一种波长可调的相移光栅制作系统及制作方法

1.本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种波长可调的相移光栅制作系统及制作方法。


背景技术：

2.相移光栅全称相移光纤布拉格光栅。与均匀布拉格光栅相比，相移光栅在光栅栅区空间内的某个特定部位引入折射率阶跃跳变，从而改变了光纤光栅的光谱特性，使得光栅的光谱的特定位置形成极窄透射峰。而在泵浦光作用下，在稀土掺杂光纤上制作出的有源相移光栅的增益大于损耗时，将会在透射波长形成极窄线宽的激光输出。相移光栅因其窄透射峰、多通道、组合灵活等特性在光纤传感，光通信及光谱分析领域已经得到广阔的应用。
3.目前制作相移光纤光栅的方法有后处理法，相位掩模版法和全息干涉法。
4.后处理法是最早出现的相移光纤光栅的制作方法。其原理是通过对已制成的光纤光栅的指定位置采用打磨、加温、腐蚀等处理方法，引起被处理区与未处理区的模式有效折射率差而形成相移，该方法操作简单，但是很难精确控制折射率变化量和相移区长度，生成的相移光栅可重复性差。
5.相位掩模版法是通过紫外激光照射相位掩模版，利用其经相位掩模版后
±
1级衍射光的近场干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布，从而形成光纤光栅，然后通过遮挡，二次曝光或者相位掩模版微位移的方法在制作光栅的过程中引入相位突变，从而在紫外光衍射的干涉条纹周期中产生相应的相移量。这种方法可以很方便地制作各种相移量和相移位置的相移光纤光栅。但是其所生成的光栅布拉格波长由相位掩模版的周期所决定，一块掩模版只能制作一个波长的相移光纤光栅，即使通过给光纤施加预应力的方法来改变光栅波长，其调谐范围也小于10nm。而且紫外光近场干涉形成的条纹的精度和可见度受零阶和高阶衍射光影响会有所损失，同时近场干涉前提下，光纤与掩模版间距通常小于2mm，对大芯径光纤来说，近场干涉条纹很难均匀覆盖整个纤芯芯径，使得生成的光栅延光纤两侧强度发生差别。
6.全息干涉法是利用两个具有相同光程的紫外相干光束在光纤纤芯内实现干涉，从而引起与干涉条纹相同分布的折射率周期变化，干涉条纹的间距也就是光纤光栅的周期，是由两束相干光的波长以及夹角所决定。通过调整光路改变夹角，就可以很方便地生成从可见光到中红外波段的各种布拉格波长的光纤光栅，然后在光栅制作的过程中使干涉条纹的相位在光纤的指定位置发生跳变，就能引入相移从而制作出相移光纤光栅。由于干涉条纹的宽度有限，所以制作光栅时要使光纤相对干涉条纹延垂直方向移动，通过扫描光纤来生成指定长度的光纤光栅。然而固定的激光干涉条纹会在运动的光纤上产生擦除效应，降低生成光栅的强度和一致性。另一方面，全息干涉法对干涉激光的空间和时间相干性要求很高，这就为激光光源的质量和制作装置的机械稳定性设置了很高的门槛。同时，全息干涉法的波长调节受限于光路调节精度，通常只能做到5nm以上级别的粗调，很难进行1nm以下
级别的精细调节。
7.为此，本技术设计了一种波长可调的相移光栅制作系统及制作方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

8.本发明为了弥补现有技术中的不足，综合了相位掩模版法和全息干涉法的优点，提供了一种波长可调的相移光栅制作系统及制作方法。
9.本发明是通过如下技术方案实现的：一种波长可调的相移光栅制作系统，包括气浮光学隔振平台，其特征在于：所述气浮光学隔振平台上装载所有的相移光栅制作系统的部件，包括紫外激光器，沿紫外激光器发出的紫外激光光轴对称放置有平凸柱透镜，平凸柱透镜的焦点上的相对紫外激光光轴位置垂直放置有均匀相位掩模版，沿均匀相位掩模版散发
