一种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法与流程

本发明属于光栅制备技术领域，尤其涉及一种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法。

背景技术：

传统光纤的布拉格光栅(下文简称光栅)制作方法，通常是从侧面对光纤纤芯进行激光加工形成光栅。主要技术包括全息法，掩膜板法，逐点法。然而这些方法并不适用光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)，特别是主流的低光敏性的PCF。这是主要由于PCF内存在沿光纤轴向延伸的多层孔结构(即包层孔区)会对侧面加工激光造成较强散射，以及常见PCF材料(纯石英)的低光敏性。

现在解决这个问题的主要做法是，加大加工激光能量，长时间照射加工；精确调节加工时光纤姿态，使加工激光能够尽量多的进入纤芯区域进行加工；或在PCF制作时增加工艺，在PCF中进行光敏材料的掺杂；或重新设计PCF孔区结构，然而这些方法较大增加PCF光栅加工、制备复杂性，减少PCF的设计灵活性，此外也并不能完全解决散射问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法，旨在解决在光子晶体光纤上制备布拉格光栅时，其包层孔会对侧面加工激光形成较强散射，导致光子晶体光纤极难加工光栅的问题。

本发明提供了一种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法，所述方法包括：

选择性膨胀加工步骤：将光子晶体光纤的待加工光栅区进行选择性膨胀加工，以使所述光子晶体光纤的待加工光栅区的部分包层孔崩塌，形成局部的简化包层区；

制备布拉格光栅步骤：在光子晶体光纤的简化包层区进行激光刻栅，从而形成布拉格光栅。

进一步地，所述选择性膨胀加工步骤中，形成简化包层区的步骤具体包括：

步骤S11，用选择性开孔技术在一段光子晶体光纤的一端选择性开放若干个孔，而堵住其它微孔；所述若干个孔依光纤截面圆心呈现圆对称分布，并沿光纤轴延伸至整段光子晶体光纤另一端；

并将光子晶体光纤的另一端与单模光纤熔接，以堵住所述光子晶体光纤另一端的包层孔；

步骤S12，通过光子晶体光纤一端的选择性开孔对整段光子晶体光纤进行充气来进行加压；

步骤S13，在光子晶体光纤的待加工光栅区加热光子晶体光纤至软化温度，并同时轴向拉伸所述光子晶体光纤，在光纤内部的气压和材料表面张力的共同作用下逐渐形成简化包层区。

进一步地，所述步骤S11中，所述选择性开孔技术包括：

将待加工的一段光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，以堵住所述光子晶体光纤的包层孔，并在所述光子晶体光纤的一端开若干个孔。

进一步地，所述步骤S11中，所述选择性开孔技术包括：

将待加工的一段光子晶体光纤的一端用针尖点胶的方法逐个封堵所述光子晶体光纤的包层孔，而保留若干个孔。

进一步地，所述光子晶体光纤被加工的简化包层区包括两个截面结构渐变的过渡区，所述两个过渡区从热加工区中心沿光纤纤芯向两边的方向，变化程度逐渐减小。

进一步地，所述制备布拉格光栅步骤具体为：调整光纤姿态，使飞秒激光束平行射入短焦距柱透镜，并通过掩膜板后，形成覆盖所述光子晶体光纤的纤芯的聚焦区域；

入射飞秒激光在所述简化包层区进行激光刻栅，形成布拉格光栅。

进一步地，所述制备布拉格光栅步骤还包括：

在激光刻栅过程中，在待加工光栅区的垂直方向上，通过CCD相机生成的图像并结合平动和转动的方式来调整光子晶体光纤的简化包层区的位置，使所述光子晶体光纤的纤芯与激光射入短焦距柱透镜并通过掩膜板后的聚焦区域重合，同时使激光到纤芯路径的散射最小。

进一步地，所述短焦距柱透镜的焦点区域的聚焦宽度大于简化包层区的纤芯直径，同时焦点区域的瑞利距离小于简化包层区的包层孔区宽度。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法，通过对光子晶体光纤的局部进行选择性膨胀加工，形成一段大部分包层孔坍塌的简化包层区，使得该简化包层区在通过激光加工制作光栅时，加工激光的散射大大减小，从而能高效的在多孔结构的光子晶体光纤上刻写光栅。

附图说明

图1是本发明实施例提供的在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的在光子晶体光纤上加工形成简化包层区的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光子晶体光纤的截面图；

图4是在图3所示的光子晶体光纤基础上选择性打开的3个孔的截面图；

图5是本发明实施例提供的在光子晶体光纤上加工形成的简化包层区的结构示意图；

图6是图5所示的简化包层区的截面示意图；

图7是本发明实施例提供的采用相位掩膜板法进行光栅加工的示意图；

图8是本发明实施例提供的在光子晶体光纤上制备的布拉格光栅的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明的主要实现思想为：在光子晶体光纤需要加工光栅的位置进行膨胀加工，形成一段包层孔塌陷的简化包层区。由于膨胀加工后此段光子晶体光纤已不存在密集的包层孔，激光散射将大大减小。再用常用的光栅加工方法，就可以高效的在光子晶体光纤的简化包层区刻写光栅。

