本发明属于光纤光栅制作技术领域，具体地，涉及一种单次激光脉冲曝光写入无旁瓣的切趾布喇格光栅的方法及系统。
背景技术
切趾布喇格光栅以下简称切趾光栅是一种特殊折射率调制分布的布喇格光栅。普通布喇格光栅以下简称普通光栅或光纤光栅的折射率调制是均匀分布的，其两端均整齐的开始和结束。而切趾光栅的折射率调制分布的开始和结束呈现一种渐变状态，即开始处逐渐增强、结束处逐渐减弱，通常切趾光栅的折射率调制分布服从某种特定的函数形式。切趾光栅这种折射率调制分布特性反映在光栅反射光谱上，体现出区别于普通光栅的谱型特征：消除或减弱了光栅反射主峰以外的旁瓣。切趾光栅这一特性优化了光栅反射信号的信噪比，极大改善了光纤光栅器件在通信和传感系统中存在的缺陷。
目前，基于光纤光栅拉丝塔在线制备技术，新一代的光纤光栅产品从单个光栅发展为大量光栅在一根外观完整、机械强度高的光纤上形成的光栅阵列。新一代的光纤光栅阵列产品为改进系统，同样需要对光栅进行切趾处理，写入切趾光栅。然而，光纤光栅拉丝塔在线制备技术写入光栅的方式区别于传统写入方式，是一种运动状态下，高能量准分子激光单次脉冲曝光光敏光纤，从而写入光栅。目前切趾光栅的制备方法，无论是二次曝光还是一次曝光，都需要较长的曝光时间，无法应用于光纤光栅拉丝塔在线制备技术。
技术实现要素：
本发明提出了一种单次激光脉冲瞬间写入反射谱型无旁瓣弱旁瓣的切趾光栅的新方法。该方法基于物理光学原理，对普通相位掩模板法光栅写入装置进行改进，不增加任何新的器件和装置，仅调整装置中透镜的状态，实现对光斑能量分布的调制，从而实现切趾光栅的单次激光脉冲瞬间写入。
本发明是通过以下技术方案实现的：
提供一种单次激光脉冲曝光写入反射谱形无旁瓣或弱旁瓣的切趾光栅的装置，其特征在于，该装置为相位掩模板法光栅写入装置，其中，聚焦透镜与光轴垂直方向的平面之间呈特定角度，该特定角度为-70～75°。
接上述技术方案，该装置相位掩模板、聚焦透镜、整形透镜组和准分子激光器，写入光栅的目标光纤位于相位掩模板后方。
接上述技术方案，聚焦透镜为球面平凸柱透镜，透镜凸面面向相位掩模板一侧。
接上述技术方案，所述球面平凸柱透镜的焦距f为300mm，透镜厚度为3mm。
接上述技术方案，该聚焦透镜为双凸透镜、平凸透镜或者正弯月形透镜。
接上述技术方案，准分子激光器单次曝光的脉冲宽度范围为4～20ns。
本发明还提供了一种单次激光脉冲曝光写入反射谱形无旁瓣或弱旁瓣的切趾光栅的方法，包括以下步骤：
准分子激光器发出纳秒级单脉冲光束；
光束经过整形透镜组，光束在垂直于目标光纤的方向进行压缩或扩束，获得合适长度的光束，该长度确定光栅写入目标光纤上的长度；
光束经过聚焦透镜在平行于目标光纤方向进行聚焦；聚焦透镜3从与光轴垂直方向的平面处旋转某个特定角度，该特定角度为-70～75°；
聚焦光束通过相位掩模板后曝光在目标光纤上，完成光栅写入。
接上述技术方案，光束经过聚焦透镜在平行于光纤方向进行聚焦，焦点位于目标光纤前后3～5mm。
接上述技术方案，在制备特种折射率调制分布的切趾光栅时，聚焦透镜沿与光轴垂直的平面平移或转动。
接上述技术方案，光栅主反射峰与旁瓣或检测基线的差值大于20db；曝光在目标光纤上的光斑长度大于6mm。
本发明产生的有益效果是：本发明基于物理光学原理，对普通相位掩模板法光栅写入装置进行改进。本发明最主要的特点是在常规相位掩模板法光栅写入装置的基础上不增加任何新的器件和装置。本发明基于对原装置中的柱透镜进行位置和旋转状态的调整，实现对光斑能量分布的调制，从而实现单次激光脉冲写入切趾光栅。本发明是一种全新的、简洁有效、具有理论依据的切趾光栅制备方法。
本发明在常规相位掩模板法光栅写入装置的基础上不增加任何新的器件和装置。本发明基于对原装置中的柱透镜进行位置和状态的调整，实现对光斑能量分布的调制，从而实现单次激光脉冲写入切趾光栅。本发明是一种全新的、简洁有效、具有理论依据的切趾光栅制备方法。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为切趾光栅写入装置示意图。图中1.写入光栅的目标光纤、2.相位掩模板、3.聚焦透镜、4.整形透镜组、5.准分子激光器。
图2为聚焦透镜旋转示意图示意图。图中a.聚焦透镜标准位置、b.聚焦透镜旋转后位置、β.聚焦透镜旋转角度。
图3为一种切趾光栅写入装置示意图：图中1.写入光栅的目标光纤、2.相位掩模板、3.球面平凸型聚焦透镜、4.整形透镜组、5.准分子激光器。