±
1级衍射光的散发方向设置有第一声光调制器和第二声光调制器，第一声光调制器和第二声光调制器分别连接第一声光驱动模块和第二声光驱动模块，均匀相位掩模版一侧的紫外激光光轴中心对称放置聚焦透镜，聚焦透镜和均匀相位掩模版之间设置有零阶衍射挡板，聚焦透镜的一侧设置光纤，光纤为移动体并配备监测装置，监测装置连接综合控制系统。
10.进一步的，为了更好的实现本发明，所述光纤由两个施加了预应力的光纤夹具固定在光学面包板上，光学面包板固定在一个高精度位移台上。通过高精度位移台的移动带动被光纤夹具固定的光纤沿与紫外激光光轴垂直的方向以相同速度移动。
11.进一步的，为了更好的实现本发明，所述监测装置包括设置在高精度位移台右下角的一面平行于紫外激光中心光轴的反射镜，反射镜结合扫描f-p腔干涉仪用以测量高精度位移台位移大小和运动速度。
12.进一步的，为了更好的实现本发明，所述综合控制系统还通过电线或数据线连接紫外激光器、第一声光驱动模块、第二声光驱动模块、高精度位移台和扫描f-p腔干涉仪，综合控制系统包含直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡、同步时钟和装载了控制软件的电脑。该综合控制系统在相移光纤光栅制作全流程中用以实时设置，监控和调节各种制作参数。
13.基于上述的波长可调的相移光栅制作系统，具体的制作方法为：s1，准备工作，搭建制作系统，根据紫外激光的波长和均匀相位掩模版的周期用式a计算得到
±
1级衍射光的发散角，然后根据需要制作的光纤光栅的布拉格波长和所用光纤的有效折射率用式e计算得到相干光束的汇聚角，最后结合式b和式c，代入所用聚焦透镜焦距计算得出聚焦透镜与均匀相位掩模版和光纤的间距；根据该间距值调整聚焦透镜，均匀相位掩模版和光纤的距离；调节准直激光光路，安装均匀相位掩模版和光纤，确保干涉光束形成的条纹能准确的汇聚在光纤纤芯处；s2，启动系统，开启系统各组件电源充分热机，设定激光器相关参数，然后打开控制系统，操纵扫描位移平台使干涉条纹在光纤上的位置到达光栅栅区起始点，之后根据预设的汇聚角度和想要制作的相移光栅的相移量及相移位置，结合式d、式e、式f和式g计算和设定扫描速度、
±
1级衍射光频移量、相移位置、频移突变量和频移突变时间，确保经过频率调制的干涉条纹能在预设扫描速度下制作出具备所需的布拉格波长的光纤光栅；启动扫描
f-p腔干涉仪，记录高精度位移平台初始位置；s3，扫描曝光，启动紫外激光器，启动位移平台，按照预设参数开始扫描曝光，并根据激光干涉仪所测得的位移数据，通过综合控制系统自动实时修正平台位移速度和
±
1级衍射光频移量，确保干涉条纹能和光纤保持同步运动，直到扫描行程达到预设的相移位置；s4，生成相移，综合控制系统根据预设的相移量和记录的积累位移误差自动计算出动态反馈相移，使第一和第二声光调制器在相应的第一和第二声光驱动模块控制下在频率调制中引入一个经过动态反馈相移修正的跳变量δω，从而在制作出的光纤光栅的预定相移位置上引入一个周期不同的折射率突变，形成相移光纤光栅；s5，扫描曝光，重新开始扫描曝光，恢复频移量以匹配光纤移动速度，直到完成整个光纤光栅制作流程。
14.进一步的，为了更好的实现本发明，所述式a为，其中θ
df
为上面的+1级衍射光和下面的-1级衍射光之间的与紫外激光中心光轴的夹角，λ
uv
是紫外激光波长，λ
pm
是均匀相位掩模版周期；所述式b为，其中f为聚焦透镜的焦距，d1为均匀相位掩模版到聚焦透镜的距离，d2为聚焦透镜到光纤的距离；所述式c为，其中θ
