一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤微纳器件制备领域，涉及一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方 法，特别涉及一种共光路、成本低的利用Sagnac干涉仪横向剪切技术在光纤内部制备周期 可调光栅的方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 光纤布拉格光栅是一种纤芯折射率周期性调制的结构，对波长满足布拉格条件的 入射光产生反射，是一种在光纤通讯、光纤传感等领域有着广泛应用前景的基础性光纤器 件。光纤布拉格光栅目前的制作工艺主要有相位掩模板法、逐点刻写法、双光束干涉法等。 所使用的刻写光源有紫外连续激光器、紫外脉冲激光器、红外脉冲激光等。相位掩模法具有 稳定、重复性等特点，但也存在以下不足，需要更换不同周期的相位掩模板才能实现不同波 长光栅的制备，成本较高。激光器的相干长度、外界的震动、非均匀温度场等因素会影响双 光束干涉法的成栅质量，对光路光程匹配要求高。
[0003] Sagnac干涉仪具有互易性共光路的特点。该光路对激光的相干性要求低，具有抗 外界环境振动、温度不均匀等因素干扰的能力，能产生高对比度、干涉条纹均匀的干涉场。 通过平移Sagnac干涉仪中一面反射镜的位置，可使干涉仪中正反方向传播的两束光获得 横向剪切量，实现条纹周期的在线连续调整。利用这一特点提出了一种刻写周期可调光纤 光栅的装置及方法，具有共光路抗外界环节干扰，光路调节简单，激光相干性要求低，制备 效率高，干涉场稳定、对比度高，周期在线连续可调等优点。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：克服制备不同周期光纤光栅成本高，光路调节复杂、 对激光相干性要求高、光栅条纹对比度受限等问题，提供一种刻写周期可调光纤光栅的装 置及方法，能够获得条纹均匀对比度高、周期在线连续可调的光纤光栅。
[0005] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种刻写周期可调光纤光栅的装置，刻写装置由激光光束整形系统、 激光干涉系统和样品夹持系统依次连接构成，激光光束整形系统由激光器、功率调节器、扩 束镜组成；激光干涉系统由会聚透镜、半透半反镜、反射镜、傅里叶透镜、柱面镜组成；夹持 系统由光纤及光纤夹持器组成；
[0007] 激光器输出激光依次经过功率调节器、扩束镜、会聚透镜分束镜后，透射光经过反 射镜后由傅里叶透镜和柱透镜聚焦至样品，反射光经过反射镜后由傅里叶透镜和柱透镜聚 焦至样品；
[0008] 反射镜与X轴方向夹角a固定，反射镜与y轴方向夹角0固定，a+0 = 45°， 反射镜与半透半反镜的距离分别为a和b，处于对称位置时满足a=btan2 0关系；
[0009] 柱透镜26焦距f3应该小于傅里叶透镜25焦距f2，根据刻写光栅能量密度阈值、 纤芯尺寸要求，应选择短焦距柱透镜。
[0010] 进一步的，所述装置可以是分立元件，也可以是封装成模块，采用手动调节或程序 控制调节。
[0011] 另外，本发明提供一种刻写周期可调光纤光栅的方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1)、组建光纤光栅刻写光路，所述光纤光栅刻写光路上的光学元件包括激光 器、功率调节器、扩束镜、会聚透镜、反射镜、半透半反镜、傅里叶透镜、柱面镜、光纤夹具、位 移调节平台；
[0013] 步骤2)、将反射镜调节至对称位置，此时在Sagnac干涉仪内沿正反方向传播的两 束光重合，无干涉现象产生；
[0014] 步骤3)、根据光栅周期与平移量的关系模型，平移反射镜位置，获得所需周期的光 栅；
[0015] 步骤4)、移动傅里叶透镜，使会聚透镜的聚焦光斑位于傅里叶透镜的前焦面；
[0016]步骤5)、调节光纤位置，使其位于傅里叶透镜后焦面处，观察光纤后的衍射光斑， 调节光纤的上下方位使其平分光斑；
[0017] 步骤6)、平移柱面镜使激光聚焦光纤纤芯进行光栅刻写，获得光纤布拉格光栅或 长周期光栅。
[0018] 进一步的，通过调节反射镜平移量能调节光栅的周期A，光栅周期A与反射镜平 移量A的关系模型为：
【主权项】
1. 一种刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，该装置由激光光束整形系统、激光 干涉系统和样品夹持系统依次连接构成，所述的激光光束整形系统由激光器（11)、功率调 节器（12)、扩束镜（13)组成；所述的激光干涉系统由会聚透镜（21)、半透半反镜（22)、第 一反射镜（23)、第二反射镜（24)、傅里叶透镜（25)、柱面镜（26)组成；所述的夹持系统由 光纤（32)及第一光纤夹持器（31)、第二光纤夹持器（33)组成；其中： 由激光器（11)输出激光依次经过功率调节器（12)、扩束镜（13)、会聚透镜（21)、分束 镜（22)后，反射光经过第一反射镜（23)反射后再经过分束镜（22)由傅里叶透镜（25)和 柱透镜（26)聚焦至光纤（32);透射光经过第二反射镜（24)后再经过分束镜（22)由傅里 叶透镜（25)和柱透镜（26)聚焦至光纤（32)。
