專利名稱：變占空比的取樣光纖光柵及其切趾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
變占空比的取樣光纖光柵及其切趾方法屬于光纖光柵，尤其是取樣光纖光柵領(lǐng)域。
因此，本發(fā)明提出的變占空比的取樣光纖光柵既有其必要性也是可行的。
本發(fā)明提出的變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于它是一種占空比是變化的而且其變化與切趾函數(shù)相同的取樣光纖光柵。它也可以是一種定光柵強(qiáng)度、變占空比的取樣光纖光柵。它也可以是一種定光柵強(qiáng)度但光柵兩端是變占空比而中間是等占空比的取樣光纖光柵。它更可以是一種變?nèi)又芷谇易冋伎毡鹊娜庸饫w光柵。
本發(fā)明提出的變占空比的取樣光纖光柵的切趾方法，其特征在于它是使取樣模板上占空比的變化與切趾函數(shù)相同以制作變占空比的取樣光纖光柵的一種方法，其依次含有以下步驟(1)在線切割最小線寬為0.1mm的條件下用高精度線切割機(jī)以慢走絲線切割的方式制作占空比漸變方式服從規(guī)定的切趾函數(shù)的金屬取樣模板；(2)使紫外光經(jīng)平移臺(tái)上的反射鏡后依次入射到取樣模板、相位模板和光纖上，調(diào)整相位模板和光纖間的距離，使光柵兩端的取樣率接近于零；(3)使平移臺(tái)帶動(dòng)反射鏡勻速移動(dòng)，光束便勻速地掃過取樣模板和相位模板，在狹縫處，紫外光入射到光纖上曝光，從而形成光柵的取樣結(jié)構(gòu)；(4)重復(fù)多次步驟(3)的掃描動(dòng)作，以獲得足夠的折射率調(diào)制深度。
本發(fā)明提出的變占空比的取樣光纖光柵的切趾方法，其特征在于，其依次含有以下步驟(1)調(diào)整光闌的寬度，使光闌只透過光束中相干性好的部分；(2)調(diào)整光路，使紫外光經(jīng)過由計(jì)算機(jī)控制的快門、反射鏡反射后依次正面入射到由計(jì)算機(jī)控制的光闌、相位模板和光纖上，調(diào)整相位模板和光纖間的距離，使光柵兩端的取樣率接近于零；(3)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)程序，使平移臺(tái)帶著反射鏡作勻速運(yùn)動(dòng)；(4)計(jì)算機(jī)計(jì)算某個(gè)位置的曝光時(shí)間，一旦平移臺(tái)上的反射鏡到達(dá)需曝光的該位置，計(jì)算機(jī)便調(diào)整光闌寬度及角度，然后打開快門，使紫外光在設(shè)定的曝光時(shí)間內(nèi)透過光闌狹縫，入射到光纖上，曝光形成光纖光柵；曝光結(jié)束，在其它位置關(guān)閉快門；(5)計(jì)算機(jī)計(jì)算下一個(gè)取樣周期開始的時(shí)間，開始延時(shí)，平移臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，一直到下一個(gè)需要曝光的位置，根據(jù)計(jì)算出的下一個(gè)位置的曝光時(shí)間，重復(fù)以上步驟；
(6)當(dāng)取樣計(jì)數(shù)到規(guī)定的次數(shù)便結(jié)束。
使用證明它可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。
圖2.本發(fā)明提出的定強(qiáng)度、變占空比的取樣光纖光柵。
圖3.其它方法獲得的定占空比、變強(qiáng)度的取樣光纖光柵。
圖4.本發(fā)明提出的用金屬取樣模板制作變占空比取樣光纖光柵的實(shí)驗(yàn)裝置。
圖5.由相位模板與光纖間的間距來改變占空比的原理圖。
圖6.本發(fā)明提出的用快門制作變占空比取樣光纖光柵的實(shí)驗(yàn)裝置。
圖7.用計(jì)算機(jī)控制快門曝光的電路原理框圖。
圖8.用計(jì)算機(jī)控制光闌寬度與角度的電路原理框圖。
圖9.用計(jì)算機(jī)控制光闌動(dòng)作與快門曝光的程序流程圖。


圖10.本發(fā)明得到的取樣光纖光柵的反射譜和時(shí)延譜的時(shí)延曲線圖。
圖11.計(jì)算機(jī)仿真得到的用其它切趾方法制作的取樣光纖光柵的反射譜和時(shí)延譜。
2，用圖4的實(shí)驗(yàn)裝置，使紫外光經(jīng)反射鏡反射后依次入射到取樣模板、相位模板和光纖上。其中1是紫外反射鏡，由計(jì)算機(jī)控制的平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)。2是紫外光束。3是相干區(qū)域。4是光纖。6是相位模板。7是取樣模板。51是可以寫入光柵的位置。52是不寫入光柵的位置。光纖4在相干區(qū)域3的三角形區(qū)域內(nèi)曝光可以寫入光柵，在其它區(qū)域只引起平均折射率的提高，而不寫入光柵。反射鏡1放在平移臺(tái)上，由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)。調(diào)整光路，使光束正好入射到取樣模板7、相位模板6上。