if
为相干光束在光纤上汇聚时与中心光轴的夹角；所述式d为，其中λ
if
为干涉条纹周期；所述式e为，其中λb为光纤光栅的布拉格波长，nf为光纤的有效折射率；所述式f为，其中ω
+1
和ω-1
为调制完成的
±
1级衍射光的频率，υf为扫描速度；所述式g为，其中δφ为相移量，δω为频移突变量，δt为频移突变时间。
15.本发明的有益效果是：本方案基于全息干涉和调频同步的可调波长相移光栅制作系统，其主要优点包括：1. 由经过频率调制的相干衍射光远场干涉实现的粗细结合的布拉格波长调节，极大的提高了相移光纤光栅波长选择的自由度，同时降低了系统成本。
16.2. 通过对相干衍射光进行频率差频，实现了相移光纤光栅制作扫描过程中干涉
条纹相对光纤的同步运动，避免光栅擦除效应的同时增强了对光纤的折射率调制，保证了成品相移光纤光栅的可重复性。
17.3.在光栅制作过程中，除运动的光纤外全系统均保持静止，结合基于动态位移反馈的调频跳变相移生成机制，降低了对紫外激光空间和时间相干性的要求，尤其适合各种大纤径，长周期相移光纤光栅的制作。
附图说明
18.图1为本发明的波长可调的相移光栅制作系统示意图；图2为本发明的聚焦透镜与掩模版不同距离下可调波长光栅制作相关参数示意图；图3为本发明的制作相移光栅步骤图；图4为本发明的干涉汇聚角与光纤光栅布拉格波长的粗调对应关系图；图5为本发明的调频频率差值与光纤光栅布拉格波长的微调对应关系图；图6为本发明的成品相移光栅透射光谱图；图中，1.紫外激光器，2.平凸柱透镜，3.均匀相位掩模版，4.第一声光调制器，5.第一声光驱动模块，6.第二声光调制器，7.第二声光驱动模块，8.零阶衍射挡板，9.聚焦透镜，10.光纤，11.光纤夹具，12.反射镜，13.光学面包板，14.高精度位移平台，15.扫描f-p腔干涉仪，16.综合控制系统，17.气浮光学隔振平台。
19.图2中，ω
+1
、ω-1
、d1、d2、θ
if
、λ
if
和υf对应的是制作长波长光栅的
±
1级衍射光的频率、聚焦透镜与均匀相位掩模版和光纤的距离、相干光束在光纤上汇聚时与中心光轴的夹角和扫描速度。而ω’+1
、ω
’-1
、d
’1、d
’2、θ’if
、λ’if
和υ’f
对应的是制作短波长光栅的
±
1级衍射光的频率、聚焦透镜与均匀相位掩模版和光纤的距离、相干光束在光纤上汇聚时与中心光轴的夹角和扫描速度。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.图1-图6为本发明的一种具体实施例，该实施例为一种波长可调的相移光栅制作系统及制作方法。
24.如图1所示，由紫外激光器1发出紫外激光，经过一个沿激光光轴对称放置的平凸柱透镜2整形压缩后，入射到一个在平凸柱透镜2焦点上的相对紫外激光光轴垂直放置的均匀相位掩模版3处形成
±
1级的相干衍射光，其中上面的+1级衍射光和下面的-1级衍射光之间的与紫外激光中心光轴的夹角θ
df
由以下公式决定：
（1）上式(1)中λ
uv
是紫外激光波长，λ
pm
是均匀相位掩模版周期。对于给定的紫外激光和均匀相位掩模版，θ
df
是固定的常数。接下来，+1级和-1级衍射光分别经过一个沿其发散方向光轴中心放置的第一和第二声光调制器，该声光调制器组能在相应的第一和第二声光驱动模块控制下，将穿过其中的+1级和-1级衍射光的频率调制为ω
+1
和ω-1
。调制完成的
±
1级衍射光被一个距均匀相位掩模版d1处，沿紫外激光光轴中心对称放置的焦距为f的聚焦透镜9所聚焦，汇聚在垂直紫外激光光轴放置于距聚焦透镜组d2处的光纤纤芯上形成周期为λ
