一種切趾光纖光柵刻寫系統及方法與流程

本發明涉及光纖光柵的刻寫技術領域，具體涉及一種切趾光纖光柵刻寫系統及方法。

背景技術：

光纖光柵在光纖激光器、光纖通信及光纖傳感等領域有著廣泛的應用。與傳統光柵相比，光纖光柵具有線寬窄、插入損耗低、抗電磁干擾能力強、靈敏度高、質量輕、體積小、易于實現波分復用和使用靈活等優點。利用光纖光柵代替傳統光學二色鏡而構成的全光纖激光器，具有穩定性高、結構緊湊等優點，使得光纖激光器走向實用化。光纖光柵的出現也極大促進了光纖通信和光纖傳感的發展。

目前制備光纖布拉格光柵的主要方法有掩模板法、逐點寫入法和干涉法。其中，相位掩模板法，通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射條紋，利用±1級衍射條紋側面曝光光敏光纖制備光柵結構。該方法大大降低了對紫外光源相干性的要求，而且實驗制備的光纖光柵的周期只取決于相位掩模板條紋的周期(光柵周期為相位掩模板條紋周期的一半)，因而降低了光纖光柵制備工藝的難度。基于紫外激光的相位掩模板法是目前最為普遍采用的制備方法，是制備光纖光柵的標準工藝，該方法使得光纖光柵走向實用化和產業化。

采用相位掩模板法制備的光纖布拉格光柵，在光纖布拉格光柵的兩側，存在折射率突變，產生自啁啾效應，表現為其透射譜、反射譜上出現較為嚴重的邊帶，極大地制約了光纖光柵器件的應用。通過光纖光柵切趾技術，使光柵中光感折射率調制的振幅沿著光柵長度有一個鐘形函數的形狀變化，這樣能避免光柵的短波損耗和有效抑制布拉格光纖光柵反射譜的邊帶。常用的光纖光柵切趾方法有切趾相位掩模板法、掃描法、多次曝光法與振幅掩模板法。其中，振幅掩模板法通過采用振幅模板垂直光束方向對光束掃描，控制光纖光柵的曝光時間，使光柵中光感折射率調制呈不均勻變化，達到切趾效果。這種方法對控制精度要求不高，較為簡便，性價比較高，是較為常用的一種光纖光柵切趾方法。

普通的相位掩模板刻寫系統是由準分子激光器、反射鏡組、光闌、擴束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板與光纖夾持裝置構成。這種刻寫系統是用來制作光纖布拉格光柵，由于沒有引入切趾裝置，制備的光纖光柵在透射譜、反射譜上存在較為嚴重的邊帶；并且在光纖為大芯徑光纖時，受限于控制精度，聚焦后的光束不能精確的置于光纖中心處，導致光纖纖芯光感折射率調制在徑向呈現出不對稱。這種調制不對稱性，對提高大芯徑光纖布拉格光柵的透射譜、反射譜深度是不利的，會影響大芯徑光纖光柵的性能和應用。現有的相位掩模板刻寫技術是無法消除這種調制不對稱性的。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有技術存在的不足，提供一種可制備不同類型切趾光纖光柵、能夠消除由于光纖大芯徑所導致的光感折射率調制的不對稱性的切趾光纖光柵刻寫系統，還提供一種采用該刻寫系統刻寫切趾光纖光柵的方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種切趾光纖光柵刻寫系統，包括光學平臺、準分子激光器、反射鏡組、光闌、擴束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板和光纖夾持裝置，所述反射鏡組安裝在光學平臺上用于調節準分子激光器出射光束的位置和高度，所述光闌、擴束柱透鏡組、聚焦柱透鏡、相位掩模板和光纖夾持裝置沿反射鏡組反射的出射光束的射出方向依次布置在光學平臺上，所述擴束柱透鏡組和聚焦柱透鏡之間設有切趾裝置，所述切趾裝置包括具有正模板和負模板的振幅掩模板以及安裝于光學平臺上的升降驅動組件，所述振幅掩模板安裝于升降驅動組件的升降端；所述光纖夾持裝置包括兩個光纖夾具以及兩個安裝于光學平臺上驅動兩個光纖夾具繞與出射光束垂直的同一軸線旋轉的旋轉裝置。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述旋轉裝置通過三維手動線位移平臺安裝于光學平臺上。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述升降驅動組件包括豎直線性位移平臺，所述豎直線性位移平臺的升降端設有載物臺，所述振幅掩模板裝設于載物臺上。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述豎直線性位移平臺通過一L型支架安裝于光學平臺上。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述反射鏡組包括兩個針對248nm紫外激光高反的反射鏡，兩個反射鏡安裝在同一支柱上。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述旋轉裝置為電動旋轉平臺。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，各電動旋轉平臺具有供光纖穿過的貫通孔，所述貫通孔沿電動旋轉平臺的旋轉軸線布置。

