一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置及制作方法与流程

本发明涉及衍射光栅，特别涉及一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置及制作方法。

背景技术：

衍射光栅是一种通过材料表面或内部有规律的结构，使入射光的振幅或/和相位受到周期性的空间调制，衍射光栅在光学上的最重要应用是作为分光器件，常被用于波分复用器、脉冲压缩和光谱仪上。在各类光谱仪中，光纤光谱仪因结构紧凑，价格低廉，易于维护等优点，在光谱测量学中得到了广泛的应用。

传统的光纤光谱仪通常由三个主要器件组成：用于信号接收的光纤、分光的光栅以及探测器。目前比较常见的光纤光谱仪中普遍使用的是石英基质的光纤。石英光纤具有传输损耗低，价格便宜，易于集成等优点，但其工作范围受石英材料红外截止波长的限制，最长的工作波长小于2μm，在及其重要的红外波段无法使用。此外，适用于红外波段的光谱仪也需要开发特定的衍射光栅。

红外波段不仅包含了十分重要的大气红外窗口，如大气第二窗口(3～5μm，此波段范围包括了许多重要的分子特征谱线)和第三窗口(8～12μm)，而且覆盖了大量的分子指纹区，如：二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，tnt炸药、沙林神经毒气等危险品。该波段的光谱仪对于生物和化学传感，环境监测，国土安全等方面具有重要的应用。因此开发可应用于中红外波段光谱仪的光纤及光栅器具有重要的价值。硫系玻璃是以元素周期表via族中s，se，te元素为主，并引入一定量的其它类金属元素，如ga、ge、as、sb等元素所形成的无氧玻璃，其在中远红外具有很宽的透过范围和极小的吸收，硫系玻璃已被成功的制备成各种结构的光纤并应用于红外能量传输及传感领域。利用飞秒激光直写硫系光纤光栅和波导器件也被广泛应用在红外光纤激光器，光纤光开关和光波导等领域。

目前所使用的光纤光谱仪在可见光区域使用较为广泛，但却无法应用于中远红外的波段。并且传统的光纤光谱仪中需要独立设立收集信号的光纤和分光的衍射光栅，如果将衍射光栅直接刻写在光纤的端面，将可以同时实现对信号光的收集和空间分光，大大提高光谱仪的集成度和成本。因此采用红外波段的光纤和分光器件，用于满足中红外波段工作且结构更加紧凑的光纤光谱仪是目前研究的主要方向，而如何在硫系光纤上刻写衍射光栅是该研究的难点，目前常用的利用飞秒激光器在硫系光纤上刻写衍射光栅的基本方法是采用直接逐点刻写法，而传统的直接逐点刻写法中飞秒激光作用光纤的过程是一个非线性过程，要如何精准的将激光聚焦到光纤上并精确定位是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够精确地将激光聚焦到待加工的硫系玻璃光纤端面上，而且提供监测手段能实时监测光纤加工，并能够精确定位光纤端面的加工位置的一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置及制作方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置，包括飞秒激光器、位于飞秒激光器后光路上依次排列的衰减装置、电子快门以及聚焦物镜；所述聚焦物镜的出光侧设置有待加工的硫系玻璃光纤，所述待加工的硫系玻璃光纤固定设于三维平台上，所述三维平台与计算机连接，并通过计算机控制其移动以使得待加工的硫系玻璃光纤随着三维平台移动，所述电子快门与计算机连接并通过计算机控制其开闭，以调整激光的曝光时间；

还包括光功率检测模块，所述光功率检测模块包括第一分束镜和光功率计，所述第一分束镜位于所述电子快门与所述聚焦物镜之间，所述第一分束镜将激光脉冲分为两束，其中一束激光脉冲射出至光功率计中，另一束激光脉冲沿主光路射向所述聚焦物镜；

