一种相移光栅制作系统及制作方法

1.本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种相移光栅制作系统及制作方法。


背景技术：

2.相移光栅全称相移光纤布拉格光栅，与常规布拉格光栅相比，相移光栅在光栅栅区空间内的某一个或多个特定部位引入折射率非周期性突变，从而在光栅布拉格反射带中打开一个或多个透射窗口，使得光栅对某一个或多个波长具有更高的选择度。单个π相移形成的谐振腔结合有源光纤作为增益介质，搭配相应泵浦源可以搭建极窄线宽的光纤激光器，在光纤传感，光通信及光谱分析领域已经得到广阔的应用。
3.目前主流的制作光纤光栅的方法有以下三种：一种是通过紫外激光照射相位掩模版，利用其经相位掩模版后
±
1级衍射光的干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布，从而形成光纤光栅。而相移光栅需要在制作光栅的过程中引入相位突变，最直接的方法是使用带有预制相移的非均匀相位掩模版，但是这种方法只能制作固定相移量，相移位置的相移光栅，缺乏灵活性。另一种基于均匀相位掩模版的制作方法是通过部分遮挡或者二次曝光，改变部分光纤栅区接收的曝光量来影响折射率调制，从而导入相移。这类方法的缺点在于其相移量受曝光量直接影响很难精确控制，而且相移区长度通常在数毫米量级，无法制作短腔相移光栅,在光纤激光器应用中很难实现单纵模输出。
4.第三种基于均匀相位掩模版的相移光栅制作方法，是将均匀相位掩模版安装在一个高精度压电陶瓷微动台上，当紫外激光扫描到达指定位置后，令相位掩模版沿光纤平行方向发生与相位掩模版周期成比例的微小位移，从而在紫外光衍射的干涉条纹周期中产生相应的相移量。这种方法可以很方便地制作各种相移量和相移位置的相移光栅，但是由于相移发生在紫外光扫描过程中，其相移区域是两束紫外激光衍射光斑的叠加，根据光斑大小，通常在几百微米到一毫米量级，这个区域的长度限制了相移光栅作为谐振腔时对应的窄线宽激光的纵模间隔。同时这种发生在激光照射过程中的位移会导致光栅啁啾和漂白效应，降低了成品相移光栅的强度和一致性。另一方面，紫外光扫描平台在光栅制作过程中的运动会积累一定的位相误差，将在一定程度上影响最后制成的相移光栅的整体反射率和相移精确度。
5.为此，本技术设计了一种相移光栅制作系统及制作方法，来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种相移光栅制作系统及制作方法。
7.一种相移光栅制作系统，包括光学隔振台，所述光学隔振台安装在电动位移台上，光学隔振台上的中心后侧安装有与y轴呈-45
°
的分光镜，分光镜的前方设置有平凸柱透镜，平凸柱透镜的前方设置有电控光阑；所述光学隔振台的左侧设置紫外激光器，紫外激光器发出的紫外激光照射到分光镜上，分光镜的右侧设置有光束分析仪；
所述光学隔振台的前侧设置高精度压电陶瓷微动台及夹具，高精度压电陶瓷微动台及夹具上放置有相位掩模版；所述相位掩模版的前方设置有光纤，光纤通过光纤夹具固定，且光纤连接宽带光源和光谱仪；所述相移光栅制作系统中设置有综合控制系统，综合控制系统控制连接紫外激光器、光束分析仪、电动位移台、电控光阑和高精度压电陶瓷微动台及夹具。
8.由紫外激光器发出紫外激光以平行于y轴的方向照射到一个与y轴呈-45
°
