一种光纤光栅的制备方法及制备装置

本发明涉及一种光纤光栅制备领域，尤其是涉及一种光纤光栅的制备方法及制备装置。

背景技术：

1、飞秒激光逐点直写技术是目前制备光纤布拉格光栅的核心手段。该技术通过高数值孔径物镜将飞秒激光脉冲聚焦至纤芯内部，并控制光纤沿轴向按预设的光栅周期逐点移动，利用非线性多光子吸收诱导局域产生永久性折射率变化，从而形成折射率调制结构。

2、然而在诸如保偏光栅、扭转传感器及机器人关节传感等一些特殊的应用场合，需要光纤光栅具有偏振响应维度，对扭转状态具有高灵敏度原位感知，以及具有空间偏振编码能力。而目前用普通光纤通过飞秒激光逐点直写技术制备的光纤光栅无法满足这一需求。

3、针对上述的特殊要求，人们目前主要采用两种方法：一是通过复杂的差分测量或封装结构来间接感知；二是采用诸如保偏光纤和螺旋光纤等特种光纤来进行加工。但是第一种方法难以实现高灵敏度和方向可辨的分布式扭转测量，而第二种方法需要利用特种光纤本身的双折射特性，不仅大幅增加了系统成本，还限制了其在普通单模光纤系统中的兼容性与普适性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种使用常规的光纤即可制备出具有偏振相关滤波、高灵敏扭转传感及空间偏振编码功能的光纤光栅的制备方法及制备装置，通过偏振态空间编码的逐点写入方式，在常规光纤中直接制备出偏振敏感轴沿轴向呈空间编码分布的目标光纤光栅。

2、第一个方面，本发明实施例提供一种光纤光栅的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

3、步骤s1：将待加工光纤夹持并固定在可移动载体上；

4、步骤s2：生成一束线偏振的飞秒激光脉冲加工光束；

5、步骤s3：控制待加工光纤沿其轴向以预设的扫描步长逐点步进，并在每个步进加工点将飞秒激光脉冲加工光束聚焦对待加工光纤的纤芯进行辐照，形成局域折射率调制结构；

6、步骤s4：在逐点步进的加工过程中，同步控制飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向绕待加工光纤的光纤轴旋转，使下一个步进加工点的线偏振方向相对于上一个步进加工点的线偏振方向之间具有预设偏振旋转角；

7、步骤s5：持续逐点步进的加工过程，直至完成预设长度的光纤光栅加工，得到沿光纤轴向分布的具有空间编码偏振敏感轴的目标光纤光栅。

8、与现有技术相比，本发明通过将飞秒激光脉冲加工光束的偏振态从固定参数提升为主动调控的写入维度，使飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向在逐点加工过程中随加工点沿光纤轴向进行偏振态空间编码式旋转，从而在常规单模光纤中直接制备出偏振敏感轴沿光纤轴向呈空间编码分布的光纤光栅；该光纤光栅的偏振敏感轴沿光纤轴向呈逐点旋转的编码轨迹，其中一种典型的实施方式为螺旋状连续变化，从而对外界扭转形变产生高灵敏度的光学响应。

9、本发明无需依赖保偏光纤、螺旋光纤等特种光纤的本征双折射，即可实现偏振相关滤波、分布式扭转传感及空间偏振编码等新功能，大幅降低了系统成本，提高了其在普通单模光纤系统中的兼容性与普适性。本发明制备方法制备的光纤光栅沿其光纤轴向具有空间编码的偏振敏感轴分布，在任意一个垂直于光纤轴线的横截面上，由飞秒激光诱导的微纳结构具有一个特定的取向角；该取向角沿光纤轴向呈周期性或非周期性的旋转变化，其旋转的轨迹和速率由写入过程中的偏振旋转角决定。本发明制备方法制备的具有空间编码偏振敏感轴的光纤光栅，其反射谱对入射光的偏振态呈现强烈的选择性，即呈现出显著的偏振相关损耗特性。当入射光为线偏振光时，其反射率随入射偏振方向与光纤光栅局部偏振敏感轴夹角的改变而周期性变化，偏振相关损耗可达15 db以上。因此，本发明制备方法制备的具有空间编码偏振敏感轴的光纤光栅可直接作为分布式扭转传感器。当光纤连同其内部的空间编码偏振敏感轴发生物理旋转时，等效于改变了入射光偏振方向与局部空间编码偏振敏感轴之间的相对角度，从而导致光纤光栅的反射强度或中心波长发生显著变化，扭转灵敏度较常规光纤光栅可提升一个数量级以上。

