利用飛秒激光泰伯效應(yīng)制備長周期光纖光柵的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖光柵的制作領(lǐng)域，特別是一種利用飛秒激光泰伯效應(yīng)制備長周期光纖光柵的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵由于具有易于微型化和集成化、易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)傳感測量、耐腐蝕、抗電磁干擾、可分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最具有發(fā)展前景、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。長周期光纖光柵是近十幾年才出現(xiàn)的一種新型的光纖光柵，現(xiàn)已在光纖通信和光纖傳感等方面發(fā)揮越來越重要的作用。傳統(tǒng)的利用紫外激光制備的長周期光纖光柵溫度穩(wěn)定性較差，特別在高溫條件下可能會(huì)導(dǎo)致光纖的光柵特性的完全消失，不能在高溫條件下使用。由于飛秒激光具有超快時(shí)間特性和超高峰值功率特性，在與材料相互作用時(shí)它能快速，準(zhǔn)確地將能量作用在某特定的區(qū)域內(nèi)，引起了材料結(jié)構(gòu)的永久損傷，實(shí)現(xiàn)對材料折射率的調(diào)制。利用飛秒激光制備的長周期光纖光柵不存在溫度穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。利用飛秒激光制備長周期光纖光柵的方法大致分為兩種，一種方法是利用飛秒激光直寫技術(shù)加工長周期光纖光柵，如作者為 Y.Kondo> K.Nouchi> T.Mitsuyu、M.Watanabe> P.G.Kazansky和 K.Hirao、文獻(xiàn)名稱為〃Fabricat1n of long-per1d fiber gratings by focusedirradiat1n of infrared femtosecond laser pulses" (Optics Letters, Vol.24, N0.10, pp646-648, 1999)的文獻(xiàn)中記載了這種方法，該方法通過聚焦飛秒激光光束，在固定飛秒激光焦點(diǎn)不動(dòng)的情況下，利用計(jì)算機(jī)編程控制待加工光纖移動(dòng)，從而制備長周期光纖光柵。此方法雖然靈活，但該方法非常耗時(shí)，而使用飛秒激光光源的成本十分昂貴，因此這種方法不利于批量生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用。另一種方法利用了飛秒激光照射振幅掩模板(參見文獻(xiàn)〃Femtosecond UV long-per1d fibre grating fabricat1n with amplitudemask technique〃0ptics Communicat1ns, Vol.284, N0.24, pp5650-5654, 2011,作者為B.J.0’ Regan和D.N.Nikogosyan)，即利用掩模板周期性遮擋入射飛秒激光福照區(qū)域，實(shí)現(xiàn)長周期光纖光柵的制備。但該方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，飛秒激光照射振幅掩模板時(shí)，部分飛秒激光能量被掩膜板遮擋住，飛秒激光的利用效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出一種利用飛秒激光泰伯效應(yīng)制備長周期光纖光柵的裝置和方法。本發(fā)明基于泰伯陣列照明器原理，利用飛秒激光照射一維純位相光柵，在光柵后面預(yù)定分?jǐn)?shù)泰伯距離處實(shí)現(xiàn)陣列照明，形成穩(wěn)定的明暗相間光強(qiáng)分布，經(jīng)柱面透鏡線聚焦輻照在待加工光纖上，待加工光纖與飛秒激光相互作用發(fā)生非線性吸收實(shí)現(xiàn)對材料折射率的調(diào)制，從而制備長周期光纖光柵。本發(fā)明是利用純位相二階光柵分?jǐn)?shù)泰伯效應(yīng)獲得明暗相間光強(qiáng)分布，該過程衍射效率為100 %，克服了現(xiàn)有技術(shù)飛秒激光能量利用率不高的缺點(diǎn)；同時(shí)，本發(fā)明在制備長周期光纖光柵時(shí)一次性完成曝光，相比利用飛秒激光直寫技術(shù)加工長周期光纖光柵的技術(shù)大大縮減了加工時(shí)間，降低了制作成本。