还包括监控模块，所述监控模块设置于第一分束镜与聚焦物镜之间，所述监控模块包括ccd检测装置、双色镜、第二分束镜和ccd光源，所述双色镜位于第一分束镜后，从第一分束镜射出的另一束光从所述双色镜反射后射向所述聚焦物镜、所述ccd检测装置位于所述双色镜相对于所述聚焦物镜的另一侧，所述ccd检测装置与双色镜之间，或者所述双色镜与聚焦物镜之间设有第二分束镜，所述ccd光源设于第二分束镜的一侧，从所述第一分束镜射出的另一束光经双色镜反射后再经聚焦物镜入射到待加工的硫系玻璃光纤端面上；所述ccd光源的光源光线经第二分束镜反射后再经聚焦物镜入射至待加工的硫系玻璃光纤端面，该光源光线经待加工的硫系玻璃光纤端面反射后经聚焦透镜、第二分束镜和双色镜的透射后入射至ccd检测装置中，所述ccd检测装置的接收端需与所述待加工的硫系玻璃光纤端面垂直。

作为优选，所述衰减装置包括靠近飞秒激光器的半波片、位于半波片后的偏振棱镜以及位于偏振棱镜后的衰减片。

作为优选，所述ccd检测装置与所述计算机连接，并将衍射光栅的刻写状况反馈到计算机进行光谱记录及光谱分析。

作为优选，所述双色镜与飞秒激光器射出的激光成45度角设置。

作为优选，所述双色镜与所述ccd检测装置之间设置有凸透镜。

一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作方法：包括以下步骤：

1)搭建上述的制作装置的光路；

2)将飞秒激光器射出的激光脉冲功率衰减至待加工的硫系玻璃光纤的纤芯的阈值功率；

3)对待加工的硫系玻璃光纤端面进行抛光，将抛光完成后的硫系玻璃光纤固定在三维平台上，并且使得硫系玻璃光纤的端面与激光脉冲入射的方向垂直；

4)调整监控模块，使得ccd检测装置的视场中可以清晰的看到硫系玻璃光纤的端面；

5)观察计算机中接收到的ccd检测装置检测的图像，通过计算机控制三维平台运动，并且使得激光脉冲在硫系玻璃光纤端面上的运动轨迹的起始位置处于ccd检测装置的视场中心位置；

6)调节光路使得衰减后的激光脉冲入射至待加工的硫系玻璃光纤的端面；

通过计算机控制三维平台移动，使得待加工的硫系玻璃光纤端面运动，进而使得激光脉冲沿其在硫系玻璃光纤端面的运动轨迹移动，并且同时通过计算机控制电子快门开闭，在待加工的硫系玻璃光纤端面的纤芯照射形成衍射光栅条纹。

作为优选，所述激光脉冲在硫系玻璃光纤端面上的运动轨迹包括多条以待加工的衍射光栅的间隔为间隔的多条平行路径，以及将多条平行路径头尾顺序连接的连接路径，所述连接路径位于硫系玻璃光纤的端面的纤芯位置外侧，所述多条平行路径中的至少部分与光纤端面的纤芯的圆周具有交点，且同一条平行路径与光纤端面的纤芯的圆周具有两个交点。

作为优选，所述多条平行路径中与光纤端面的纤芯的圆周具有的交点为刻写的节点，通过计算机控制电子快门开闭，在待加工的硫系玻璃光纤端面的纤芯照射形成衍射光栅条纹，具体包括：激光脉冲沿其在硫系玻璃光纤端面的运动轨迹移动时，当碰到同一条平行路径的第一个节点时，计算机控制电子快门打开，在碰到同一条平行路径的第二个节点时，计算机控制电子快门关闭。

作为优选，所述的将飞秒激光器射出的激光脉冲衰减至待加工的硫系玻璃光纤的纤芯的阈值功率，包括通过调节衰减装置和飞秒激光器，并且同时观察光功率检测模块将飞秒激光器射出的激光脉冲衰减至待加工的硫系玻璃光纤的纤芯的阈值功率。

