基于可移动透镜系统的弱反射光栅的反射率控制方法、制作装置与流程

1.本发明涉及光栅制作领域，特别涉及一种基于可移动透镜系统的弱反射光栅的反射率控制方法和弱反光栅制作装置。


背景技术：

2.弱反射光栅一般是指反射率在1
‰
以下的光纤光栅，这类光栅通常被用于基于光栅的反射光波长或反射强度随应力或者温度变化的光纤光栅传感系统中。相较于普通光纤光栅，这类光栅的传输损耗相较于正常光栅低很多，同时光栅之间的反射信号的串扰效应也比较弱，所以弱反射光栅可以实现普通光栅无法实现的单光纤上的多光栅串联，极大的提升了光栅串联复用的数量，从而降低了光纤光栅传感系统的复杂程度，极大的促进了光纤光栅传感系统的发展。
3.目前常见的弱反射光栅的制作装置的基本原理十分相似，都是利用了光致光纤折射率变化。以248nm紫外光为例，248nm激光会导致光纤中锗氧缺陷发生变化，从而导致光纤中产生色心，进而改变光纤的折射率。激光器发射出的紫外光通过相位掩模版后产生的
±
1级衍射条纹在掩模版的附近形成相干条纹或者通过泰伯干涉仪产生相干条纹，将光纤置于相干条纹处即可在光纤上形成弱反射光栅。然而弱反射光栅的反射率需要进行调整，以确保在不降低光纤光栅传感系统的传感灵敏度的情况下，其反射率尽可能低，从而能够充分延长弱反射光纤光栅的传感长度。光栅的反射率可以通过调节光栅长度和光致折射率变化的强度来调整，然而由于激光器的脉冲能量一般无法连续调节，所以需要各种其它方式来进一步精确调节激光器的脉冲强度。
4.目前常用的调节方式为使用连续光衰减器，然而光衰减器在承受过高的光功率时会产生损伤，无法使用在高光功率的设备中，同时在连续长时间制作弱反光栅时也会受到损伤，因而探索新的光栅反射率调节方法十分有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于可移动透镜系统的弱反射光栅的反射率控制装置。本发明提出通过调节用于激光器光束整形的透镜系统来控制光栅反射率。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种基于可移动透镜系统的弱反射光栅的反射率控制方法，所述弱反射光栅通过激光器发射出的激光经凹透镜、凸透镜、柱面镜整形后被相位掩模版衍射产生相干，在光纤上刻写获得；该方法具体为：
8.通过至少调整凹透镜(或同时调节凹透镜凸透镜、柱面镜)的位置实现光纤处光栅长度的调整，进而调整弱反射光栅的反射率。其中，凹透镜与凸透镜之间的距离越大，光纤处光斑长度越小，装置所制作的弱反射光栅的反射率越小。
9.包括：激光器、凹透镜、凸透镜、柱面镜、相位掩模版。其中，激光器发射出激光通过凹透镜、凸透镜、柱面镜整形后被相位掩模版衍射产生相干，在光纤上刻写弱反射光栅，通过调节凹透镜的位置可以实现光栅长度的调整，进而调整光栅的反射率。
10.进一步地，通过分析光路根据凸透镜与所述凹透镜之间的距离与光纤处光斑长度的关系调整凹透镜的位置：
[0011][0012]
其中：
[0013][0014]
所述公式中l1为所述激光器光斑长度、l2为光纤处光斑长度、d1为所述凸透镜与所述凹透镜之间的距离、d2为所述凸透镜与所述柱面透镜之间的距离、f0为所述凹透镜焦距、f1为所述凸透镜焦距、f2为所述柱面镜焦距。
[0015]
进一步地，还包括调整凸透镜、柱面镜的位置。
[0016]
进一步地，m的绝对值大于40cm，此时柱面镜与光纤之间的最佳距离变化较小，近似等于柱面镜焦距，n的绝对值在
±
3cm之内，此时光斑长度l2与凸透镜之间的距离d1近似呈线性关系，仅调整凹透镜的位置即可较为准确的调节弱反射光栅的反射率。
[0017]
一种基于上述方法的弱反光栅制作装置，其特征在于，包括：激光器、凹透镜、凸透镜、柱面镜、相位掩模版和至少用于调整凹透镜位置的控制装置；其中，激光器发射出激光通过凹透镜、凸透镜、柱面镜整形后被相位掩模版衍射产生相干，在光纤上刻写弱反射光栅。
[0018]
进一步地，所述控制装置为电动位移台。
[0019]
进一步地，所述控制装置还用于调整凸透镜、柱面镜的位置。
[0020]
进一步地，所述相位掩模版为均匀掩模版。
[0021]
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下特点：
[0022]
1、创新性的提出使用透镜系统来调节光栅长度，从而调整光栅的反射率。
[0023]
2、由于没有对光束进行遮挡，不易出现大功率紫外光对装置的破坏，也不易出现长时间的光照对装置的损害，同时仅仅需要调节凹透镜位置即可调整光栅长度，操作简单，保证了刻写系统的稳定性。
[0024]
3、通过进一步结合啁啾掩模版、光栅强度的实时测量，本发明技术方案可以进一步进行拓展，实现光栅带宽控制、光栅一致性控制等技术。
附图说明
[0025]
图1为基于可移动透镜系统的弱反射光栅制作装置的俯视示意图；
[0026]
图2为基于可移动透镜系统的弱反射光栅制作装置的侧视示意图；
[0027]
图3为基于可移动透镜系统的弱反射光栅制作装置中凸透镜与凹透镜的距离对光纤位置与光斑长度的影响关系；
[0028]
图中：激光器(1)、凹透镜(2)、凸透镜(3)、柱面镜(4)、相位掩模版(5)、光纤(6)、凸透镜与凹透镜之间的距离d1(7)、凸透镜与柱面镜之间的距离d2(8)、柱面镜与光纤之间的最
佳距离d3(9)、光斑长度l2(10)。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例(以下简称实施例)，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0030]rmax
