一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾装置及方法与流程

本发明属于光纤光栅制作，具体涉及一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾装置及方法。

背景技术：

1、光纤光栅是在光纤中引入周期性折射率调制结构而制成的光无源器件，在光纤通信、光纤传感、光纤激光器中具有广泛的应用。目前市场上的光纤光栅主要通过紫外激光进行刻写，然而紫外激光刻写的光纤光栅热稳定性差，在高温环境中易被擦除，且对于光敏性较差的光纤需要载氢预处理，此外，在刻写过程中还需要去除光纤表面涂覆层，降低了光纤自身的强度，不适合大规模、高温等应用环境。

2、通过飞秒激光刻写的光纤光栅，不需要额外的载氢工艺，在光敏性较差的光纤上也能刻写出高反射率的光纤光栅，光折射率调制深度大，刻写效率高，热稳定性强，适用于高温极端环境中，且不仅限于纤芯位置的刻写，刻写方式更为灵活。常用的飞秒刻写方式有两种：相位掩模板法和直写法。相位掩模板法光纤光栅刻写技术，对于光源的相干性要求较低，且稳定性和重复性好、加工效率高、损耗低，适合于批量化生产。直写法可以灵活控制刻写光栅的周期、长度、折射率调制度分布，相对于相位掩模板法，飞秒激光直写法更容易实现免剥除涂覆层加工，有效保持光纤的强度和物理完整性，但对于加工平台的稳定性和精度要求较高，且制备的光栅容易在短波长处产生较强的永久性损耗，当用于激光器中时高功率下容易产生光学损伤。但无论采用相位掩模板法还是直写法，光纤光栅的反射谱中会存在较多的旁瓣，这些旁瓣源于光栅两端的f-p效应，为了减小这种效应，可以在光纤上刻写折射率调制深度沿光栅刻写方向呈特殊切趾分布函数的光栅，常见的切趾函数有高斯切趾函数、汉宁切趾函数、平顶切趾函数等。

3、在光纤上刻写折射率调制深度沿光栅刻写方向呈切趾分布函数光栅的方法有很多，如通过具有切趾分布形状的变迹板扫描刻写，或通过改变聚焦在光纤上的能量进行刻写等。但这些方法应用在飞秒激光刻写中都具有一定的弊端：

4、如通过改变聚焦在光纤上的能量实现折射率调制深度呈切趾分布，这意味着在栅区两端的能量要显著低于中心区域的能量，这种方法在紫外刻写光纤光栅中适用，但对于飞秒激光刻写光纤光栅，若刻写的能量太低，将显著影响折射率调制深度，若刻写的能量太高，刻写的栅区条纹形态也会发生显著变化，会带来额外的损耗。

5、如通过切趾分布形状的变迹板实现折射率调制深度呈切趾分布，为了更好地实现变迹板的作用，变迹板只能放置在掩模板与光纤之间，而采用飞秒激光相位掩模板法刻写时掩模板与光纤之间只有几毫米，对于实际的安装和操作难度较大。

6、最好的方法是保持照射光斑的能量不变，控制光斑在不同位置的移动速度，移动速度快，折射率调制深度小，移动速度慢，折射率调制深度大，在提高折射率调制深度的同时减小由于光栅条纹形态的不均匀性引起的额外损耗，这对于关注损耗方面的应用具有重要作用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾装置及方法，该装置结构简单、稳定性好、调节过程方便、适用范围广，可以快捷高效地完成切趾光纤光栅的制作；该方法实施过程简单，能在实现刻写高折射率调制深度的光纤光栅的同时，有效降低栅区条纹不均匀带来的损耗。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾装置，包括相位掩模板、三轴位移平台、立式支架、聚焦柱透镜、一维位移平台、相位掩模板夹具和光纤夹具；

3、所述三轴位移平台包括三轴位移台控制器、上位机、沿光纤轴线方向移动的x轴平移电动位移台、沿光纤水平径向移动的y轴平移电动位移台、沿光纤竖直径向移动的z轴升降电动位移台；所述x轴平移电动位移台、y轴平移电动位移台和z轴升降电动位移台由下向上依次排布；

4、所述上位机与三轴位移台控制器连接，用于向三轴位移台控制器发送控制信号；所述三轴位移台控制器分别与x轴平移电动位移台、y轴平移电动位移台和z轴升降电动位移台连接，用于根据所接收到的控制信号控制对应位移台的动作；