夹角的分光镜上，99%强度的紫外光被反射改变为平行于x轴方向，经过一个垂直于x轴对称放置的平凸柱透镜整形压缩后，再次穿过一个放置在光路上x轴对称中心的电控光阑，最后入射到平行y轴放置在平凸柱透镜焦点上的相位掩模版处形成衍射条纹。与此同时，分光镜后沿原y轴方向传播的1%强度紫外光入射到一个放置在垂直于y轴放置的光束分析仪上。以上结构中，分光镜，平凸柱透镜和电控光阑安装在一个独立的光学隔振台之上，而该光学隔振台则固定在一个电控位移台上，可以沿y轴平行方向运动，以实现紫外激光沿y轴平行方向的扫描。另一方面，均匀相位掩模版由夹具固定在一个高精度压电陶瓷微动台上，可以沿y轴方向进行微米级别的瞬时微动，相位掩模版的x轴位置在平凸柱透镜的焦点上。将一段去除了涂覆层的光纤由两个夹具施加预应力拉直后，平行于y轴固定在相位掩模版x轴方向下方1mm处，通过调整夹具高度，确保光纤纤芯位于紫外光衍射条纹yz平面对称中心，该段光纤的左右两端通过跳线分别连接在宽带光源和光谱仪上。除此之外，紫外激光器，光束分析仪，电动位移台，电控光阑和高精度压电陶瓷微动台都通过电线或者数据线连接到一个综合控制系统中，该综合控制系统包含直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡和装载了相关控制软件的电脑。
9.进一步地，为了更好的实现本发明，所述分光镜的规格为，紫外激光器输出波段透反比1：99，直径大于紫外激光器输出光斑直径，其位置在紫外激光器的输出光路轴线中心上；所述电动位移台可以根据综合控制系统提供的信号在由紫外激光器发出的紫外激光的平行方向进行位移，其最大行程介于60mm至150mm之间，单步位移精度小于等于1μm。其能够使紫外激光沿所述光纤轴线平行方向进行扫描；所述电控光阑的透光直径介于0.5mm至1.5mm之间，开关响应时间小于等于10毫秒，其位置在平凸柱透镜的前方光路轴线上焦距一半处，其能够根据综合控制系统提供的信号进行开关。
10.进一步地，为了更好的实现本发明，所述光束分析仪的探头直径大于紫外激光器输出光斑直径，分辨率小于30*30μm，触发频率大于100帧，固定在分光镜的右侧光路轴线上，其能够将采集到的光斑能量和位移变化实时反馈给综合控制系统。
11.进一步地，为了更好的实现本发明，所述高精度压电陶瓷微动台及夹具中的高精度压电陶瓷微动台的行程介于10至20之间，单步位移精度小于等于0.2nm，负载抖动频率大于600hz，其能够根据综合控制系统提供的信号进行纳米级别的瞬时微动从而生成相移，也能够依照综合控制系统提供的函数信号进行抖动从而对光栅进行切趾。
12.进一步地，为了更好的实现本发明，所述相位掩模版为均匀相位掩模版，且由高精度压电陶瓷微动台及夹具固定在平凸柱透镜的焦距位置，其相位掩膜周期与透过电控光阑的紫外激光光斑在中央垂直正交。
13.进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤是去除部分涂覆层后由光纤夹具固定在相位掩模版前方的近场紫外光干涉条纹正中央，且光纤方向与紫外激光光斑方向一
致。
14.进一步地，为了更好的实现本发明，所述综合控制系统包括直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡和装载了相关控制软件的电脑，其功能之一是设定相移光栅的制作参数，并对紫外激光的扫描曝光过程进行相应的控制，之二是根据光束分析仪反馈的光束能量和位相误差计算出经过修正后的相移量，之三是控制高精度压电陶瓷微动台上的均匀相位掩模版根据经过动态反馈补正后的相移量来发生对应的位移。
15.基于上述系统的一种相移光栅制作方法如下：s1，准备工作：按照图1所示搭建制作系统，调节准直激光光路，安装相位掩模版和去除了涂覆层的光纤，将光纤两端用跳线连接到宽带光源和光谱仪上。对于载氢光纤，安装前要适当退火。