2. 根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，第一反射镜 (23)与X轴方向夹角α固定，第二反射镜（24)与y轴方向夹角β固定，α+β = 45°， 第一反射镜（23)、第二反射镜（24)与半透半反镜（22)的距离分别为a和b，处于对称位置 时满足a = btan2 β关系。
3. 根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，所述柱透镜 (26)焦距f3应该小于傅里叶透镜（25)焦距f 2，根据刻写光栅能量密度阈值、纤芯尺寸要 求，应选择短焦距柱透镜。
4. 根据权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装置，其特征在于，所述装置可以 是分立元件，也可以是封装成模块，所述装置可以采用手动调节或程序控制调节。
5. -种刻写周期可调光纤光栅的方法，该方法利用权利要求1所述的刻写周期可调光 纤光栅的装置，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1)、组建光纤光栅刻写光路，利用权利要求1所述的刻写周期可调光纤光栅的装 置； 步骤2)、将第一反射镜、第二反射镜调节至对称位置，此时在Sagnac干涉仪内沿正反 方向传播的两束光重合，无干涉现象产生； 步骤3)、根据光栅周期与平移量的关系模型，平移第一反射镜或第二反射镜位置，获得 所需周期的光栅； 步骤4)、移动傅里叶透镜，使会聚透镜的聚焦光斑位于傅里叶透镜的前焦面； 步骤5)、调节光纤位置，使其位于傅里叶透镜后焦面处，观察光纤后的衍射光斑，调节 光纤的上下方位使其平分光斑； 步骤6)、平移柱面镜使激光聚焦光纤纤芯进行光栅刻写，获得光纤布拉格光栅或长周 期光栅。
6. 根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，通过调节 反射镜平移量能调节光栅的周期Λ，光栅周期Λ与反射镜平移量△的关系模型为：
其中，λ为工作激光波长，反射镜平移量△为反射镜相对于对称位置的平移量，&为 傅里叶透镜的焦距。
7. 根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的光 纤为光纤或其它具备光致折射率变化的导波介质。
8. 根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的激 光器工作波长可以为紫外波段激光或红外波段激光。
9. 根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述的平 移反射镜可以是平移第一反射镜（23)沿y轴移动，也可以是平移第二反射镜（24)沿X轴 移动，每次均移动同一个反射镜。
10. 根据权利要求5所述的一种刻写周期可调光纤光栅的方法，其特征在于，所述方法 可以在同一根光纤纤芯的不同位置上，实现不同中心波长的分布式光纤布拉格光栅阵列的 制备；根据平移量与周期、中心波长的关系，在激光工作波长为193nm，纤芯有效折射率为 1.448的情况下，平移反射镜6. 25~6. 56mm，10 μ m为步进，可实现在1510~1590nm范围 内中心波长间隔约2. 5nm的32个光栅阵列的制备。
【专利摘要】本发明公开了一种刻写周期可调光纤光栅的装置及方法，采用激光器、扩束镜、会聚透镜、半透半反镜、反射镜、傅里叶透镜、柱面镜等形成横向剪切Sagnac干涉光纤光栅刻写光路，获得对比度高、周期可调的线型干涉图样，作用在光纤(或其他导波材料)纤芯上，刻写光栅。通过调节Sagnac干涉仪的横向剪切量可以在线连续改变所刻光栅的周期，实现周期可调的光纤光栅的刻写。利用微位移平台实现了干涉仪剪切量的微调，根据方程可获得所需的任意光栅周期。本发明光路调节简单、对激光光源相干性要求低、条纹对比度高、稳定性好、光栅周期可在线连续调整，解决了现有掩模板刻写光栅方案中更换掩模板成本高、光路调节复杂等问题。
【IPC分类】G02B6-02
【公开号】CN104765099
【申请号】CN201510213965
【发明人】杨远洪, 王巧妮, 杨福铃, 陆林
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月29日