用手柄搖動(dòng)去驅(qū)動(dòng)精度為10微米的平移臺(tái)，調(diào)整相位模板6和光纖4之間的距離，用位置51和52表示，觀察其反射譜，觀察其光柵兩端的取樣率是否接近于零，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出對(duì)于0.15mm的最小狹縫寬度，這個(gè)距離為0.33mm。用相位模板6和光纖4的間距來改變占空比的原理圖如圖5所示。8是光束寬度DB，9為衍射角θ，10為光纖寫入位置Hc，11是-1級(jí)衍射光，12是+1級(jí)衍射光。其中HC＝DB/2tgθ，這是寫入光柵的最遠(yuǎn)位置。對(duì)本發(fā)明使用的氬離子倍頻激光器，λ＝244nm，θ＝13.15°，設(shè)DB≈0.15mm，則HC＝0.33mm。
3，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)程序，使平移臺(tái)帶動(dòng)反射鏡1勻速移動(dòng)，光束便勻速地掃過取樣模板7和相位模板6。在狹縫處，紫外光入射到光纖4上，曝光形成光柵；在其它位置，紫外被相位模板擋住，不能形成光柵，因此形成取樣結(jié)構(gòu)。通常需要反復(fù)掃描才能獲得足夠的折射率調(diào)制深度，在本實(shí)驗(yàn)中共掃描13次。實(shí)驗(yàn)得到的反射譜和時(shí)延譜見圖9。作為對(duì)比，計(jì)算機(jī)仿真獲得的等強(qiáng)度、等占空比取樣光柵的反射譜和時(shí)延譜示于圖10。仿真所用方法為耦合波理論-傳輸矩陣法。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見已經(jīng)公開的文獻(xiàn)。所有反射譜和時(shí)延譜的橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，單位是nm，反射譜和時(shí)延譜的縱坐標(biāo)分別是dB和ps。
實(shí)施例2用光闌代替取樣模板來制作實(shí)施例1所述的取樣光纖光柵?，F(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)其步驟予以說明(1)調(diào)整光闌14的寬度，使光闌14只透過光束中相干性好的部分。
(2)調(diào)整圖6所示的光路，使紫外光2經(jīng)光闌14、快門13、反射鏡1反射后依次入射到相位模板6和光纖4上。反射鏡放置在平移臺(tái)15上，平移臺(tái)15由計(jì)算機(jī)16驅(qū)動(dòng)。計(jì)算機(jī)控制快門的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，計(jì)算機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡17、光電開關(guān)18、電磁鐵19、鋼片20來打開和關(guān)閉快門13。光電開關(guān)18與驅(qū)動(dòng)電源21相連。計(jì)算機(jī)控制光闌寬度與角度的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，計(jì)算機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡17發(fā)出兩路信號(hào)分別控制平移控制馬達(dá)23和旋轉(zhuǎn)控制馬達(dá)24。平移控制馬達(dá)23控制光闌平移臺(tái)25，調(diào)整光闌鋼片22所組成狹縫的寬度。旋轉(zhuǎn)控制馬達(dá)24控制光闌旋轉(zhuǎn)臺(tái)26，調(diào)整光闌鋼片22與入射光束之間的角度，該裝置是市售的。27是光闌寬度Ds，也可由前級(jí)光闌14手動(dòng)控制。28為光闌傾斜角度θs，則透過光束的寬度為DT＝Dscos(θs)，通過計(jì)算機(jī)控制Ds與θs可以控制最終的透過光束寬度DT。調(diào)整光路，使光束正向入射到相位模板6上。設(shè)置相位模板6和光纖4之間的距離，使光柵連段的取樣率接近于零，對(duì)于0.15mm的最小狹縫寬度，這個(gè)距離為0.33mm。
(3)按圖8所示程序啟動(dòng)計(jì)算機(jī)16，使平移臺(tái)15帶動(dòng)反射鏡1勻速移動(dòng)，反射鏡1的移動(dòng)引起光束2的移動(dòng)，光束2勻速地掃過相位模板6、光闌22，入射到光纖4上，曝光形成光柵。形成取樣結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是快門13的打開與關(guān)閉時(shí)光束2照射到光纖4上的位置。在需要曝光的位置打開快門，曝光形成光柵；在其它位置關(guān)閉快門，不曝光，以此來形成周期性曝光的取樣結(jié)構(gòu)。如果最終透過光闌22的光束寬度為0.15mm，設(shè)定平移臺(tái)的速度為0.25mm/s，如果在某一位置打開快門13，曝光0.2s后關(guān)閉快門，則在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的光柵段長(zhǎng)度為0.15+0.25*0.2＝0.2mm。