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0005]—種利用飛秒激光泰伯效應(yīng)制備長周期光纖光柵的裝置，包括飛秒激光光源、第一準(zhǔn)直光闌、第二準(zhǔn)直光闌、消色差二分之一波片、偏振分光棱鏡、快門、反射鏡、第一凸透鏡、第二凸透鏡、柱面透鏡、第一精密移動(dòng)平臺(tái)、位相光柵、第二精密移動(dòng)平臺(tái)、待加工光纖、電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)、寬帶光源、光譜儀、計(jì)算機(jī)；其特征在于飛秒激光光源位于第一準(zhǔn)直光闌之前，第一準(zhǔn)直光闌之后順序放置第二準(zhǔn)直光闌、消色差二分之一波片、偏振分光棱鏡、快門和反射鏡，反射鏡與光路呈45度角放置，反射鏡后面依次放置第一凸透鏡、第二凸透鏡、柱面透鏡和位相光柵，待加工光纖置于位相光柵之后；柱面透鏡和位相光柵分別固定在第一精密移動(dòng)平臺(tái)和第二精密移動(dòng)平臺(tái)上，待加工光纖固定在電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)上，其一端通過尾纖連接到寬帶光源，另一端通過尾纖連接到光譜儀上；電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)相連接，通過計(jì)算機(jī)可對電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)連同待加工光纖進(jìn)行三維精密移動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0006]所述的飛秒激光光源是由振蕩級(jí)、放大級(jí)組成的重復(fù)頻率為ΙΚΗζ、中心波長為SOOnm的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)。
[0007]所述的第一準(zhǔn)直光闌、第二準(zhǔn)直光闌為圓形孔徑、直徑可調(diào)式光闌。
[0008]所述的消色差二分之一波片與所述的偏振分光棱鏡構(gòu)成激光功率連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)飛秒激光光束功率的連續(xù)改變。
[0009]所述的快門是用來控制飛秒激光的輻照時(shí)間。
[0010]所述的反射鏡是指其反射波長范圍為覆蓋飛秒激光光源波長的寬帶介質(zhì)膜高反射鏡。
[0011]所述的第一凸透鏡、第二凸透鏡構(gòu)成擴(kuò)束系統(tǒng)用來擴(kuò)大光束直徑。
[0012]所述柱面透鏡為平凸柱面透鏡。
[0013]所述的位相光柵為能在預(yù)定分?jǐn)?shù)泰伯距離處實(shí)現(xiàn)泰伯照明的一維純位相光柵。
[0014]所述的待加工光纖為去除涂覆層的石英光纖。
[0015]所述的寬帶光源通過尾纖與待加工光纖和所述的光譜儀相連構(gòu)成長周期光纖光柵加工過程中的實(shí)時(shí)透射光譜監(jiān)測系統(tǒng)。寬帶光源波長范圍為800-2000nm，光譜儀測量范圍為 1200-1700nm。
[0016]一種利用上述裝置制備長周期光纖光柵的方法，步驟如下:
[0017](I)將上述裝置中各光學(xué)器件按光路順序搭建光路；
[0018](2)開啟飛秒激光光源，調(diào)節(jié)飛秒激光光源放大級(jí)泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快軸方位，用光功率計(jì)測量飛秒激光功率，使從偏振分光棱鏡出射的飛秒激光功率為1.0暈瓦；
[0019](3)打開快門，利用第一準(zhǔn)直光闌和第二準(zhǔn)直光闌調(diào)整光路中各光學(xué)器件位置，使飛秒激光通過消色差二分之一波片、偏振分光棱鏡、快門、反射鏡、第一凸透鏡、第二凸透鏡、柱面透鏡和位相光柵到達(dá)待加工光纖處，其中飛秒激光以與反射鏡面呈45度角方向入射到反射鏡，之后改變方向又入射到第一凸透鏡、第二凸透鏡、柱面透鏡和位相光柵，調(diào)節(jié)完成后再將第一準(zhǔn)直光闌和第二準(zhǔn)直光闌孔徑調(diào)節(jié)至最大；
[0020](4)調(diào)整柱面透鏡的母線方向與位相光柵柵線方向垂直、與待加工光纖放置方向平行，柱面透鏡沿平行于位相光柵柵線方向?qū)獍哌M(jìn)行線聚焦，提高輻照到待加工光纖上飛秒激光光的功率密度；
[0021](5)開啟計(jì)算機(jī)并利用計(jì)算機(jī)控制電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)調(diào)節(jié)待加工光纖位置，用第一精密移動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)柱面透鏡位置，用第二精密移動(dòng)平臺(tái)位調(diào)節(jié)相光柵位置，使待加工光纖纖芯在柱面透鏡的焦線上且位于位相光柵后面能實(shí)現(xiàn)泰伯陣列照明的預(yù)定分?jǐn)?shù)泰伯距離處；調(diào)節(jié)過程中一方面通過第一、第二移動(dòng)平臺(tái)及電控三維精密移動(dòng)平臺(tái)的精密調(diào)節(jié)，另一方面觀察從待加工光纖出射的衍射條紋，當(dāng)衍射條紋為相對于待加工光纖對稱的平行衍射條紋時(shí)，此時(shí)光斑聚焦于待加工光纖纖芯；
[0022](6)關(guān)閉快門，調(diào)節(jié)飛秒激光光源放大級(jí)泵浦光功率大小及消色差二分之一波片快軸方位，用光功率計(jì)測量飛秒激光功率，使從偏振分光棱鏡出射的飛秒激光功率在1.0-1.5瓦之間；
[0023](7)開啟寬帶光源、光譜儀，通過觀察光譜儀屏幕上的實(shí)時(shí)光譜曲線實(shí)現(xiàn)對待加工光纖透射光譜的監(jiān)測