基于飞秒激光相位掩模法制备倾斜蓝宝石光纤光栅的方法

技术领域

本发明属于蓝宝石光纤高温测量领域，具体涉及一种基于飞秒激光相位掩模法制备倾斜蓝宝石光纤光栅的方法。

背景技术

随着飞秒激光在玻璃材料微加工领域研究的深入，研究人员开始将飞秒激光应用于光纤光栅的研制，其工作原理为飞秒激光脉冲借助极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，在光纤内诱导获得较大的折射率调制从而形成光纤光栅。利用飞秒激光相位掩模法无需对光纤进行载氢预处理，也无需剥除光纤涂覆层，制备而成的光纤光栅具有更好的加工灵活性与极佳的高温稳定性。

普通的光纤温度传感器具有动态范围大、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等特点，蓝宝石光纤传感器在上述优点的基础上，可以实现高温度、高精度、高信噪比、高宽带的温度测量。因此，蓝宝石成为光纤高温测量领域的重要新型材料，将蓝宝石与光纤相融合，在相位掩模技术基础上，利用飞秒钛宝石激光器将布拉格光栅写入蓝宝石光纤中，可以制成蓝宝石光纤高温传感器，进行高温环境下温度的准确测量。

倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)是光栅波矢方向偏离光纤轴向，即光栅平面相对光纤轴向倾斜的一种特殊类型的光纤光栅，兼具FBG和LPFG双重传感特性。倾斜的光栅平面是将光纤相对掩模板倾斜放置，并通过光束扫描曝光技术实现的，形成的光栅结构具有飞秒激光诱导折射率变化的典型高温稳定性。

发明内容

针对现有技术的应用局限性，本发明的目的在于以飞秒激光相位掩模法为核心，提出了一种制备倾斜蓝宝石光纤光栅的方法，可以应用于蓝宝石光纤光栅传感器中，增加高温测量领域的测温范围与高温灵敏度。

本发明通过以下技术方案实现由支架(1)、钛宝石飞秒激光器(2)、扩束镜(3)、相位掩模板(4)、三维六轴位移平台(5)、光纤夹具(6)、蓝宝石光纤(7)、宽带光源(8)、耦合器(9)、光谱仪(10)组成；支架(1)用于调节钛宝石飞秒激光器(2)、扩束镜(3)、相位掩模板(4)的位置，使得光束沿同一轴线传播；三维六轴位移平台(5)与光纤夹具(6)用于调节蓝宝石光纤(7)的三维空间位置；钛宝石飞秒激光器(2)发出的激光通过扩束镜(3)增加光束直径、减少光束发散角后，倾斜入射并穿过相位掩模板(3),倾斜角度范围为2-25度，利用±1级衍射光束在相位掩模板(3)后相干，在蓝宝石光纤(7)内产生光强周期性分布的干涉条纹,在蓝宝石光纤纤芯形成倾斜蓝宝石光纤光栅；将蓝宝石光纤(7)与耦合器(9)的一端相连，宽带光源(8)以及光谱仪(10)与耦合器(9)的另一端相连，用光谱仪(10)测量倾斜蓝宝石光纤光栅的透射谱与反射谱。

所述钛宝石飞秒激光器(2)是一种超连续谱光源，具有多种波长选择，可提供从飞秒到皮秒的大范围脉冲长度，平均输出功率为5W。

所述三维六轴位移平台(5)是一种三维空间内XYZ方向高精密移动平台。

所述相位掩模板(4)的周期为Λ，其作用为对入射光束进行相位调制形成衍射，将能量分配给各级衍射光束；相对于扩束镜(3)以倾角θ倾斜放置，并通过光束扫描曝光技术实现，利用±1级衍射光束在相位掩模板(3)后相干，在蓝宝石光纤(7)内产生光强周期性分布的干涉条纹,并曝光蓝宝石光纤纤芯以刻蚀周期性折射率调制，从而形成倾斜蓝宝石光纤光栅；实验中可以通过调节倾角θ制备不同角度的倾斜蓝宝石光纤光栅。

所述蓝宝石光纤(7)为折射均匀的蓝宝石单晶，在其中形成的光栅结构具有飞秒激光刻蚀折射率变化的典型高温稳定性。

所述光谱仪(10)用于测量谱线不同波长位置的强度，蓝宝石光纤(7)中形成的布拉格谐振和包层模谐振将在透射谱中同时出现，而反射谱仅含有布拉格谐振。

本发明的有益效果是：本发明的设计中以飞秒激光相位掩模法为核心，提出了一种制备倾斜蓝宝石光纤光栅的方法，在蓝宝石光纤高温测量领域中，增加了测温范围与高温灵敏度，具有很强的创新性和精确性，可以应用于蓝宝石高温传感器的制备，有良好的应用前景。

附图说明

图1制备倾斜蓝宝石光纤光栅装置的系统主视图。

图2制备倾斜蓝宝石光纤光栅装置的系统俯视图。

具体实施方式

如图1所示，由支架(1)、钛宝石飞秒激光器(2)、扩束镜(3)、相位掩模板(4)、三维六轴位移平台(5)、光纤夹具(6)、蓝宝石光纤(7)、宽带光源(8)、耦合器(9)、光谱仪(10)组成；支架(1)用于调节钛宝石飞秒激光器(2)、扩束镜(3)、相位掩模板(4)的位置，使得光束沿同一轴线传播；三维六轴位移平台(5)与光纤夹具(6)用于调节蓝宝石光纤(7)的三维空间位置；钛宝石飞秒激光器(2)发出脉冲宽度为30fs、平均功率为5W的激光，通过扩束镜(3)增加光束直径、减少光束发散角后，以10°的倾角入射并穿过相位掩模板(3),利用±1级衍射光束在相位掩模板(3)后相干，在蓝宝石光纤(7)内产生光强周期性分布的干涉条纹,并曝光蓝宝石光纤纤芯以刻蚀周期性折射率调制，从而形成光栅周期为750nm、倾角为10°的倾斜蓝宝石光纤光栅；将蓝宝石光纤(7)与耦合器(9)的一端相连，宽带光源(8)以及光谱仪(10)与另一端相连，用光谱仪(10)测量倾斜蓝宝石光纤光栅的透射谱与反射谱。