上述的切趾光纖光柵刻寫系統，優選的，所述相位掩模板通過六維調節架安裝于光學平臺上。

一種采用上述刻寫系統刻寫切趾光纖光柵的方法，包括以下步驟：

(a)設置好準分子激光器的重復頻率以及電壓；調節升降驅動組件，使振幅掩模板的正模板下沿正好位于出射光束上沿；

(b)截取合適長度的光纖，將待刻寫中間區域用化學剝除劑涂覆，再用酒精擦拭后將刻寫光纖夾持在光纖夾持裝置的光纖夾具上，將光纖與在線檢測系統相連；

(c)使用準分子激光器控制器控制激光器開始輸出的同時啟動切趾裝置，通過升降驅動組件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板正模板的上沿正好位于出射光束下沿，此時停止準分子激光器輸出并停止振幅掩模板的運動，在幅掩模板下降的同時啟動旋轉裝置旋轉光纖，在幅掩模板下降的整個時間里面將光纖勻速地順時針旋轉180°，再逆時針旋轉180°，在準分子激光器停止輸出激光的同時回到原點；然后降低相位掩模板高度，使光束移出柵區；

(d)補償時，先通過升降驅動組件使振幅掩模板的負模板的下沿正好位于出射光束的上沿，使用準分子激光器控制器控制激光器開始輸出的同時啟動切趾裝置，通過升降驅動組件使振幅掩模板下降，直至振幅掩模板負模板的上沿正好位于出射光束下沿，此時停止準分子激光器輸出并停止振幅掩模板的運動，在幅掩模板下降的同時啟動旋轉裝置旋轉光纖，在幅掩模板下降的整個時間里面將光纖勻速地順時針旋轉180°，再逆時針旋轉180°，在準分子激光器停止輸出激光的同時回到原點。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

1、本發明的切趾光纖光柵刻寫系統引入了切趾裝置，并且可以通過靈活調整切趾函數類型與參數，實現不同類型切趾光纖光柵的制備。

2、本發明的切趾光纖光柵刻寫系統引入了光纖旋轉裝置，通過對光纖的旋轉，消除由于光纖大芯徑所導致的光感折射率調制的不對稱性，有助于制備高性能的大芯徑光纖光柵。

附圖說明

圖1為切趾光纖光柵刻寫系統的結構示意圖。

圖2為振幅掩模板安裝在升降驅動組件上的結構示意圖。

圖3為超高斯切趾函數振幅掩模板示意圖。

圖4為Sinc切趾函數振幅掩模板示意圖。

圖5為兩個光纖夾具通過旋轉裝置和三維手動線位移平臺安裝在光學平臺上的結構示意圖。

圖6為切趾未補償時光纖光柵的透射譜示意圖。

圖7為切趾補償后光纖光柵的透射譜示意圖。

圖例說明：

1、準分子激光器；2、反射鏡組；3、光闌；4、擴束柱透鏡組；5、聚焦柱透鏡；6、相位掩模板；7、光纖夾持裝置；71、光纖夾具；72、旋轉裝置；73、三維手動線位移平臺；8、切趾裝置；81、振幅掩模板；811、正模板；812、負模板；82、豎直線性位移平臺；821、載物臺；83、L型支架；9、光纖；10、寬帶光源；11、光譜分析儀；100、光學平臺。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1和圖2所示，本發明切趾光纖光柵刻寫系統，包括光學平臺100、準分子激光器1、反射鏡組2、光闌3、擴束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5、相位掩模板6和光纖夾持裝置7，反射鏡組2安裝在光學平臺100上用于調節準分子激光器1出射光束的位置和高度，光闌3、擴束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5、相位掩模板6和光纖夾持裝置7沿反射鏡組2反射的出射光束的射出方向依次布置在光學平臺100上，擴束柱透鏡組4和聚焦柱透鏡5之間設有切趾裝置8，切趾裝置8包括具有正模板811和負模板812的振幅掩模板81以及安裝于光學平臺100上的升降驅動組件，振幅掩模板81安裝于升降驅動組件的升降端，振幅掩模板81是根據具體切趾要求，于薄銅片上激光蝕刻加工得到，可選取不同函數，圖3、圖4分別為超高斯、Sinc切趾函數的振幅掩模板示意圖；光纖夾持裝置7包括兩個光纖夾具71以及兩個安裝于光學平臺100上分別驅動兩個光纖夾具71繞與出射光束垂直的同一軸線旋轉的旋轉裝置72。光纖夾具71使用的是Vytran公司涂覆機FSR-02配套光纖夾具，通過V型槽定位光纖并由磁性材料翻蓋固定。