作为优选，所述的调整监控模块，具体包括打开ccd光源，观察ccd检测装置接收到的图像，通过调整凸透镜或ccd检测装置的位置，将ccd检测装置调整到能清晰地看到移动平台上的硫系玻璃光纤的端面为止。

与现有技术相比，本发明的优点在于能够在搭建制作装置的光路时，通过光功率检测模块进行监测，并精准控制衰减后的激光脉冲的功率在能够刻写光纤纤芯的阈值功率范围内，通过计算机控制三维平台的运动以及电子快门的开闭，实现光刻的精确控制，并能够对刻写的硫系玻璃光纤的端面进行实时监测，实现光栅加工的可控性，提高加工效率和加工的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例中的硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中的加工后硫系玻璃光纤端面位置的纤芯在显微镜下的结构示意图。

图3为本发明实施例中的加工后的硫系玻璃光纤采用宽带光源进行测试的衍射图。

图4为本发明实施例中的硫系玻璃光纤端面位置的纤芯以及激光脉冲于该硫系玻璃光纤端面的轨迹示意图。

图5为本发明实施例中的加工后的硫系玻璃光纤端面的结构示意图。

图中：1、飞秒激光器；21、半波片；22、偏振棱镜；23、衰减片；3、电子快门；4、聚焦物镜；5、三维平台；6、计算机；71、第一分束镜；72、光功率计；81、ccd检测装置；82、双色镜；83、第二分束镜；84、ccd光源；85、凸透镜；91、平行路径；92、连接路径。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作装置，如图1所示，包括飞秒激光器1、位于飞秒激光器1后光路上依次排列的衰减装置、电子快门3、光功率检测模块、监控模块以及位于监控模块后的光路上的聚焦物镜4；聚焦物镜4的出光侧设置有待加工的硫系玻璃光纤，待加工的硫系玻璃光纤固定设于三维平台5的光纤夹具上，三维平台5与计算机6连接，并通过计算机6控制其移动以使得待加工的硫系玻璃光纤随着三维平台5移动，电子快门3与计算机6连接并通过计算机6控制其开闭，以调整激光的曝光时间。

所述的光功率检测模块包括第一分束镜71和光功率计72，第一分束镜71位于电子快门3与监控模块之间，第一分束镜71将激光脉冲分为两束，其中一束激光脉冲射出至光功率计72中，另一束激光脉冲沿主光路射向聚焦物镜4。

所述的监控模块设置于第一分束镜71与聚焦物镜4之间，监控模块包括ccd检测装置81、双色镜82、第二分束镜83和ccd光源84，双色镜82位于第一分束镜71后，从第一分束镜71射出的另一束光从双色镜82反射后通过第二分束镜83射向聚焦物镜4、ccd检测装置81位于双色镜82相对于聚焦物镜4的另一侧，ccd光源84设于第二分束镜83的一侧，从第一分束镜71射出的另一束光经双色镜82反射后经过第二分束镜83后，再经聚焦物镜4入射到待加工的硫系玻璃光纤端面上，其中双色镜82与飞秒激光器11射出的激光脉冲成45度角设置；ccd光源84的光源光线经第二分束镜83反射后再经聚焦物镜4入射至待加工的硫系玻璃光纤端面，该光源光线经待加工的硫系玻璃光纤端面反射后并依次经聚焦透镜、第二分束镜83和双色镜82的透射后入射至ccd检测装置81中，ccd检测装置81的接收端需与待加工的硫系玻璃光纤端面垂直。并且，本领域技术人员也可以了解到，该第二分束镜和ccd光源84也可以设于双色镜82与ccd检测装置81之间的光路上。

上述制作装置通过计算机6精确控制待加工的硫系玻璃光纤的位置及激光的曝光时间，并通过聚焦物镜4将激光垂直聚焦到待加工的硫系玻璃光纤端面，从而实现在待加工的硫系玻璃光纤端面精准制作衍射光栅。