5、所述立式支架竖向地设置，其下端固定连接在x轴平移电动位移台上；

6、所述聚焦柱透镜固定支设在立式支架上端的前侧，其曲面位于背离立式支架的一侧；

7、一维位移平台安装在立式支架上端的后侧，用于实现前后方向位移的调整；

8、所述相位掩模板夹具安装在一维位移平台上；

9、所述相位掩模板设置在聚焦柱透镜的后侧，且装夹在相位掩模板夹具中；

10、一对光纤夹具位于相位掩模板的后侧，一对光纤夹具的下支撑端固定连接在z轴升降电动位移台上，一对光纤夹具的夹持端相对地分布于相位掩模板的左右两侧。

11、作为一种优选，所述一维位移平台为一维手动位移台。

12、作为一种优选，所述上位机为计算机。

13、本发明中，通过上位机的设置，并使其与三轴位移台控制器连接，可以方便操作人员在上位机中设置x\y\z三个方向上的位移台移动的起点、终点和移动速度，同时，上位机能根据所接收到的数据自动化地生成对应的控制信号，并传输至三轴位移台控制器中；通过三轴位移台控制器的设置，可以便于根据所接收的控制信号控制对应位移台的动作，进而能自动化地实现x\y\z三个方向上位移的调整，同时，三轴位移台控制器还能同时控制x\y\z三个方向上位移的调整。使相位掩模板夹具安装在一维位移平台上，并使一维位移平台连接在立式支架上，可以通过对一维位移平台的操作来便捷地调整相位掩模板夹具相对于立式支架的距离，这样，当相位掩模板装夹于相位掩模板夹具上时，通过操作一维位移平台便可以方便地调整相位掩模板相对于聚焦柱透镜之间的距离。使一对光纤夹具安装在z轴升降电动位移台上，并使z轴升降电动位移台位于x轴平移电动位移台上方，这样，仅通过控制x轴平移电动位移台进行x方向的移动，便可以同步带动相位掩模板和待刻写的光纤同步动作，由此，便可以快捷高效地利用飞秒激光完成切趾光纤光栅的制作。该装置结构简单、稳定性好、调节过程方便，可以快捷高效地完成切趾光纤光栅的制作。另外，该切趾装置不仅限于光纤轴向方向的切趾操作，配合y轴平移电动位移台或z轴升降电动位移台的移动，还可以完成更加复杂结构的切趾操作，适用范围更广。

14、本发明还提供了一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾方法，采用一种实现基于飞秒激光刻写低损耗光栅的切趾装置，包括以下步骤：

15、步骤一：使聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤依次排列在飞秒激光的刻写光路中；

16、s11：将待刻写的光纤装夹到一对光纤夹具的夹持端；

17、s12：利用上位机向三轴位移台控制器发出控制信号a和控制信号b，三轴位移台控制器在接收到控制信号a后控制x轴平移电动位移台沿x方向移动，使聚焦柱透镜横移到飞秒激光刻写光路中；三轴位移台控制器在接收到控制信号b后控制y轴平移电动位移台沿y方向移动，控制z轴升降电动位移台沿z方向移动，使装夹的光纤移动到飞秒激光刻写光路中，并确保经过聚焦柱透镜后的飞秒激光聚焦在光纤上；将相位掩模板装夹到相位掩模板夹具中，并调节装夹位置，使相位掩模板位于飞秒激光刻写光路中；

18、s13：利用一维位移平台调节相位掩模板夹具在前后方向上的位置，确保通过相位掩模板产生的两束一级衍射光交叉区域位于光纤上；

19、步骤二：确定刻写时单脉冲能量qset和光纤的基础移动速度vset；。

20、s21：启动飞秒激光，使飞秒激光垂直入射到聚焦柱透镜中央，并透过相位掩模板聚焦在光纤上，保持飞秒激光出光脉冲频率不变，逐渐提高飞秒激光单脉冲能量，使光斑聚焦在光纤的纤芯和包层交界面位置出现明显的蓝紫色荧光，进一步提高单脉冲能量，使聚焦位置中央区域由蓝紫色荧光变为白色荧光，将此时单脉冲能量q设置为初始刻写能量；

21、s22：在初始刻写能量照射条件下，通过三轴位移台控制器控制x轴平移电动位移台以恒定速度v沿x方向移动，以同步带动相位掩模板和光纤进行x方向的移动，若出现白色荧光断点，则降低x轴平移电动位移台的移动速度，或者提高飞秒激光单脉冲能量至白色荧光断点不再出现，同时，确保所刻写的光纤光栅满足对应带宽和反射率的要求，如此反复调整刻写能量和x轴平移电动位移台的移动速度，直至刻写的光纤光栅满足带宽和反射率要求，且刻写移动过程中白色荧光均匀出现、无断点，将此时的单脉冲能量qset设置为最终刻写能量，对应的x轴平移电动位移台移动速度为光纤的基础移动速度vset；