16.s2，启动系统：开启系统各组件电源充分热机，设定激光器相关参数，然后打开综合控制系统，操纵扫描平台到达光栅栅区起始点，之后设定扫描行程，扫描步数，单位曝光时间，相移量和相移位置，保持光阑关闭的前提下，启动激光器，通过光束分析仪监测激光器的光束质量和输出强度，调节相应激光器指标直到满足预定要求。
17.s3，扫描曝光：按照图3所示进入扫描曝光循环，具体步骤如下，首先开启光阑，让紫外激光通过相位掩模版后的
±
1级衍射光的干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布调制，达到预设单位曝光时间后，关闭光阑，然后按照设定的扫描行程和扫描步数，驱动电动位移台移动一单位行程，接着用光束分析仪监测光斑能量和位移，并记录电动位移台运动引起的位相误差，确定位移台运动导致的光束扰动结束后，开启光阑进入下一个曝光循环，直到扫描行程达到预设的相移位置时，关闭光阑并终止循环。
18.s4，生成相移：根据预设的相移量和记录的积累位相误差计算出动态反馈相移，令相位掩模版延y轴平行方向发生相应的经过微动位移，之后等待100毫秒以使相位掩模版恢复稳定。
19.s5，扫描曝光：重新开始扫描曝光循环，与步骤3的不同之处在于，生成相移后的第一个至第十个循环，实际曝光时间为设定曝光时间的三倍，以达到增强调制强度，尽可能缩小相移区域的效果，自生成相移后的第十一个循环起，恢复原设定曝光时间，并持续循环直到完成设定的整个扫描行程。
20.s6，关闭系统：通过光谱仪监测最后成品相移光栅的透射光谱，如果达到预定目标，则可关闭系统各部分电源，并取下光纤完成相移光栅的制作。
21.本发明的有益效果是：与现有的其他现有相移光栅制作系统及方法相比，本发明基于实时动态反馈的扫描抖动均匀相位掩模版的制作方法，其主要优点包括：1.基于光阑步进曝光和光束分析仪实时能量采集实现的精确到亚纳米级的光栅谱，相移量和相移位置控制，具备高一致性批量制作能力。
22.2.通过光束分析仪监测扫描位移台运动给出动态反馈相移补偿，在光纤上制作出极窄的相移区域，同时光栅整体具有更高的反射率。另一方面，这种方法在有源光纤上制作的分布反馈谐振腔能实现极窄线宽激光输出。
23.3.通过改变扫描速度，曝光时间和相移位置及数量，能实现各种定制的啁啾光栅，多相移光栅和切趾光栅制作。
附图说明
24.图1为本发明的相移光栅制作系统示意图；图2为本发明的制作相移光栅的方法流程图；图3为本发明的扫描曝光循环图；图4为本发明的单相移光栅透射光谱图。
25.图中，1、紫外激光器，2、分光镜，3、光束分析仪，4、电动位移台，5、平凸柱透镜，6、光学隔振台，7、电控光阑，8、高精度压电陶瓷微动台及夹具，9、相位掩模版，10、光纤，11、光纤夹具，12、宽带光源，13、光谱仪，14、综合控制系统。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.首先按图1所示搭建一套相移光栅制作系统，包括：1.紫外激光器，输出波长248nm的脉冲激光，脉宽20ns，单脉冲能量80-140mj，重复频率1-100hz，光斑面积12*4.5mm2；2.分光镜，248nm透反比1：99，直径80mm；3.光束分析仪，探头直径10mm，分辨率20*20μm，触发频率最大200帧；4.电动位移台，最大行程100mm，单步位移精度0.5μm；5.平凸柱透镜，面积50mm*50mm，焦距300mm；6.光学隔振台，面积500mm*500mm；7.电控光阑，直径1mm，开关响应时间6ms；8.高精度pzt微动台及夹具，最大行程15μm，单步位移精度0.1nm，负载抖动频率最高980hz；9.均匀相位掩模版，周期1064nm，相位掩模区域面积60*10mm2；10.光纤，根据制作光栅类型选择所需光纤类型；11.光纤夹具，安装在三维光学调整架上的带v性槽的专用夹持器；12.宽带光源，输出波段与相移光栅布拉格波长匹配的宽带ase光源，带宽大于30nm，功率大于20mw；13.光谱仪，探测频带与相移光栅布拉格波长匹配的光谱仪，分辨率小于等于0.05nm；14.综合控制系统，包含系统各组件所需直流电源、驱动电路、信号发生器、采集卡和装载了相关控制软件的电脑。