10、在一个可以实现的实施方式中，步骤s4中所述的飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向绕光纤轴旋转满足：第n个步进加工点的线偏振方向角度θn=θ0+n×δθ，其中θ0为起始偏振角，δθ为固定的预设偏振旋转角；优选地，设置n×δθ=360°，n为大于2的正整数，n的取值理论上无严格上限，实际实施中受限于最小可控角度分辨率以及待加工光纤光栅的预设总长度，作为优选示例，n的取值范围为3至3600，对应的δθ的范围为120°至0.1°。偏振旋转周期长度lpol=n×λ，λ为预设的扫描步长：λ=m×λb/（2neff），该扫描步长即为所写目标光纤光栅的一阶周期，其中，m为衍射级次，λb为所述的目标光纤光栅的布拉格波长，neff为所述的待加工光纤的有效折射率。此时，沿光纤轴向各步进加工点的偏振方向呈周期性重复，即光纤光栅的偏振敏感轴沿轴向呈周期性空间编码分布，一种典型的实施方式为螺旋状周期分布。进一步优选地，δθ取值为90°或120°，或δθ取值为1°至10°中的任意值。当δθ取小角度如1°至10°中的任意值时，偏振敏感轴沿光纤轴向呈准连续的平滑螺旋旋转，有利于降低光纤光栅的插入损耗并提高扭转传感的线性度；当δθ取大角度如90°或120°时，可实现离散式的偏振空间编码，适用于光纤身份标识等应用。

11、在一个可以实现的实施方式中，步骤s4中所述的飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向绕所述的待加工光纤的光纤轴旋转也可以满足：第n个步进加工点的线偏振方向角度θn=θ0+n×θ（n），其中θ0为起始偏振角，n为步进加工点的序号，θ（n）为随第n个步进加工点变化的预设偏振旋转角。

12、在一个可以实现的实施方式中，所述的步骤s5之后还包括步骤s6，对所述的目标光纤光栅进行热退火处理，退火温度为50℃至450℃，退火时间为2至6小时。

13、第二个方面，本发明实施例提供一种光纤光栅的制备装置，该制备装置包括：

14、多维精密位移平台，设置有夹具，用于夹持固定待加工光纤，并实现待加工光纤沿其轴向上的移动；

15、飞秒激光源，用于产生飞秒激光脉冲光束；

16、偏振模块，用于产生线偏振的飞秒激光脉冲加工光束并使线偏振的方向发生旋转；

17、聚焦物镜，用于将飞秒激光脉冲加工光束聚焦到步进加工点，对待加工光纤的纤芯进行辐照；

18、控制装置，用于分别控制所述的多维精密位移平台产生移动、控制所述的飞秒激光源产生飞秒激光脉冲光束、控制所述的偏振模块产生线偏振的飞秒激光脉冲加工光束，以及在每个步进加工点控制飞秒激光脉冲加工光束对待加工光纤的纤芯进行聚焦辐照，并控制飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向绕待加工光纤的光纤轴旋转。

19、在一个可以实现的实施方式中，所述的偏振模块由空间光调制器和液晶可变偏振旋转器组成，所述的空间光调制器将所述的飞秒激光源产生的飞秒激光脉冲光束整形为线偏振的飞秒激光脉冲加工光束，所述的液晶可变偏振旋转器根据所述的控制装置的指令，对飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向进行旋转。

20、在另一个可以实现的实施方式中，所述的偏振模块由加载有矢量光束相位图的空间光调制器组成，所述的空间光调制器直接生成具有任意偏振态分布的矢量光束，所述的控制装置控制所述的空间光调制器上不同像素区域的相位延迟，在飞秒激光脉冲加工光束由所述的聚焦物镜聚焦前生成偏振方向随空间坐标变化的光场，配合所述的多维精密位移平台的移动实现等效的偏振旋转。本技术方案的基本原理是：空间光调制器为反射式液晶相位调制器件，其每个像素可独立控制入射光的相位延迟。当在空间光调制器上加载一幅经算法预先设计的矢量光束相位图时，不同空间位置的像素对入射飞秒激光脉冲光束施加不同的相位调制量，从而在空间光调制器的出射面上形成一个偏振态随空间坐标连续变化的结构光场，即矢量光束。该矢量光束的典型形态包括径向偏振光、旋向偏振光以及广义的任意空间偏振分布。控制装置通过切换或更新空间光调制器上加载的矢量光束相位图，即可改变聚焦前光束横截面上偏振态的空间分布图案。当待加工光纤在多维精密位移平台带动下沿待加工光纤的轴向逐点步进时，待加工光纤的纤芯依次经过该结构光场中偏振态各异的空间位置，相当于在每个步进加工点处待加工光纤的纤芯所“感受”到的局部偏振方向相对于前一步进加工点发生了预设角度的旋转。配合位移平台的步进运动，实现了飞秒激光脉冲加工光束的线偏振方向随步进加工点变化的空间编码式旋转，其宏观效果与前述采用液晶可变偏振旋转器的实施方式完全等价。该方案的优点在于无需独立的旋转器件，系统结构更为紧凑，且偏振旋转速率不受器件机械响应时间的限制，仅取决于空间光调制器的刷新速率。其中，矢量光束相位图基于空间光场偏振态分布与相位分布的对应关系，可以通过矢量衍射理论或迭代优化算法（如矢量gerchberg-saxton算法）预先计算获得。

21、在一个可以实现的实施方式中，所述的聚焦物镜的数值孔径≥0.65。