22、步骤三：设定第一次扫描刻写移动速度，进行第一次切趾作业；

23、s31：根据切趾需求的不同，以光纤光栅中心为原点，确定归一化切趾函数f(x)，并根据公式(1)确定第一次扫描刻写移动速度v1；

24、s32：将飞秒激光单脉冲能量设定为qset，将x轴平移电动位移台移动到光纤光栅刻写的起始位置；在飞秒激光开启的同时控制x轴平移电动位移台以v1速度开始移动，利用经过聚焦柱透镜，并透过相位掩模板所形成的两束一级衍射光的交叉部分对移动的光纤进行刻写作业，在行程结束的同时关闭飞秒激光，完成第一次切趾作业；

25、v1＝vset[1-af(x)] (1)；

26、式中，-l/2≤x≤l/2，l为光纤光栅的长度，a为速度调节系数，0<a<1，用于修正切趾效果；

27、步骤四：设定第二次扫描刻写移动速度，进行第二次切趾作业；

28、s41：根据公式(2)确定第二次扫描刻写移动速度v2；

29、s42：保持飞秒激光单脉冲能量设定值qset不变，移开相位掩模板，将x轴平移电动位移台移动到光纤光栅刻写的起始位置；在飞秒激光开启的同时控制x轴平移电动位移台以v2速度开始移动，利用经过聚焦柱透镜聚焦的飞秒激光进行刻写作业，在行程结束的同时关闭飞秒激光，完成第二次切趾作业；

30、v2＝ avsetf(x) (2)。

31、作为一种优选，在步骤三中的s32中，当需要实现倾斜栅区的切趾作业时，或者需要实现更加复杂结构的切趾作业时，在控制x轴平移电动位移台的同时，同步控制y轴平移电动位移台及z轴升降电动位移台产生不同的位移量。

32、作为一种优选，在步骤四中的s42中，当需要实现倾斜栅区的切趾作业时，或者需要实现更加复杂结构的切趾作业时，在控制x轴平移电动位移台的同时，同步控制y轴平移电动位移台及z轴升降电动位移台产生不同的位移量。

33、作为一种优选，飞秒激光的波长为800nm。

34、飞秒激光刻写时单脉冲能量的选择，对于刻写效果至关重要，能量太小无法达到想要的折射率调制深度，无法出现白色荧光，能量太高，刻写出的条纹形态显著变化，折射率调制深度分布不均匀，会带来额外的损耗。光纤的基础移动速度则是与刻写时单脉冲能量相辅相成的，当选定好刻写时的单脉冲能量后，光纤的基础移动速度不能太快，导致照射在光纤上的能量密度低于光栅条纹形成的阈值，导致折射率调制深度不足，最显著的表现是白色荧光中间会出现断点。本发明通过选择合适的单脉冲能量，能使刻写的栅区条纹形态更为清晰，并能确保单个栅区条纹各个部分折射率调制深度分布更加均匀，实现了光栅的低损耗刻写，同时这种清晰的栅区条纹也有利于后续切趾的进行；同时，本发明根据切趾需求的不同，选择不同的归一化切趾函数，进一步计算出相位掩模板及光纤的同步移动速度，再控制对应的位移平台进行移动，以使相位掩模板和光纤在x轴方向同步移动，即可完成第一次切趾作业，对于不同的切趾函数，可以获得不同的光纤移动速度，进而可利用飞秒激光照射在光纤上不同点移动速度的不同，得到不同折射率调制深度的分布。在第一次切趾作业后，移开相位掩模板，选择相同的单脉冲能量，根据之前的切趾函数，计算并控制相位掩模板后光纤的移动速度，实现第二次切趾作业，通过进行第二子切趾作业有效减小了第一次切趾带来的折射率直流调制不均匀的影响，由此，通过两次切趾作业完成了切趾光纤光栅的制作。

35、该方法可以适用于基于不同种切趾函数制作的切趾光纤光栅的制作，不需要添加额外的光阑移动装置或变迹板移动装置，也不需要在刻写过程中频繁地改变光斑能量，其一方面简化了光路，另一方面很好的适应了飞秒激光刻写光纤光栅的特点，本方法实施过程简单，仅通过相位掩模板和光纤的同步移动距离便能实现不同长度的光纤光栅的刻写，同时在相同入射能量条件下，通过相位掩模板和光纤的同步移动速度实现沿栅区方向不同的调制深度，实现刻写高折射率调制深度的光纤光栅的同时，降低了栅区条纹不均匀带来的损耗。另外，该方法不仅限于光纤轴向方向的切趾操作，配合y轴平移电动位移台或z轴升降电动位移台的移动，可以完成更加复杂结构的切趾操作，适用范围更广。本方法中合适单脉冲能量的选择和采用光纤移动速度控制曝光量的方式，对于采用飞秒激光刻写获得低损耗光纤光栅具有重要作用，同时采用飞秒激光相位掩模板刻写，能极大的提高刻写效率。