一种用于制备光纤光栅聚焦定位的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备光纤光栅聚焦定位的方法，属于全光纤化光纤激光器制备防治技术领域。

背景技术

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有光束质量好、成本低、转换效率高、输出波长多调谐方便、温度稳定性好、环境容忍度高等优点。尤其是全光纤化光纤激光器是未来光纤激光器的发展主要方向，现阶段对于全光纤化光纤激光器主要采用光纤布拉格光栅作为光纤激光器的腔镜。光纤布拉格光栅能够直接写入摻杂光纤，并且具有波长可选、损耗较低、对环境扰动不敏感等优点，使其成为光纤激光器腔镜的首选。目前制作光纤布拉格光栅的方法是利用飞秒激光刻写形成光纤布拉格光栅，此种方法已经成为了制作光谱质量较好、且稳定性较好光纤布拉格光栅的方法之一。同时飞秒直写技术可以方便的进行刻写变量与光栅性能参数的调整及研究。但是目前飞秒直写制备光纤布拉格光栅也存在一些问题，其中光纤布拉格光栅制备过程中如何将飞秒激光的聚焦光斑定位至光纤纤芯是所需解决的关键问题之一。

在实际的飞秒刻写中，飞秒激光聚焦光斑在光纤纤芯中的位置及其轴向分布，对光纤布拉格光栅的性能有着极其重要的影响，亚微米的偏离就会导致光纤布拉格光栅的耦合强度减半或插值损耗增大等结果。目前制备过程是先确定组合物镜的参数、以及所需制备的光纤尺寸，接着将上述数据输入Zemax仿真软件内，仿真软件通过理论计算获得聚焦光斑与组合物镜之前的距离，该距离即光纤纤芯所需放置的位置；完成上述理论计算后，将光纤实际进行布设时，由于光纤芯径过小(25μm)，因此在实际的光路聚焦后，聚焦光斑很难准确聚焦在纤芯，且刻写能量极低，刻写波段超出可见光波段(800nm)，所以在未进行实际刻写之前很难直观的观测到是否将光纤纤芯放置到聚焦系统焦点位置(即理论计算获得的聚焦光斑位置)，并且由于光纤的柱物镜效应，使得定位纤芯问题变的更复杂。

目前的解决办法是先实际放置光纤后完成一次实际刻写，并在刻写形成光纤光栅后，通过观测形成的光栅刻写位置来判定是否聚焦到纤芯，如形成的光纤光栅未处于纤芯，则重新调整纤芯位置，再次进行实际刻写，直至某次刻写形成的光纤光栅处于纤芯处，此时保持该位置，进行后续的光纤光栅的加工，该种方法虽然最终能实现纤芯定位的作用，但是由于其必须要在每次刻写完成后才能确定刻写情况，因此不能及时反馈聚焦光斑在光纤内的聚焦情况，有滞后性，且每次刻写产生的未在纤芯的光纤光栅均需要舍弃，因此浪费光纤。故如何提供一种新的方法，基于理论计算的光纤纤芯，在实际刻写之前，能将光纤纤芯定位至聚焦光斑，从而在后续刻写时直接就能制成处于纤芯的光纤光栅，不仅无需多次刻写调整纤芯位置，且有效节约光纤，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于制备光纤光栅聚焦定位的方法，基于理论计算的光纤纤芯位置，在实际刻写之前，通过图像比对分析的方式能将光纤纤芯定位至聚焦光斑，从而在后续刻写时直接就能制成处于纤芯的光纤光栅，不仅无需多次刻写调整纤芯位置，而且能有效节约光纤。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于制备光纤光栅聚焦定位的方法，具体步骤为：

A、先确定所需制备光纤光栅的光纤参数及组合物镜参数输入计算机(即PC端)的仿真软件，仿真软件采用理论公式进行计算后，能自动生成在当前参数下光纤侧面到焦点之间的距离l，以及焦点处于纤芯时的散射光斑图形，并存储在计算机内；其中理论公式为：

以光纤的径向为X轴、光纤的轴向为Y轴，则X轴方向束斑直径为

式中，w

而在光纤的Y轴方向(即轴向)孔径半角α

NA＝n

n

式中，n

2d

式中，r为光纤半外径。从光纤侧面到焦点的距离l为

由此，在纤芯轴向(即Y轴方向)束斑直径为

2d

B、将组合物镜装在平台上，使组合物镜的朝向垂直于光纤的轴向，并将光纤放置在三维位移台上且处于组合物镜正下方，使光纤能在光传播方向上自由移动；光纤处于步骤A确定的光纤侧面到焦点之间的距离l处，在组合物镜相对应的光纤另一侧设置光斑分析仪，光斑分析仪用于获取激光经过组合物镜聚焦至光纤后在光纤另一侧产生的散射光斑图形，并反馈给计算机；

