專利名稱：束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖Bragg光柵(FBG)是最近十多年來發(fā)展最為迅速的一種新型的光纖無源器件。1978年，Hill等人首先用氬離子激光器通過駐波法寫出了 FBG。1989年，Meltz等人采用全息干涉法，制出第一支Bragg諧振波長位于通信波段的FBG，推動(dòng)了 FBG的巨大發(fā)展，開創(chuàng)了 FBG應(yīng)用的里程碑。1993年，Hill等人提出用相位掩模板法寫FBG，使FBG的制作技術(shù)得到了極大改進(jìn)和能夠大批量生產(chǎn)。1993年，Malo等人提出了利用準(zhǔn)分子激光逐點(diǎn)刻寫 FBG0
一直以來紫外激光是刻寫FBG最常用的工具，但它有一定的缺陷。首先，F(xiàn)BG高度依賴于光纖纖芯中摻雜的材料性質(zhì)；其次，在高溫工作時(shí)，光柵中的折射率調(diào)制很容易被擦除(一般小于200° C)。近幾年的研究顯示，當(dāng)高強(qiáng)度飛秒激光脈沖作用在介質(zhì)上時(shí)，介質(zhì)材料內(nèi)局部折射率能夠發(fā)生改變。1999年，Yuki等人第一次報(bào)道了利用飛秒激光脈沖通過逐點(diǎn)寫入法制作了長周期光纖光柵。接著利用飛秒激光脈沖制作FBG的方法層出不窮，主要有全息干涉法、相位掩模板法、直接逐點(diǎn)刻寫法。Mihailov等人第一次利用800nm的紅外飛秒激光與特殊的相位掩模板在標(biāo)準(zhǔn)SMF-28通信光纖上制作了高階FBG。對(duì)于800nm飛秒激光，必須制作特殊的相位掩模板，不需要對(duì)光纖進(jìn)行任何增敏，光纖折射率調(diào)制能夠達(dá)到10_3量級(jí)。光柵在高溫下長時(shí)間退火實(shí)驗(yàn)折射率調(diào)制沒有任何變化。隨著入射飛秒脈沖數(shù)的增長，反射率線性增長，折射率調(diào)制沒有飽和。利用光學(xué)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)折射率調(diào)制并沒有局限于纖芯與包層的分界面，而是擴(kuò)展到光纖的整個(gè)纖芯，同時(shí)也能夠觀察到空氣-包層表面的結(jié)構(gòu)調(diào)制，這種大的結(jié)構(gòu)改性在高溫時(shí)非常穩(wěn)定的，不易退化，因此具有較高的熱穩(wěn)定性。并且制作的光柵呈現(xiàn)低的偏振相關(guān)性，光譜質(zhì)量也好，與標(biāo)準(zhǔn)紫外光刻寫的FBG的光譜質(zhì)量差不多。Grobnic等人詳細(xì)地研究了飛秒激光與相位掩模板刻寫的FBG(SMF-28光纖)的熱穩(wěn)定性。經(jīng)過幾百小時(shí)的高溫退火后，F(xiàn)BG仍然很穩(wěn)定，保持了極高的反射率。當(dāng)溫度達(dá)到1050° C或更高時(shí)(硅玻璃的轉(zhuǎn)變溫度為1050° C)，才觀察到光柵中心波長永久漂移，導(dǎo)致波長響應(yīng)滯后效應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)伴隨光柵強(qiáng)度的劇烈減少，光柵折射率調(diào)制被擦除，限制了光柵在1000° C以上的應(yīng)用。Grobnic等人還利用該方法第一次在多模水晶藍(lán)寶石光纖上制作了 FBG，在1500° C高溫應(yīng)用中，沒有發(fā)現(xiàn)FBG的反射率降低，沒有發(fā)現(xiàn)布拉格波長的滯后作用，沒有觀察到光柵強(qiáng)度的退化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在2000° C左右(藍(lán)寶石光纖的熔化溫度為2050° C)光柵仍能正常工作，所以它特別適合于高溫傳感測量。Martinez等人在實(shí)驗(yàn)上第一次采用紅外飛秒激光器在非光敏標(biāo)準(zhǔn)通信光纖和色散位移光纖中直接逐點(diǎn)刻寫了一到三階FBG，刻寫的速度達(dá)到lmm/s。光柵結(jié)構(gòu)被局限在聚焦區(qū)域，由于飛秒激光刻寫光柵的物理機(jī)制包括非線性吸收和多光子電離，因此刻寫的光柵形貌并不是激光光束強(qiáng)度輪廓線的線性再生。用SOOnm飛秒激光能夠產(chǎn)生大小為O. 3 μ m的形貌，超出了衍射極限給出的分辨率，因此飛秒激光加工可以突破光束衍射極限的限制。