由于在搭建该制作装置的过程中，根据飞秒激光器1的不同，需要多次调整衰减装置，光路上设置的用于检测经衰减装置后的激光脉冲的功率范围的光功率检测模块，方便了制作装置搭建过程中观察光功率检测模块，确定衰减后的激光脉冲是否达到能够刻蚀硫系玻璃光纤的阈值功率。

上述监控模块的设置是为了便于实时观察和了解在硫系玻璃光纤端面制作的衍射光栅，为了保证该监控装置监测到的信息可以实时反馈至工作人员，该ccd检测装置81与计算机6连接，ccd检测装置81将衍射光栅的刻写状况反馈到计算机6进行光谱记录及光谱分析，以便于工作人员在计算机6上进行观察。进一步的，在双色镜82与ccd检测装置81之间设置有凸透镜85，以将ccd光源84射出的经待加工的硫系玻璃光纤端面反射至ccd检测装置81的光源光线可以汇聚，以在ccd检测装置81中形成清晰的图像。

本发明利用飞秒激光器1在硫系玻璃光纤端面上刻写衍射光栅，从而能够将制作出的衍射光栅应用到中红外光线的传输及光谱分析等研究领域。其中采用的硫系玻璃材料可以为ge-as-se硫系玻璃材料、ge-sb-se硫系玻璃材料、as-se硫系玻璃材料或as-s硫系玻璃材料。

本实施例中飞秒激光器1的脉冲的波长为800nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1khz，其中衰减装置包括靠近飞秒激光器1的半波片21、位于半波片21后的偏振棱镜22以及位于偏振棱镜22后的衰减片23，偏振棱镜22选取的为格兰棱镜，用于调整飞秒激光器1射出的激光脉冲的功率。本领域的技术人员应当了解，半波片21、偏振棱镜22以及衰减片23设置的目的均为降低激光脉冲的功率值，根据所用飞秒激光器1的功率的不同，也可以只用半波片21和偏振棱镜22的方式对激光脉冲的功率进行衰减达到待加工的硫系玻璃光纤的阈值功率。

基于上述硫系玻璃光纤端面衍射光栅的制作方法，包括以下步骤：

1)搭建上述制作装置的光路；

2)通过衰减装置与光功率检测模块配合将飞秒激光器1射出的激光脉冲衰减至制作待加工的硫系玻璃光纤的纤芯的阈值功率；该步骤中主要是通过观察光功率计72，然后调节飞秒激光器1并旋转半波片21，将激光功率降低到光纤纤芯的阈值功率；

3)对待加工的硫系玻璃光纤端面进行抛光，将抛光完成后的硫系玻璃光纤固定在三维平台5上，所述硫系玻璃光纤的端面与激光脉冲入射的方向大致垂直；

4)调整监控模块，具体包括打开ccd光源84，观察ccd检测装置81接收到的图像，通过调整凸透镜85或ccd检测装置81的位置，将ccd检测装置81调整到能清晰地看到移动平台上的硫系玻璃光纤的端面为止；

5)观察计算机6中接收到的ccd检测装置81检测的图像，通过计算机6控制三维平台5运动，使得激光脉冲在硫系玻璃光纤端面上的运动轨迹的起始位置处于ccd检测装置的视场中心位置；如图5示，所述的激光脉冲在硫系玻璃光纤端面上的运动轨迹包括多条以待加工的衍射光栅的间隔d为间隔的多条平行路径91，以及将多条平行路径91头尾顺序连接的连接路径92，所述连接路径92位于硫系玻璃光纤的端面的纤芯位置外侧，所述多条平行路径91中的至少部分与光纤端面的纤芯的圆周具有交点，且该至少部分平行路径91与光纤端面的纤芯的圆周具有两个交点。所述的运动轨迹的起始位置位于硫系玻璃光纤的端面的纤芯位置外侧，a点即为运动轨迹的起始位置。