30.本发明的第一种具体实施例，制作单相移光栅的具体步骤如下：s1，准备工作：按照图1所示搭建制作系统，调节准直激光光路，安装相位掩模版和去除了涂覆层的无源光纤，裸纤区域长度50mm，将光纤两端用跳线连接到宽带光源和光谱仪上。
31.s2，启动系统：开启系统各组件电源充分热机，准分子激光器脉冲能量设置为
50mj，重复频率20hz，打开综合控制系统，操纵电动位移扫描平台到达光栅栅区起始点，设定扫描行程为45mm，扫描步数为1000，单位曝光时间为500毫秒，相移量为π，相移位置为栅区中央（行程22.5mm/步数500处），保持光阑关闭的前提下，启动激光器，通过光束分析仪监测激光器的光束质量和输出强度，调节相应激光器指标直到满足预设数值。
32.s3，扫描曝光：按照图3所示进入扫描曝光循环，具体步骤如下，首先开启光阑，让紫外激光通过相位掩模版后的
±
1级衍射光的干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布调制，达到预设单位曝光时间后，关闭光阑。然后按照设定的扫描行程和扫描步数，驱动电动位移台移动一单位行程，接着用光束分析仪监测光斑能量和位移，并记录电动位移台运动误差，确定位移台运动导致的光束扰动结束后，开启光阑进入下一个曝光循环。直到扫描行程达到预设的相移位置（第500步）时，关闭光阑并终止循环。
33.s4，生成相移：根据预设的相移量和记录积累位相误差计算出动态反馈相移，令相位掩模版延y轴平行方向发生相应的经过微动位移，之后等待100毫秒以使相位掩模版恢复稳定。
34.s5，扫描曝光：重新开始扫描曝光循环，与步骤3的不同之处在于，生成相移后的第一个至第十个循环，实际曝光时间为设定曝光时间的三倍，以达到增强调制强度，尽可能缩小相移区域的效果，自生成相移后的第十一个循环起，恢复原设定曝光时间，并持续循环直到完成设定的整个扫描行程。
35.s6，关闭系统：通过光谱仪监测最后成品相移光栅的透射光谱，结果如图4所示，达到预定目标，依照操作规范关闭系统各部分电源，并取下光纤完成相移光栅的制作。
36.本发明的第二种实施例，制作多相移光栅的步骤为：s1，准备工作：按照图1所示搭建制作系统，调节准直激光光路，安装相位掩模版和去除了涂覆层的无源光纤，裸纤区域长度60mm，将光纤两端用跳线连接到宽带光源和光谱仪上。
37.s2，启动系统：开启系统各组件电源充分热机，准分子激光器脉冲能量设置为50mj，重复频率20hz，打开综合控制系统，操纵电动位移扫描平台到达光栅栅区起始点，设定扫描行程为50mm，扫描步数为1000，单位曝光时间为500毫秒，相移量为π，相移位置为栅区中央（行程25mm/步数500处）和栅区五分之三处（行程30mm/步数600处），保持光阑关闭的前提下，启动激光器，通过光束分析仪监测激光器的光束质量和输出强度，调节相应激光器指标直到满足预设数值。
38.s3，扫描曝光：按照图3所示进入扫描曝光循环，具体步骤如下，首先开启光阑，让紫外激光通过相位掩模版后的
±