再過3.92s后再次打開快門13，進(jìn)行下一個(gè)周期的曝光。這時(shí)取樣光柵的周期為1.03mm，則對(duì)應(yīng)曝光0.2s的占空比為0.2mm/1.03mm＝0.194。改變兩次曝光的間隔，可以改變?nèi)又芷?，這可以由計(jì)算機(jī)16來實(shí)現(xiàn)。本例中兩次曝光的時(shí)間間隔是0.2+3.92＝4.12s，對(duì)應(yīng)的取樣周期是1.03mm，如果兩次曝光的時(shí)間間隔是0.2+3.96＝4.16s，則對(duì)應(yīng)的取樣周期是1.04mm。利用這個(gè)技術(shù)，還可以制作變?nèi)又芷诘墓饫w光柵。固定光闌22的寬度與角度，改變每次曝光的時(shí)間，可以改變?cè)撝芷诘恼伎毡?。本例中固定光闌22的寬度與角度分別為0.16mm和20°，則透過的光束寬度為0.15mm。曝光時(shí)間是0.2s，占空比是0.194；如果曝光時(shí)間是0.21s，則占空比是(0.15+0.25*0.21)/1.03＝0.197。占空比的改變采用切趾函數(shù)的形式，本例需要用ms量級(jí)響應(yīng)精度的快門控制。固定每次曝光的時(shí)間，改變每次曝光時(shí)光闌22的寬度與角度，可以改變光束的寬度，并改變占空比。本例中曝光時(shí)間是0.2s，當(dāng)光闌22的寬度與角度分別為0.16mm和20°時(shí)，占空比是0.194；如果光闌22的寬度與角度調(diào)整為0.17mm和20°時(shí)，占空比是0.203；如果光闌22的寬度與角度調(diào)整為0.16mm和21°時(shí)，占空比是0.193。調(diào)整光闌22的寬度，可以得到大的占空比變化范圍，而調(diào)整光闌22的角度，可以得到高的占空比調(diào)整精度。占空比的改變采用切趾函數(shù)的形式，本例需要用10微米和1°量級(jí)精度的光闌寬度和角度的控制。同時(shí)控制快門的曝光時(shí)間與光闌的寬度和角度可以得到更好的靈活性。通常需要反復(fù)掃描才能獲得足夠的折射率調(diào)制深度，本例中共掃描13次。
在圖9中，初始化平移臺(tái)部分包括初始化和設(shè)定平移臺(tái)初始位置。光路設(shè)置完畢，激光器打開后，以0.25mm/s速度驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)，開始掃描，可調(diào)光闌14狹縫寬度設(shè)為0.5mm，電控光闌22的寬度與角度分別為0.16mm和20°，一次掃描長(zhǎng)度108mm，相位模板與光纖間距離設(shè)定為0.33mm。曝光位置間隔1.03mm，則取樣周期也是1.03mm。每個(gè)取樣內(nèi)的曝光時(shí)間符合升余弦切趾函數(shù)的形式。從兩邊的0.2s過渡到中間的0.4s。注意程序中兩次曝光的時(shí)間間隔是固定的，為4.12s，以保證取樣周期的不變。改變曝光間隔，可以用于變?nèi)又芷谇兄汗饫w光柵的制作?？扉T13的打開與關(guān)閉是靠計(jì)算機(jī)16驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡17，給出5V驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器中的光電開關(guān)處于開的狀態(tài)，則電流導(dǎo)通，在電磁鐵19的作用下，吸引鋼片20，使快門13處于打開狀態(tài)。反之，當(dāng)計(jì)算機(jī)16發(fā)出OV驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，快門13處于關(guān)閉狀態(tài)。
由此可見，變占空比的取樣光纖光柵同樣可有效抑制時(shí)延曲線的波紋，而且制作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，對(duì)環(huán)境要求也低。
權(quán)利要求
1.變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于它是一種占空比是變化的，而且其變化與切趾函數(shù)相同的變占空比的取樣光纖光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于它是一種定光柵強(qiáng)度、變占空比的取樣光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于它是一種定光柵強(qiáng)度、但光柵兩端滿足變占空比而中間是等占空比的取樣光纖光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于它是一種變?nèi)又芷谇易冋伎毡鹊娜庸饫w光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的變占空比的取樣光纖光柵，其特征在于所述的切趾函數(shù)是升余弦函數(shù)，其一端滿足的形式是