if
的干涉条纹。其中d1，d2和f满足以下关系：(2)显然对于固定焦距f和衍射光夹角θ
df
，增加d1就会缩小d2，从而影响相干光束在光纤上汇聚时与中心光轴的夹角θ
if
:(3)这个汇聚角θ
if
与干涉条纹周期λ
if
的关系是：(4)更大的汇聚角会带来更窄的干涉条纹周期，而改变干涉条纹的周期，就会影响生成的光纤光栅的布拉格波长λb，其计算公式为：(5)上式（5）中nf为光纤的有效折射率，可以看到，通过调节θ
if
，就能实现布拉格波长的大范围调谐。
25.另一方面，为了制作出足够长度的光纤光栅，需要使光纤相对干涉条纹以速度υf在垂直方向运动,那么为了避免固定的干涉条纹形成的光纤光栅在这个运动过程中被擦除，就需要通过调制+1级和-1级衍射光频率的方法来使干涉条纹在位置固定的前提下相对光纤以速度υ
if
=υf发生同步运动，该频率差值可由式（6）计算：（6）上式中，ω
+1
和ω-1
为调制完成的
±
1级衍射光的频率，可以看到，通过改变ω
+1
和ω-1
，能够在固定的扫描速度υf下改变干涉条纹周期λ
if
，从而对光纤光栅的布拉格波长进行微调。而如果在光栅制作过程中特定的时刻，在频率调制中引入一个跳变量δω，就能在制作出的光纤光栅的特定位置上引入一个周期不同的折射率突变，经过频移突变时间δt后形成相移光纤光栅,其相移量由下式（7）计算：（7）
图2展示了聚焦透镜9与掩模版不同距离下可调波长光栅制作的不同之处，可以看到在均匀相位掩模版3前方的紫外激光中心光轴上，有一个用来遮挡零阶衍射光的挡板。同时，光纤10是由两个施加了预应力的光纤夹具11固定在光学面包板13上的，而该光学面包板13则固定在一个高精度位移台14上，可以沿中心光轴垂直方向以指定速度运动，以实现相干衍射光干涉条纹沿光纤的扫描。而为了进一步提高光纤光栅制作质量，需要精确监测该位移平台运动的速度，因此在该位移平台右下角安装了一面平行于紫外激光中心光轴的反射镜，结合相应的扫描f-p腔干涉仪，可以实时测量平台位移大小和运动速度。除此之外，紫外激光器，第一和第二声光驱动模块，高精度位移台和扫描f-p腔干涉仪都通过电线或者数据线连接到一个综合控制系统中，该控制系统包含直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡、同步时钟和装载了相关控制软件的电脑，能够在相移光纤光栅制作全流程中实时设置，监控和调节各种制作参数。
26.最后，以上所有部件都装载在一个气浮光学隔振平台上，以最大程度地降低环境振动对光栅制作的干扰。
27.下面，对本实施例的具体结构及操作进行进一步的详细说明。
28.首先按照图1设置搭建一套可调波长的相移光栅制作系统，包括：紫外激光器1，功率稳定性》99.5%的连续波紫外激光器，输出功率》400mw，波长244nm；平凸柱面镜2，面积50mm*25mm，焦距50mm；均匀相位掩模版3，周期1064nm；第一声光调制器4，工作频率100mhz，通光孔径》6mm2，紫外波段衍射效率》90%,上升时间《60ns,分离角《7mrad，安装在三维调整架上；第一声光驱动模块5，调频分辨率《10hz，调频范围dc~50mhz，上升时间《20ns；第二声光调制器6，工作频率100mhz，通光孔径》6mm2，紫外波段衍射效率》90%,上升时间《60ns,分离角《7mrad，安装在三维调整架上；第二声光驱动模块7，调频分辨率《10hz，调频范围dc~50mhz，上升时间《20ns；零阶衍射挡板8，面积5mm*5mm；