1级衍射光的干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布调制，达到预设单位曝光时间后，关闭光阑。然后按照设定的扫描行程和扫描步数，驱动电动位移台移动一单位行程，接着用光束分析仪监测光斑能量和位移，并记录电动位移台运动误差，确定位移台运动导致的光束扰动结束后，开启光阑进入下一个曝光循环。直到扫描行程达到预设的第一相移位置（第500步）时，关闭光阑并终止循环。
39.s4，生成相移：根据预设的相移量和记录积累位相误差计算出动态反馈相移，令相位掩模版延y轴平行方向发生相应的经过微动位移，之后等待100毫秒以使相位掩模版恢复稳定。
40.s5，扫描曝光：重新开始扫描曝光循环，与步骤3的不同之处在于，生成相移后的第
一个至第十个循环，实际曝光时间为设定曝光时间的三倍，以达到增强调制强度，尽可能缩小相移区域的效果，自生成相移后的第十一个循环起，恢复原设定曝光时间，并持续循环直到扫描行程达到预设的第二相移位置（第600步）时，关闭光阑并终止循环。
41.s6，生成相移：根据预设的相移量和记录的积累位相误差计算出动态反馈相移，令相位掩模版延y轴平行方向发生相应的经过微动位移，之后等待100毫秒以使相位掩模版恢复稳定。
42.s7，扫描曝光：重新开始扫描曝光循环，与步骤3的不同之处在于，生成相移后的第一个至第十个循环，实际曝光时间为设定曝光时间的三倍，以达到增强调制强度，尽可能缩小相移区域的效果，自生成相移后的第十一个循环起，恢复原设定曝光时间，并持续循环直到完成设定的整个扫描行程。
43.s8，关闭系统：通过光谱仪监测最后成品相移光栅的透射光谱，达到预定目标后，依照操作规范关闭系统各部分电源，并取下光纤完成相移光栅的制作。
44.本发明的第三种具体实施例，制作有源相移光栅的方法为：s1，准备工作：按照图1所示搭建制作系统，调节准直激光光路，安装相位掩模版和去除了涂覆层的有源光纤，裸纤区域长度50mm，将光纤两端用跳线连接到宽带光源和光谱仪上。
45.s2，启动系统：开启系统各组件电源充分热机，准分子激光器脉冲能量设置为50mj，重复频率20hz，打开综合控制系统，操纵电动位移扫描平台到达光栅栅区起始点，设定扫描行程为45mm，扫描步数为1000，单位曝光时间为500毫秒，相移量为π，相移位置为栅区中央（行程22.5mm/步数500处），保持光阑关闭的前提下，启动激光器，通过光束分析仪监测激光器的光束质量和输出强度，调节相应激光器指标直到满足预设数值。
46.s3，扫描曝光：按照图3所示进入扫描曝光循环，具体步骤如下，首先开启光阑，让紫外激光通过相位掩模版后的
±
1级衍射光的干涉条纹在光纤纤芯处形成周期性的折射率分布调制，达到预设单位曝光时间后，关闭光阑。然后按照设定的扫描行程和扫描步数，驱动电动位移台移动一单位行程，接着用光束分析仪监测光斑能量和位移，并记录电动位移台运动误差，确定位移台运动导致的光束扰动结束后，开启光阑进入下一个曝光循环。直到扫描行程达到预设的相移位置（第500步）时，关闭光阑并终止循环。
47.s4，生成相移：根据预设的相移量和记录积累位相误差计算出动态反馈相移，令相位掩模版延y轴平行方向发生相应的经过微动位移，之后等待100毫秒以使相位掩模版恢复稳定。
48.s5，扫描曝光：重新开始扫描曝光循环，与步骤3的不同之处在于，生成相移后的第一个至第十个循环，实际曝光时间为设定曝光时间的三倍，以达到增强调制强度，尽可能缩小相移区域的效果，自生成相移后的第十一个循环起，恢复原设定曝光时间，并持续循环直到完成设定的整个扫描行程。
49.s6，关闭系统：通过光谱仪监测最后成品相移光栅的透射光谱，达到预定目标后，依照操作规范关闭系统各部分电源，并取下光纤完成相移光栅的制作。
50.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。