激光脉冲在硫系玻璃光纤端面上的运动轨迹中的多条平行路径91中与光纤端面的纤芯的圆周具有的交点为刻写的节点。激光脉冲沿其在硫系玻璃光纤端面的运动轨迹移动时，当碰到同一条平行路径91的第一个节点时，计算机6控制电子快门3打开，在碰到同一条平行路径91的第二个节点时，计算机6控制电子快门3关闭，计算机6控制三维平台5移动，并且使得激光脉冲沿运动轨迹移动至下一节点处进行加工。

6)调节光路使得衰减后的激光脉冲入射至待加工的硫系玻璃光纤的端面；

7)通过计算机6控制三维平台5移动，进而调整待加工的硫系玻璃光纤端面的位置，使得激光脉冲沿其在硫系玻璃光纤端面的运动轨迹移动，并且同时通过计算机6控制电子快门3开闭，在待加工的硫系玻璃光纤端面的纤芯照射形成衍射光栅条纹。

如图4所示，计算机6智能控制三维平台5及电子快门3，主要是应用计算机6进行计算，例如，根据待加工的硫系玻璃光纤的纤芯半径及预加工至光纤纤芯上相邻衍射光栅条纹之间的间隔距离d，以硫系玻璃光纤端面的圆心作为原点建立直角坐标系，r为光纤纤芯的半径，以需要刻写的衍射光栅的条纹方向为y轴，以与衍射光栅的条纹方向垂直的方向的光纤的直径为x轴，能够计算出多条平行路径91与光纤纤芯的圆周上的交点，某条平行路径91为x＝x1，同一x值对应光纤纤芯圆周上的两个交点为b(x1，y1)和b’(x1，y1’)。当计算机6控制三维平台5使得激光脉冲沿运动轨迹从纤芯外移动至点b(x1，y1)时，计算机6控制电子快门3开启，且三维平台5持续运动，使激光脉冲从点b(x1，y1)沿直线加工到点b’(x1，y1’)；当加工到b’(x1，y1’)点时，计算机6控制电子快门3关闭，同时计算机6控制三维平台5移动，使得激光脉冲沿运动轨迹移动至下一节点处进行加工，最终在所述的硫系玻璃光纤的纤芯端面上形成衍射光栅，如图5所示。

此处为方便描述，采用了以硫系玻璃光纤端面的圆心作为原点建立的直角坐标系，本领域的技术人员应当了解，只要是能够计算得到平行路径91与硫系玻璃光纤的纤芯的圆周的交点，不限定于以哪个点为原点建立坐标系，也不限定于采用何种方式求得平行路径91与硫系玻璃光纤的纤芯的圆周的交点，能够实现智能控制三维平台5及电子快门3，完成对位于硫系玻璃光纤的纤芯的加工即可。

如图3所示，为加工后的硫系玻璃光纤采用宽带光源进行测试的衍射图。图2为光纤纤芯的端面加工后在显微镜下的结构示意图。优选的，光纤纤芯的直径在200um～600um，本实施例中采用直径为224.12um的光纤纤芯，相邻两光栅条纹之间的距离为2um～6um。

本发明的优点在于能够在搭建制作装置的光路时，通过光功率检测模块进行监测，并精准控制衰减后的激光脉冲的功率在能够刻写光纤端面的阈值功率范围内，通过计算机控制三维平台5的运动以及电子快门3的开闭，实现光刻的精确控制，并能够对刻写的硫系玻璃光纤端面进行实时监测，实现光栅加工的可控性，提高加工效率和加工的准确度。

此外，在获知本发明主旨的情况下，对于本领域技术人员来说，在主光路中增加一些适当的反射、折射镜，使得光路的排列更加紧凑、空间利用更加合理，应当是简单的变化，并不因此而超出本发明所欲保护的范围。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。