本實施例中，進一步的，旋轉裝置72通過一三維手動線位移平臺73安裝于光學平臺100上，通過三維手動線位移平臺73可以調節旋轉裝置72的三維空間位置，進而調節光纖的位置，保證光纖處在正確的刻寫位置。通過旋轉裝置72和三維手動線位移平臺73的配合，既能實現對光纖位置的精確調節，也可以實現光纖的高精度旋轉。

上述旋轉裝置72為電動旋轉平臺，兩個旋轉裝置72可以同步順時針和逆時針分別旋轉180度，該電動旋轉平臺可以采用現有技術，例如，可采用日本駿河精機電動360°平臺。三維手動線位移平臺73也為現有技術，例如，可以采用Newport三維手動線位移平臺。

本實施例中，各電動旋轉平臺具有供光纖穿過的貫通孔，貫通孔沿電動旋轉平臺的旋轉軸線布置，光纖被夾持在兩個光纖夾具71上，并穿過兩個電動旋轉平臺的貫通孔。

本實施例中，升降驅動組件包括豎直線性位移平臺82，豎直線性位移平臺82通過一L型支架83安裝于光學平臺100上。豎直線性位移平臺82的升降端設有載物臺821，振幅掩模板81裝設于載物臺821上。

本實施例中，反射鏡組2包括兩個針對248nm紫外激光鍍高反射率膜的反射鏡，兩個反射鏡安裝在同一支柱上。

本實施例中，如圖5所示，相位掩模板6通過使用六維手動調節架對相位掩模板位置進行調整，以使聚焦后光束能夠垂直打在掩模板柵區中央。該六維手動調節架由Newport公司出產的三維直角手動調整架M-561D-XYZ，兩軸角度位移平臺M-GON40-U、L以及360度旋轉平臺M-RS40拼接而成，并整體安裝于光學平臺100上。

上述準分子激光器1、反射鏡組2、光闌3、擴束柱透鏡組4、聚焦柱透鏡5和相位掩模板6均為現有技術，其中，準分子激光器1的出射光斑為矩形，且能量分布不均勻，在光斑中心處能量均勻性較好。光闌3用于選取出射光束中心光斑。擴束柱透鏡組4放置于兩個六維調節架上，且垂直放置，以得到較為均勻的放大光斑。

該切趾光纖光柵刻寫系統可配置相應的控制系統，通過控制系統控制豎直線性位移平臺82的升降位置和升降速度，通過控制系統控制兩個旋轉裝置72，保證旋轉過程中光纖位置具有較高的空間穩定性。

一種采用上述刻寫系統刻寫切趾光纖光柵的方法，包括以下步驟：

(a)準分子激光器1參數設置：設置好準分子激光器1的重復頻率以及電壓，重復頻率以及電壓根據待刻寫光纖不同，靈活設置；調節升降驅動組件，使振幅掩模板81的正模板811下沿正好位于出射光束上沿；

(b)準備光纖：截取合適長度的光纖，將待刻寫中間區域用化學剝除劑涂覆，再用酒精擦拭后將刻寫光纖夾持在光纖夾持裝置7的光纖夾具71上。將光纖的一端與寬帶光源10連接，另一端與在線檢測系統(光譜分析儀11)相連，通過在線檢測系統檢測；

(c)切趾光纖光柵刻寫：在準分子激光器1開始輸出的同時啟動切趾裝置8和光纖旋轉裝置72，通過升降驅動組件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板811的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整個時間里面將光纖勻速地順時針旋轉180°，再逆時針旋轉180°，在停止振幅掩模板81下降的同時停止準分子激光器1輸出激光和光纖旋轉裝置72，此時光纖旋轉裝置72剛好回到旋轉起點，可得到如圖6所示的光纖光柵透射譜。然后手動降低相位掩模板6的高度，使光束移出柵區；

(d)切趾光纖光柵的補償：類似于切趾光纖光柵的刻寫，在準分子激光器1開始輸出的同時啟動切趾裝置8和光纖旋轉裝置72，通過升降驅動組件使振幅掩模板81下降，直至振幅掩模板812的上沿正好位于出射光束下沿，在幅掩模板81下降的整個時間里面將光纖勻速地順時針旋轉180°，再逆時針旋轉180°，在停止振幅掩模板81下降的同時停止準分子激光器1輸出激光和光纖旋轉裝置72，此時光纖旋轉裝置72剛好回到旋轉起點，此時，可得到如圖7所示的光纖光柵透射譜。

待刻寫結束后，將光纖取出退火。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。對于本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明技術構思前提下所得到的改進和變換也應視為本發明的保護范圍。