Martinez等人還第一次利用紅外飛秒激光直接通過光纖的涂覆層(涂覆層不用剝除)逐點(diǎn)刻寫FBG，可增加光柵的機(jī)械強(qiáng)度，使它能夠承受更大的應(yīng)變。但刻寫時(shí)需要的脈沖能量近似為相同裸光纖(除掉涂覆層)的兩倍，以彌補(bǔ)聚合物涂覆層的功率損耗。Kaiming Zhou等人提出用飛秒紅外激光逐線(line-by-line)刻寫光纖光柵。相對(duì)于逐點(diǎn)刻寫，具有低插入損耗(O. 5dB)和低偏振相關(guān)損耗，折射率調(diào)制達(dá)7X 10_3，湮滅溫度達(dá)800° C。張玲等人采用聚焦的紅外飛秒激光對(duì)紫外激光刻寫的I型光纖布拉格光柵分別進(jìn)行了單點(diǎn)和掃描式曝光實(shí)驗(yàn)，研究了飛秒激光脈沖能量遠(yuǎn)低于光纖的損傷閾值情況下， 脈沖激光對(duì)光柵光譜的影響。朱學(xué)華等人采用800nm鈦寶石飛秒激光器，在Hi 1060光纖內(nèi)寫入一支8mm長的布拉格光柵，光纖光柵的周期為2. 9 μ m,這是中心波長為1042nm的8階光纖布拉格光柵。國內(nèi)的華中科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)也對(duì)紅外飛秒激光刻寫FBG作了很多研究。由上面綜述，紅外飛秒激光逐點(diǎn)刻寫FBG具有的優(yōu)點(diǎn)有(I)使用普通光纖，不需要對(duì)光纖進(jìn)行任何增敏；(2)耐高溫，1000° C左右能穩(wěn)定地工作，能夠構(gòu)造高溫傳感器；
(3)光柵的折射率調(diào)制比紫外光刻寫的要大很多，能達(dá)10_3;(4)短脈沖只需要較少的能量就能夠達(dá)到產(chǎn)生光分解所需要的強(qiáng)度，導(dǎo)致更精確的材料切除或材料改性。但是，現(xiàn)有的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵技術(shù)只能刻寫長周期光纖光柵或高階光纖光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，能將光束精確地聚焦到光纖芯部，使其光斑尺寸沿光纖軸向變小。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，其特征在于，包括飛秒激光器和光纖，飛秒激光器的激光束輸出路徑上依次設(shè)置有快門、偏振分光棱鏡和分光鏡，分光鏡的一路輸出光束進(jìn)入光功率計(jì)，分光鏡的另一路輸出光束依次經(jīng)過反射鏡、柱透鏡和物鏡后垂直照射在光纖上，光纖安裝在可三維移動(dòng)的夾持裝置上，夾持裝置上連接有用以控制其運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸入端連接有微機(jī)。光纖上還連接有ASE光源和光譜儀。夾持裝置包括二維移動(dòng)平臺(tái)，二維移動(dòng)平臺(tái)上安裝有兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)，光纖被夾持安裝在兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)上，二維移動(dòng)平臺(tái)和兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)均與控制系統(tǒng)相連接。夾持裝置上設(shè)置有用于監(jiān)視光纖刻寫位置的顯微鏡。本發(fā)明的有益效果是采用柱透鏡和物鏡組合聚焦，而不是只用物鏡聚焦，使得光纖纖芯內(nèi)的束斑得到了優(yōu)化。因此，本發(fā)明通過束斑優(yōu)化，就可以刻寫低階光纖光柵。


圖I是本發(fā)明束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的光纖內(nèi)束斑狀態(tài)示意圖，其中，圖a為x-z方向平面圖，圖b為y-z方向平面圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的光纖內(nèi)束斑尺寸示意圖。圖4是本發(fā)明的光纖內(nèi)束斑狀態(tài)示意圖，其中，圖a為x-z方向平面圖，圖b為y-z方向平面圖。
