的改动，充分利用现有的激光器和相位掩模版增加光纤光栅产量，节约刻写成本。

其中，第一光纤槽503的长度方向、第二光纤槽504的长度方向分别与第一方向呈非0度角设置，例如，第一光纤槽503的长度方向、第二光纤槽504的长度方向分别与第一方向相互垂直设置。

在一些可选实施例中，第一光纤槽503和第二光纤槽504为V形槽。

参见图3至图5所示，在本申请的一些实施例中的第一方向为基板50的长度延伸方向。

在一些可选实施例中，相位掩模版20的版面的一侧设置有激光器，基板50设置在相位掩模版20的版面的另一侧，基板50的长度延伸方向与相位掩模版20的版面垂直设置，基板50的上表面501与下表面502相互平行，例如，相位掩模版20为矩形板，第一光纤槽503和第二光纤槽504的长度方向为基板50的宽度延伸方向，第一方向为基板50的长度延伸方向，多根第一光纤10沿基板50的长度延伸方向设置于基板50的上表面501，多根第二光纤11沿基板50的长度延伸方向设置于基板50的下表面502，激光器出射紫外激光30并使紫外激光30照射相位掩模版20产生干涉光40，干涉光40能够同时照射并穿设靠近相位掩模版20的第一光纤10和第二光纤11，并沿第一方向依次照射远离相位掩模版20的第一光纤10和第二光纤11，从而实现多根光栅光纤的一次性制作。

参见图6所示，在本申请的一些实施例中的多个第一光纤槽503与多个第二光纤槽504一一对应设置。

在一些可选实施例中，多个第一光纤槽503相互平行设置，且多个第一光纤槽503之间等间距设置在上表面501，多个第二光纤槽504相互平行设置，且多个第二光纤槽504之间等间距设置在下表面502，多个第一光纤槽503和多个第二光纤槽504的数量相同，一个第一光纤槽503下方对应设置一个第二光纤槽504。参见图6所示，例如，上表面501和下表面502分别设置有两个第一光纤槽503和两个第二光纤槽504。其中，为了保证刻写质量，相邻的两个第一光纤槽503之间的距离小于1mm，相邻的两个第二光纤槽504之间的距离小于1mm，相邻的第一光纤槽503和第二光纤槽504之间的距离小于1mm，与此同时，将前端光路调节到离开相位掩模版20的有用光斑宽度在1.5mm左右，以满足刻写设置于基板50上表面501和下表面502上放置的一共四根400微米直径的光纤光栅需求。当然，可以根据实际刻写的光纤直径设置相关参数，在此不作限定。

参见图3、图4和图5所示，在本申请的一些实施例中的第一盖板51的数量为多个，多个第一盖板51和多个第一光纤槽503一一对应设置；第二盖板52的数量为多个，多个第二盖板52和多个第二光纤槽504一一对应设置。

在一些实施例中，一个第一光纤槽503对应设置有一个第一盖板51，当对一个第一光纤槽503放置或取出第一光纤10时，通过打开一个第一盖板51即可实现放置或取出。当然，也可通过设置一个较大的第一盖板51，对多个第一光纤槽503进行盖设。第二盖板52用于盖设第二光纤槽504，与第一盖板51结构相同，在此不再赘述。

参见图6所示，在本申请的一些实施例中的第一盖板51上设置有与第一光纤槽503配合的第三光纤槽511，第一光纤槽503和第三光纤槽511相对设置以合围形成第一光纤容纳腔；第二盖板52上设置有与第二光纤槽504配合的第四光纤槽521，第二光纤槽504和第四光纤槽521相对设置以合围形成第二光纤容纳腔。

在一些实施例中，第一光纤10的一端放置在第一光纤槽503内，第一盖板51面向基板50的上表面501的一面开有第三光纤槽511，当第一盖板51盖设于上表面501时，第三光纤槽511与第一光纤槽503对接合围形成第一光纤容纳腔，使得第一光纤10位于第一光纤容纳腔内；第二光纤11的一端放置在第二光纤槽504内，第二盖板52面向基板50的下表面502的一面开有第四光纤槽521，当第二盖板52盖设于下表面502时，第四光纤槽521与第二光纤槽504对接合围形成第二光纤容纳腔，使得第二光纤11位于第二光纤容纳腔内。

参见图3所示，在本申请的一些实施例中的第一盖板51和第二盖板52分别可拆卸地固定于基板50。

在一些实施例中，当第一盖板51打开时，可在第一光纤槽503内放入或取出第一光纤10；同样地，当第二盖板52打开时，可在第二光纤槽504内放入或取出第二光纤11。其中，可拆卸的连接方式有许多种，例如，第一盖板51和第二盖板52可通过螺栓螺母固定在基板50上，也可以通过磁吸方式吸附在基板50上。