C、进行实际光路投射，飞秒激光经过组合物镜投射至当前位置的光纤，并经过光纤另一侧的光纤散射面形成散射光斑图形，光斑分析仪获取该散射光斑图形并将其传输至计算机，完成一次散射光斑图形采集过程；然后使光纤沿Y轴移动设定距离后，再次进行实际光路投射，并获取当前位置光纤的散射光斑图形，如此重复多次，每沿Y轴移动设定距离后则获取一次散射光斑图形，从而能获取焦点周围多个位置的散射光斑图形，将各个散射光斑图形依次与步骤A获得的散射光斑图形进行匹配，若某一散射光斑图形与步骤A获得的散射光斑图形匹配率超过90％，则确定该散射光斑图形对应的光纤位置为理想位置，此时将光纤调整至理想位置开始进行光纤光栅的制备过程。

进一步，所述步骤A中的仿真软件为Zemax仿真软件。

进一步，所述步骤B中光斑分析仪与光纤另一侧之间的距离为2cm。

进一步，所述步骤C中每次移动的距离为2μm。

进一步，所述步骤C中计算机采用matlab软件进行散射光斑图形匹配率计算。

由于现有制备方法中实际的光路聚焦后，聚焦光斑很难准确聚焦在纤芯，且刻写能量极低，刻写波段超出可见光波段，所以在未进行实际刻写之前很难直观的观测到是否将光纤纤芯放置到聚焦系统焦点位置(即理论计算获得的聚焦光斑位置)，并且由于光纤的柱物镜效应，使得定位纤芯问题变的更复杂，其中光纤柱透镜效应：光纤的形状一般为圆柱形，因此当激光束照射时，它相当于一个微型的柱面透镜。从柱透镜的聚焦理论可知，柱透镜在一个方向上聚焦激光束，而在另一个方向上对光束产生折射现象。正是由于光线本身的圆柱形结构，使得射入光纤的光斑发生改变，增大了聚焦难度。与现有技术相比，本发明先根据所需加工的光纤参数及组合物镜参数，通过理论计算获得当前参数下光纤侧面到焦点之间的距离，以及焦点处于纤芯时的散射光斑图形，接着将光纤放置在理论计算获得的光纤侧面到焦点之间的距离处，光纤每沿Y轴移动设定距离后则获取一次散射光斑图形，将各个散射光斑图形依次与理论计算得出的散射光斑图形进行匹配，若某一散射光斑图形与步骤A获得的散射光斑图形匹配率超过90％，则确定该散射光斑图形对应的光纤位置为理想位置；因此本发明在实际刻写之前，基于理论计算的光纤纤芯位置，通过图像比对分析的方式能将光纤纤芯定位至聚焦光斑，从而在后续刻写时直接就能制成处于纤芯的光纤光栅，不仅无需多次刻写调整纤芯位置的复杂流程，而且能有效节约光纤。

附图说明

图1是本发明中光纤、组合物镜及光斑分析仪布设示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：具体步骤为：

A、所需制备光纤光栅的光纤为9/125的光纤，入射在组合物镜上的光斑半径为w

以光纤的径向为X轴、光纤的轴向为Y轴，则X轴方向束斑直径为

式中，w

而在光纤的Y轴方向(即轴向)孔径半角a

NA＝n

n

式中，n

2d

式中，r为光纤半外径。从光纤侧面到焦点的距离l为

由此，在纤芯轴向(即Y轴方向)束斑直径为

2d

B、如图1所示，将组合物镜装在平台上，使组合物镜的朝向垂直于光纤的轴向，并将光纤放置在三维位移台上且处于组合物镜正下方，使光纤能在光传播方向上自由移动；光纤处于步骤A确定的光纤侧面到焦点之间的距离l处，在组合物镜相对应的光纤另一侧距离其2cm处设置光斑分析仪，光斑分析仪用于获取激光经过组合物镜聚焦至光纤后在光纤另一侧产生的散射光斑图形，并反馈给计算机；

C、进行实际光路投射，飞秒激光经过组合物镜投射至当前位置的光纤，并经过光纤另一侧的光纤散射面形成散射光斑图形，光斑分析仪获取该散射光斑图形并将其传输至计算机，完成一次散射光斑图形采集过程；然后使光纤沿Y轴移动2μm后，再次进行实际光路投射，并获取当前位置光纤的散射光斑图形，如此重复多次，在软尺可量的焦距±400μm处移动，每沿Y轴移动2μm后则获取一次散射光斑图形，从而能获取焦点周围多个位置的散射光斑图形，计算机采用matlab软件将各个散射光斑图形依次与步骤A获得的散射光斑图形进行匹配，若某一散射光斑图形与步骤A获得的散射光斑图形匹配率超过90％，则确定该散射光斑图形对应的光纤位置为理想位置，此时将9/125的光纤调整至理想位置开始进行光纤光栅的制备过程。

实施例2：对25/400的光纤刻写光栅时，物镜的参数也会随之改变，采用本发明的方法只需要将改变后的这些原始参数输入计算机重新进行仿真确定焦点及光斑图形；并且将移动距离设定为5μm，其余步骤与实施例1相同，从而能将25/400的光纤调整至理想位置开始进行光纤光栅的制备过程。由此可知，本发明的定位方法，可以随意改变光纤类型和聚焦透镜的组合模式，并且改变后仅需调整输入的参数即能满足不同光纤参数及物镜参数下光纤光栅的制备，在实际生产中大大提高光路刻写精度，从而提高了效率。

上述平台、三维位移台、光斑分析仪和计算机均为现有设备或部件，能通过市场直接购买获得。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。