圖5是本發(fā)明的光纖內(nèi)束斑尺寸示意圖。其中，1.飛秒激光器,2.快門，3.偏振分光棱鏡,4.分光鏡,5.光功率計(jì),6.反射鏡，7.柱透鏡，8.物鏡，9.光纖，9-1.包層，9-2.纖芯，10.夾持裝置，11. ASE光源，12.光譜儀，13.顯微鏡，14.控制系統(tǒng)，15.計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式飛秒逐點(diǎn)刻寫法是將一定強(qiáng)度的飛秒激光脈沖聚焦到光纖纖芯內(nèi)，光纖沿軸向以一定速度平移，在纖芯內(nèi)形成一系列沿光纖軸分布的周期性微爆區(qū)域，由于飛秒激光與介質(zhì)的相互作用改變了該區(qū)域內(nèi)的折射率，從而形成FBG。逐點(diǎn)法刻寫的參數(shù)主要有平移臺(tái)移動(dòng)速度和所用飛秒激光的能量，其中激光能量是能夠在光纖纖芯中形成永久折射率調(diào)制所需的單脈沖能量。實(shí)施例I如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)采用一個(gè)物鏡8實(shí)現(xiàn)激光束的聚焦。由于光纖9為圓柱形，可看成棒透鏡，由此在光纖9的軸方向(X方向)滿足Snell定律，孔徑半角和光纖側(cè)面的折射角滿足
權(quán)利要求
1.一種束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，其特征在于，包括飛秒激光器(I)和光纖(9)，所述飛秒激光器(I)的激光束輸出路徑上依次設(shè)置有快門(2)、偏振分光棱鏡(3 )和分光鏡(4 ),所述分光鏡(4 )的一路輸出光束進(jìn)入光功率計(jì)(5 ),所述分光鏡(4)的另一路輸出光束依次經(jīng)過反射鏡(6 )、柱透鏡(7 )和物鏡(8 )后垂直照射在光纖(9 )上，所述光纖(9 )安裝在可三維移動(dòng)的夾持裝置(10 )上，所述夾持裝置(10 )上連接有用以控制其運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)(14)，所述控制系統(tǒng)(14)的輸入端連接有微機(jī)(15)。
2.按照權(quán)利要求I所述的束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖(9 )上還連接有ASE光源(11)和光譜儀(12)。
3.按照權(quán)利要求I所述的束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述夾持裝置(10)包括二維移動(dòng)平臺(tái)，所述二維移動(dòng)平臺(tái)上安裝有兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)，所述光纖(9)被夾持安裝在兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)上，所述二維移動(dòng)平臺(tái)和兩個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)均與控制系統(tǒng)相連接。
4.按照權(quán)利要求I所述的束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述夾持裝置(10)上設(shè)置有用于監(jiān)視光纖(9)刻寫位置的顯微鏡(13)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種束斑優(yōu)化聚焦的飛秒紅外激光逐點(diǎn)刻寫光纖光柵系統(tǒng)，包括飛秒激光器和光纖，飛秒激光器的激光束輸出路徑上依次設(shè)置有快門、偏振分光棱鏡和分光鏡，分光鏡的一路輸出光束進(jìn)入光功率計(jì)，分光鏡的另一路輸出光束依次經(jīng)過反射鏡、柱透鏡和物鏡后垂直照射在光纖上，光纖安裝在可三維移動(dòng)的夾持裝置上，夾持裝置上連接有用以控制其運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸入端連接有微機(jī)。本發(fā)明能將光束精確地聚焦到光纖芯部，使其光斑尺寸沿光纖軸向變小。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102778713SQ20121025553
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者華燈鑫, 步麗娜, 汪麗, 胡遼林 申請人:西安理工大學(xué)