参见图3和图4所示，在本申请的一些实施例中的第一盖板51的一侧面与上表面501相对设置，第一盖板51的相对的另一侧面设置有第一把手53，第二盖板52的一侧面与下表面502相对设置，第二盖板52的相对的另一侧面设置有第二把手54。通过设置第一把手53和第二把手54以方便对第一盖板51和第二盖板52的拿取。

参见图3所示，在本申请的一些实施例中的第一把手53和第二把手54的材料为磁性材料，基板50的材料为磁性材料。通过将第一把手53、第二把手54、和基板50的材料选择为磁性材料，可实现第一把手53和第二把手54分别使第一盖板51和第二盖板52与基板50之间的吸附固定。其中，第一把手53和第二把手54为磁铁，基板50可以是铁、钴或镍等材料。

在一些可选实施例中，第一盖板51和第二盖板52的材料为磁性材料。

参见图6所示，在本申请的一些实施例中的第一盖板51设置有第一定位凸起512，上表面501设置有用于供第一定位凸起512插入的第一定位凹槽505；第二盖板52设置有第二定位凸起522，下表面502设置有用于供第二定位凸起522插入的第二定位凹槽506。在第一盖板51面向基板50的上表面501的一侧设置第一定位凸起512，在上表面501设置第一定位凹槽505，将第一定位凸起512插入第一定位凹槽505，以确保夹具能比较容易地精确夹住第一光纤10；同样地，在第二盖板52面向基板50的下表面502的一侧设置第二定位凸起522，在下表面502设置第二定位凹槽506，将第二定位凸起522插入第二定位凹槽506，以确保夹具能比较容易地精确夹住第二光纤11。

参见图7所示，根据本申请的又一个方面，提供了一种光纤光栅刻写装置，包括激光器(图上未示出)、激光调整单元(图上未示出)、相位掩模版20和夹具，夹具为上述的光纤光栅刻写夹具，激光器用于发出紫外激光30，激光调整单元用于对紫外激光30整形和聚焦以使紫外激光30照射相位掩模版20，相位掩模版20用于产生干涉光40以通过干涉光40对第一光纤10和/或第二光纤11进行刻写，夹具用于夹持第一光纤10和/或第二光纤11。

具体地，在相位掩模版20的版面的一侧设置激光器，其中激光器为准分子激光器，在相位掩模版20的版面的另一侧设置有上述任一实施例中提供的光纤光栅刻写夹具，为了便于理解，以两根第一光纤10和两根第二光纤11为例进行说明，两根第一光纤10和两根第二光纤11均位于相位掩模版20的衍射范围内，基板50为矩形板，矩形板的长度延伸方向垂直于相位掩模版20的版面，两根第一光纤10和两根第二光纤11分别设置于基板50的上表面501和下表面502，两根第一光纤10和两根第二光纤11的轴向与相位掩模版20的版面平行。激光器出射紫外激光30，激光调整单元使紫外激光30照射相位掩模版20并产生干涉光40，干涉光40从靠近相位掩模版20的第一光纤10和第二光纤11出射后，照射远离相位掩模版20的第一光纤10和第二光纤11，从而利用一块相位掩模版20一次制作四根光栅光纤。本申请实施例提供的光纤光栅刻写装置与上述实施例中的光纤光栅刻写夹具具有相同的优势，在此不再赘述。

在一些可选实施例中，光纤光栅刻写装置还包括控制器60、光谱仪70、模场适配器80和光源90，激光器、光谱仪70、模场适配器80分别与控制器60连接，光源90与模场适配器80连接，第一光纤10和/或第二光纤11连接于光源90和模场适配器80之间，控制器60通过内置程序控制激光器的光开关、光谱仪70及模场适配器80，不停地切换检测刻写中的光纤光栅的反射光谱和透射光谱，以确保刻写质量。

综上，实施本实施例提供的光纤光栅刻写方法、夹具及装置，至少具有以下有益技术效果：

(1)通过将位于同一平面内且平行于相位掩模版20的版面的多根第一光纤10沿第一方向设置，以及将位于另一平面内且平行于相位掩模版20的版面的多根第二光纤11沿第一方向设置，且多根第一光纤10所在的平面与多根第二光纤11所在的平面相互平行，使紫外激光30能够对平行设置的两层多根光纤进行刻写，以获取多根光栅光纤，使得光纤光栅的生产效率成倍提高，同时有效提高激光光束的能量利用率，降低了光纤光栅的制作成本；

(2)由于无需使用分光镜划分激光光束的能量，因此，不会降低刻写速度，影响产量提升；

(3)激光器老化会导致输出能量下降，或者光斑变形，若采用分光镜划分能量以增加光栅光纤产量，则会影响刻写出来的光栅的参数比，如边摸抑制比，而本申请能够在比较旧的激光器上使用，充分发挥设备的残余价值；

(4)整体光路调试简单，容易维护，从而节省调试维护成本；

(5)本申请的夹具能在单位体积内夹持更多的光纤，也可以用于其他设备的增加产量改进，比如拉锥。

以上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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。