＝tanh2(κl)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0031]
由光栅的基本知识可以得到布拉格反射光栅的反射率由公式(1)给出,公式中κ代表光栅的耦合系数，与光栅的刻写深度、光栅的对比度等有关，l为光栅的长度。由公式可以看出，当κl足够小时，且κ不变时，光栅的反射率与光栅长度的平方近似成正比。所以在理论上，可以通过控制光栅的长度来实现控制光栅的反射率。
[0032]
基于以上分析，本发明的一种实施例的结构如图1所示。本实施例由激光器(1)、凹透镜(2)、凸透镜(3)、柱面镜(4)以及相位掩模版(5)组成。激光器(1)为248nm krf准分子激光器，可以发射用于刻写光栅的脉冲激光，通常情况下的光路为激光通过凹透镜(2)和凸透镜(3)后，扩束为较宽的平行光，然后通过柱面镜(4)，将宽的光斑汇聚为线光斑，然后对光纤(6)进行刻写。然而在本实施例中，通过光线光学的基本推导可以得到凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)与光斑长度l2(10)之间的关系，通过关系可以确定通过控制凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)控制光斑长度l2(10)进而达到控制光栅长度，从而实现控制光栅反射率。需要注意的是，在改变凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)时，柱面镜(4)与光纤(6)之间的最佳距离d3(9)，即光纤恰好在光束最集中处时柱面镜(4)与光纤(6)之间的距离也在变化，在设计时需要同时考虑。
[0033]
为定量描述上述几个变量的关系，需要对光路进行分析，根据光路图，由三角形的相似性可以得到如下公式：
[0034][0035]
其中l1为激光器(1)光斑长度、l2为光纤(6)处光斑长度、l3为凸透镜(3)右焦点处的光斑长度、l4为凸透镜(3)处光斑长度、l5为柱面镜(4)右焦点处的光斑长度、l6为柱面镜(4)处光斑长度，d1为凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离、d2为凸透镜(3)与柱面镜(4)之间的距离、d3为柱面镜(4)与光纤(6)之间的最佳距离、f0为凹透镜(2)焦距、f1为凸透镜(3)焦距、f2为柱面镜(4)焦距。如图3所示，令m＝f
1-d
2-f2，n＝f0 d
1-f1，可得柱面镜(4)与光纤(6)之间的最佳距离d3(9)与n的关系如下：
[0036][0037]
对d3进行求导，可得：
[0038][0039]
由于n与凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)为线性关系，上式也可以反应d1与d3的关系。通过公式(3)可以看出，凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)在移动的同时，柱面镜(4)与光纤(6)之间的最佳距离d3(9)也在改变。同样的，也可以得到反应凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)与光斑长度l2(10)的关系为：
[0040][0041]
其中：
[0042][0043]
进一步整理可得：
[0044][0045]
由公式(4)可得，当m绝对值较大时，d3的倒数较小，d3的变化距离较短，本实施例中，m绝对值大于40cm；由公式(7)可得，n趋近于0时，光斑长度l2(10)与凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)近似呈线性关系，在本实施例中n取
±
3cm之内。
[0046]
为适应相位掩模版(5)的长度，本实施例中所选取的凹透镜(2)焦距为7cm，凸透镜(3)的焦距选取为21cm，柱面镜(4)的焦距选取为5cm，凸透镜(3)与柱面镜(4)之间的距离d2(8)取值为60cm。在该条件下，柱面镜(4)与光纤(6)之间的最佳距离d3(9)与光斑长度l2(10)随凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)关系如图3所示，可以看到，一方面，在凸透镜(3)与凹透镜(2)之间的距离d1(7)从12cm调整到19cm时，光斑长度由1.1cm下降到约0.5cm，而同时柱面镜(4)与光纤(6)最佳距离仅仅变化0.7cm，而从实际操作中的经验来看，0.7cm的光路误差不会明显影响光栅的刻写效果。因此，在本实施例中，整个透镜系统仅需要移动凹透镜(2)即可实现对光栅长度的控制。控制范围为0.6cm。由于在本实施例中使用的相位掩模版(5)长度为1cm，由公式(1)可得，在弱反射光栅的条件下，耦合系数κ可以近似看作为常数，同时也可保证κl很小，故本实施例中光栅反射率可以降低到原光栅强度的约1/4，即本实施例可以实现原光栅的反射率的25％～100％的光栅反射率调整。
[0047]
本实施例中，凹透镜(2)的位置由电动精密位移台进行控制，通过结合啁啾掩模版、光栅强度的实时测量，还可以实现光栅的带宽控制以及光栅一致性控制等。
[0048]
以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明方案的保护范围之内。