聚焦透镜9，石英双凸球面镜，直径30mm，焦距20mm，通过透镜架安装在一个高精度直线位移台上，该位移台行程20mm，单步位移精度1μm；光纤10，掺锗光敏光纤，其有效折射率为1.464；光纤夹具11，安装在三维光学调整架上的带v性槽的专用夹持器；反射镜12，面积40mm*40mm；光学面包板13，面积600mm*200mm；高精度位移台14，最大行程200mm，单步位移精度1μm，速度可调范围10μm/s~10mm/s；扫描f-p腔干涉仪15，测速范围1μm/s~100mm/s，测速精度100nm/s,位移分辨率《10nm，扫描频率》200hz；控制系统16，包含系统各组件所需直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡、同步时钟和装载了相关控制软件的电脑。气浮光学隔振平台17，3000mm*1500mm*800mm,固有频率《1.5hz。
29.基于以上的制作参数，将紫外激光波长和光纤有效折射率代入公式（5）后，所得光纤光栅布拉格波长与干涉光束汇聚角的粗调关系如图4所示。可以看到在汇聚角从9
°
增加到20
°
的过程中，生成的光纤光栅布拉格波长可以在1000nm至2200nm之间连续大范围调谐。
30.然后，假定光纤移动速度设为100μm/s，联立公式（6）和公式（5），所得光纤光栅布拉格波长与干涉光束调频频率差值的微调关系如图5所示。与由调节干涉光束汇聚角实现的粗调不同，通过小幅度的调节两束衍射光的频率差值，就能在指定波段实现对光纤光栅的布拉格波长精确到1nm级别的微调。
31.如图3所示，具体的相移光纤光栅的制作步骤为：s1，准备工作：按照图1所示搭建制作系统，根据紫外激光的波长和均匀相位掩模
版的周期用式（1）计算得到
±
1级衍射光的发散角，然后根据需要制作的光纤光栅的布拉格波长和所用光纤的有效折射率用式（5）计算得到相干光束的汇聚角，最后结合式（2）和式（3），代入所用聚焦透镜焦距计算得出聚焦透镜与均匀相位掩模版和光纤的间距。根据该间距值调整聚焦透镜，均匀相位掩模版和光纤的距离。调节准直激光光路，安装均匀相位掩模版和光纤，确保干涉光束形成的条纹能准确的汇聚在光纤纤芯处。
32.s2，启动系统：开启系统各组件电源充分热机，设定激光器相关参数，然后打开控制系统，操纵扫描位移平台使干涉条纹在光纤上的位置到达光栅栅区起始点，之后根据预设的汇聚角度结合式（4）和式（6）计算和设定扫描速度、
±
1级衍射光频移量、相移跳变量和相移跳变时间点，确保经过频率调制的干涉条纹能在预设扫描速度下制作出具备所需的布拉格波长的光纤光栅。启动激光干涉仪，记录位移平台初始位置。
33.s3，扫描曝光：启动紫外激光器，启动位移平台，按照预设参数开始扫描曝光，并根据激光干涉仪所测得的位移数据，通过综合控制系统自动实时修正平台位移速度和
±
1级衍射光频移量，确保干涉条纹能和光纤保持同步运动，直到扫描行程达到预设的相移位置。
34.s4，生成相移：根据预设的相移量和记录的积累位移误差计算出动态反馈相移，使第一和第二声光调制器在相应的第一和第二声光驱动模块控制下在频率调制中引入一个经过动态反馈相移修正的跳变量δω，从而在制作出的光纤光栅的预定相移位置上引入一个周期不同的折射率突变，形成相移光纤光栅。
35.s5，扫描曝光：重新开始扫描曝光，恢复频移量以匹配光纤移动速度，直到完成整个光纤光栅制作流程。其相移光纤光栅透射光谱图如图6所示。
36.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。