下面详细介绍这种在光子晶体光纤上制备布拉格光栅的方法，如图1所示，所述方法包括：

选择性膨胀加工步骤S1：将光子晶体光纤的待加工光栅区进行选择性膨胀加工，以使所述光子晶体光纤的待加工光栅区的部分包层孔崩塌，形成局部的简化包层区。

具体地，选择性膨胀加工为对待加工光栅区的充气的即未封堵的包层孔进行膨胀加工，而待加工光栅区中被封堵的包层孔将崩塌。

具体地，如图3所示，为本发明实施例提供的一种典型的光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)的截面图；其中，光子晶体光纤的纤芯31周围覆盖大量的包层孔32。

具体地，上述选择性膨胀加工步骤中，形成简化包层区的步骤具体如图2所示，包括：

步骤S11，用选择性开孔技术在一段光子晶体光纤的一端选择性开放若干个孔，而堵住其它微孔；所述若干个孔依光纤截面圆心呈现圆对称分布，并沿光纤轴延伸至整段光子晶体光纤另一端；

并将光子晶体光纤的另一端与单模光纤熔接，以堵住所述光子晶体光纤另一端的包层孔；

具体地，所述选择性开孔技术包括：方式一，将待加工的一段光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，以堵住所述光子晶体光纤的包层孔，并在所述光子晶体光纤的一端开若干个孔。或：

方式二，将待加工的一段光子晶体光纤的一端用针尖点胶的方法逐个封堵所述光子晶体光纤的包层孔，而保留若干个孔。

具体地，对于方式一，在操作过程中，在离熔接点一小段距离的位置将光子晶体光纤的一端熔接的单模光纤切断；这样切断后，既可以利用剩下的与所述光子晶体光纤熔接的单模光纤堵住包层孔，又可以比较容易的穿过剩下的所述单模光纤来开孔。然后，利用飞秒激光对光子晶体光纤进行选择性的打开几个孔。打开的孔应满足依光子晶体光纤截面圆心呈现圆对称分布，并沿光纤轴延伸至整段光子晶体光纤另一端，如图4所示为本发明实施例选择性打开的3个孔41。

步骤S12，通过光子晶体光纤一端的选择性开孔对整段光子晶体光纤进行充气来进行加压；

具体地，本发明实施例中，通过图4所示的3个孔对整段光子晶体光纤的孔区充气。

步骤S13，在光子晶体光纤的待加工光栅区加热光子晶体光纤至软化温度，并同时轴向拉伸所述光子晶体光纤，在光纤内部的气压和材料表面张力的共同作用下逐渐形成简化包层区。

具体地，所选加热区域将逐渐形成如图5所示的局部结构。

进一步地，在上述加热过程中，对光子晶体光纤施加不同程度的轴向拉伸，将形成具有不同纤芯直径的简化包层区；而对不同纤芯直径的简化包层区采用同种光栅加工方法，可以灵活的形成具有不同波长位置和谱形的光栅谱。

下面具体介绍光子晶体光纤利用方式一的选择性开孔的技术形成简化包层区后的结构，具体如图5所示：

包括一段光子晶体光纤51和两根与其熔接的单模光纤52。光子晶体光纤51包括加工后的简化包层区511和非简化包层区512，还包括纤芯513和包层孔区514；所述简化包层区511包括两个过渡区5111，所述两个过渡区5111为加热中心区域到非简化包层区的渐变区，其拉伸程度逐渐减小。图6为图5所示的简化包层区的截面图，基于不同于图4的开孔方式，将形成不同于图6的简化包层区结构；不同的简化包层区结构同样具有低包层散射损耗的特点，同样可以用后续方法高效的加工光栅，但光栅谱具有不同波长位置和谱形。

进一步地，膨胀后的光子晶体光纤的主要特点是在简化包层区，光子晶体光纤的包层不再是大量的微孔结构，因而不再对从光子晶体光纤侧面入射的激光形成强烈散射。因此再采用传统的光栅加工方法，就可以用很小的加工激光能量在光子晶体光纤上制备光栅。下面继续介绍这种在简化包层区制备光栅的方法：

制备布拉格光栅步骤S2：在光子晶体光纤的简化包层区进行激光刻栅，从而形成布拉格光栅。

具体地，本发明实施例采用相位掩膜板法进行光栅加工。如图7所示，通过调整光纤姿态，使飞秒激光束平行射入短焦距柱透镜71，并通过掩膜板72后，形成覆盖所述光子晶体光纤纤芯的聚焦区域；入射飞秒激光在所述简化包层区511进行激光刻栅，形成布拉格光栅81，具体如图8所示。

进一步地，在激光刻栅过程中，在待加工光栅区的垂直方向上，通过CCD相机73生成的图像并结合平动和转动的方式来对光子晶体光纤的位置进行微调，使所述光子晶体光纤的纤芯与激光射入短焦距柱透镜并通过掩膜板后的聚焦区域重合，同时使激光到纤芯路径的散射最小，从而使得加工效率最高。

进一步地，所述短焦距柱透镜71的焦点区域的聚焦宽度大于简化包层区511的纤芯直径，同时焦点区域的瑞利距离小于简化包层区511的包层孔区宽度。

本发明不仅限于上述对简化包层区的光栅加工方式，采用全息法、逐点法等其它方式同样可以达到形成光栅的目的。

本发明提供的方法可高效的在多孔结构的光子晶体光纤上制备光栅；所制备的布拉格光栅，一方面可作为基于PCF的可复用传感器，具体地，除了应用于传统的普通单模光纤光栅的领域(温度、应变等)，还能作为高温传感器、折射率传感器(PCF膨胀区的光栅能够直接感知周围空间折射率的变化)等；另一方面，可作为全PCF网络的器件，比如：PCF滤波器、开关等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。