(e0+e1*(1-cos(pi*(i-1)/n1))/2)*p，另一端與之對(duì)稱，其中pi為圓周率，p為取樣周期，e0為模板兩端的占空比，e1為占空比的變化范圍，ni為切趾范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的變占空比的取樣光纖光柵而設(shè)計(jì)的切趾方法，含有使紫外光依次入射到取樣模板、相位模板和光纖上形成干涉區(qū)的步驟，其特征在于它是使取樣模板上占空；比的變化與切趾函數(shù)相同以制作變占空比的取樣光纖光柵的一種方法，其依次含有以下步驟(1)在線切割最小線寬為0.1mm的條件下用高精度線切割機(jī)以慢走絲線切割的方式制作占空比漸變方式服從規(guī)定的切趾函數(shù)的金屬取樣模板；(2)使紫外光經(jīng)平移臺(tái)上的反射鏡后依次入射到取樣模板、相位模板和光纖上，調(diào)整相位模板和光纖間的距離，使光柵兩端的取樣率接近于零；(3)使平移臺(tái)帶動(dòng)反射鏡勻速移動(dòng)，光束便勻速地掃過取樣模板和相位模板，在狹縫處，紫外光入射到光纖上曝光，從而形成光柵的取樣結(jié)構(gòu)；(4)重復(fù)多次步驟(3)的掃描動(dòng)作，以獲得足夠的折射率調(diào)制深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的變占空比的取樣光纖光柵而設(shè)計(jì)的切趾方法，含有使紫外光依次入射到光闌、快門、電控光闌、相位模板、光纖上形成干涉區(qū)的步驟，其特征在于，其依次含有以下步驟(1)調(diào)整光闌的寬度，使光闌只透過光束中相干性好的部分；(2)調(diào)整光路，使紫外光經(jīng)過由計(jì)算機(jī)控制的快門、反射鏡反射后依次正面入射到由計(jì)算機(jī)控制的光闌、相位模板和光纖上，調(diào)整相位模板和光纖間的距離，使光柵兩端的取樣率接近于零；(3)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)程序，使平移臺(tái)帶著反射鏡作勻速運(yùn)動(dòng)；(4)計(jì)算機(jī)計(jì)算某個(gè)位置的曝光時(shí)間，一旦平移臺(tái)上的反射鏡到達(dá)需曝光的該位置，計(jì)算機(jī)便調(diào)整光闌寬度及角度，然后打開快門，使紫外光在設(shè)定的曝光時(shí)間內(nèi)透過光闌狹縫，入射到光纖上，曝光形成光纖光柵；曝光結(jié)束，在其它位置關(guān)閉快門；(5)計(jì)算機(jī)計(jì)算下一個(gè)取樣周期開始的時(shí)間，開始延時(shí)，平移臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，一直到下一個(gè)需要曝光的位置，根據(jù)計(jì)算出的下一個(gè)位置的曝光時(shí)間，重復(fù)以上步驟；(6)當(dāng)取樣計(jì)數(shù)到規(guī)定的次數(shù)便結(jié)束。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的取樣光纖光柵的切趾方法，其特征在于所述的設(shè)置相位模板和光纖間距離，使光柵兩端的取樣率接近于零，對(duì)于0.15mm的光闌狹縫寬度，這個(gè)距離設(shè)置為0.33mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的取樣光纖光柵的切趾方法，其特征在于所述的設(shè)置相位模板和光纖間距離，使光柵兩端的取樣率為零，對(duì)于0.15mm的光闌狹縫寬度，這個(gè)距離設(shè)置為0.33mm。
全文摘要
變占空比的取樣光纖光柵及其切趾方法屬于光纖光柵，尤其是取樣光纖光柵領(lǐng)域。其特征在于它是一種占空比是變化的，而且其變化與切趾函數(shù)相同的變占空比的取樣光纖光柵。它是使紫外光依次入射到取樣模板、相位模板和光纖上，或依次入射到光闌、快門、相位模板和光纖上。調(diào)整相位模板和光纖間的距離，使光柵兩端的取樣率接近于零；再使光束勻速掃過取樣模板或光闌、快門而入射到光纖上曝光形成光柵的周期性取樣結(jié)構(gòu)。當(dāng)用光闌代替取樣模板時(shí)，紫外光是通過由計(jì)算機(jī)控制的快門的打開與關(guān)閉來控制曝光的時(shí)間的?？刂屏藘纱纹毓獾臅r(shí)間間隔，便可以控制取樣周期；控制了曝光時(shí)間，便可以實(shí)現(xiàn)變占空比。因此，可以作出周期可變或周期固定的變占空比取樣光纖光柵。與已知結(jié)構(gòu)及已知方法相比，它同樣可以消除時(shí)延譜的波紋，而且制作簡(jiǎn)易，工作可靠。
文檔編號(hào)G02B6/124GK1458539SQ02117328
公開日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者陳向飛, 殷玉喆, 李栩輝, 王國(guó)忠, 謝世鐘 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 元成科技有限公司