图4为球面平凸柱透镜示意图。
图5为使用本发明的单个激光脉冲所制备的切趾光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种单次激光脉冲瞬间写入反射谱型无旁瓣弱旁瓣的切趾光栅的新方法。该方法基于物理光学原理，对普通相位掩模板法光栅写入装置进行改进，不增加任何新的器件和装置，仅调整装置中聚焦透镜的状态，实现对光斑能量分布的调制，从而实现切趾光栅的单次激光脉冲瞬间写入。本发明实施例单次激光脉冲瞬间写入反射谱型无旁瓣弱旁瓣的切趾光栅的装置与传统相位掩模板法光栅写入装置基本相同，如图1所示，其中包括：写入光栅的目标光纤1、相位掩模板2、聚焦透镜3、整形透镜组4、准分子激光器5。
光栅写入主要过程为：准分子激光器5发出纳秒级单脉冲光束；光束经过整形透镜组4，光束在垂直于光纤的方向进行压缩或扩束，获得合适长度的光束，该长度确定光栅写入光纤上的长度；光束经过聚焦透镜3，光束在平行于光纤方向进行聚焦，焦点位于光纤前后3～5mm；聚焦光束通过相位掩模板2后曝光在目标光纤1上，完成光栅写入。
在这一过程中，如图2所示，整体光路光轴为透镜几何中心，以该中心为中心，聚焦透镜3在与光轴垂直方向的平面内从聚焦透镜标准位置a旋转某个特定角度β到聚焦透镜旋转后位置b。聚焦透镜3处于聚焦透镜旋转后位置7可以调整光束的能量分布和光斑形状，聚焦透镜3上不同位置的光束焦距也产生差异，导致最终曝光在光栅上的能量分布产生切趾函数的特征，实现切趾光栅的写入。聚焦透镜旋转角度β范围为-70～75°。同时，在制备特种折射率调制分布的切趾光栅时，聚焦透镜3可多个方向平移或转动。聚焦透镜3可以为球面或非球面柱透镜，具体透镜形式包含但不限于：双凸透镜、平凸透镜、正弯月形透镜等。
所写入的切趾光栅反射谱型中心波长λ与准分子激光器波长无关，由相位掩模板周期λpm确定，具体关系式如下：
λ＝2neffλ＝neffλpm
其中λ为切趾光栅反射谱型中心波长，λ为切趾光栅结构的周期，neff为写入光栅所用光纤纤芯的有效折射率，λpm为相位掩模板的掩模周期。通过该公式选择所需相位掩模板参数，从而实现在光栅上写入目标中心波长的切趾光栅。
通过旋转透镜调整光束的能量分布和光斑形状的基本原理简述为：在实际光路系统中，存在实际像和理想像之间的差异，被称为相差。单波长光激光的光学系统中，存在球差、慧差、象散、场曲和畸变这五种相差。通过旋转聚焦透镜，使光斑两侧的相差逐渐增大，从而在曝光到光纤表面时产生切趾型的能量分布。
所写入的切趾光栅反射谱型主反射峰与旁瓣或检测基线的差值大于20db，也可表述为旁瓣抑制比大于20db。
如图3所示，为本实施方案的切趾光栅装置示意图，包括：写入光栅的目标光纤1、相位掩模板2、聚焦透镜3、整形透镜组(包含一块凸透镜和一块凹透镜，用于改变激光器出射光斑的形状。)4、准分子激光器5。其中聚焦透镜3选择为球面平凸柱透镜，透镜凸面面向光纤一侧。所使用球面平凸柱透镜如图4，该透镜焦距f为300mm，透镜厚度为3mm。
本实施案例中，该球面平凸柱透镜以光路中心为旋转中心，向一侧旋转1°40′，激光器光斑经过整形后尺寸为12mm×6mm，通过聚焦透镜后曝光到光纤上的光斑尺寸为12mm×1mm，明显可以通过肉眼和光敏纸观测到向两侧逐渐降低的光斑能量分布。相位掩模板周期为1070.59nm。激光器脉冲能量为8.5mj。
本实施案例中，被写入光栅的光纤处于光纤拉丝的运动状态，速度为25m/min。准分子激光器仅发射一个激光脉冲，并在光纤上写入切趾光栅，切趾光栅反射谱型如图5所示，该光栅的旁瓣抑制比约为25db，3db半高宽约为0.065nm。
综上，与现有技术相比，本发明有本质的不同：(1)本发明为单次激光脉冲纳秒级瞬间写入，其他专利的一次曝光并未限定曝光时间，一般需要较长曝光时间；(2)本发明基于不同的光学原理，切趾光栅写入光路简洁，并未进行分光或反射，只有一束光透过相位掩模板照射在光纤上，现有技术虽然名为一次曝光，但是通过复杂的光路设计，实现二次曝光同时进行，多路光照射在光纤上；(3)本发明提出的方法可以应用于光纤光栅拉丝塔在线制备技术，在一个光纤上连续写入大量切趾光栅，其他专利因其复杂的装置系统和曝光时间无法应用于新的光栅制备技术。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。