飞秒激光相位模板刻写光纤布拉格光栅装置

1.本实用新型涉及光纤光栅刻写装置技术领域，具体涉及一种飞秒激光相位模板刻写光纤布拉格光栅装置。


背景技术：

2.高功率光纤振荡器由于具有结构紧凑、操作方便等特点，其在工业生产以及国防领域都有着重要的应用。目前全光纤结构振荡器的最高输出功率为8kw。光纤布拉格光栅(fbg)是高功率光纤振荡器中的重要器件，其作为振荡器的腔镜并实现激光的耦合输出，光纤布拉格光栅直接决定了振荡器的输出功率、非线性效应如受激拉曼散射(srs)与模式不稳效应(tmi)的阈值。
3.目前用于振荡器的光纤布拉格光栅主要都是通过紫外曝光法来刻写的，在刻写光纤布拉格光栅之前，光纤需要预先载氢，且刻写完成后需要进行退火处理以消除光纤中的氢气，载氢与退火都需要消耗大量时间，且退火过程中，光纤布拉格光栅的光谱质量会有所下降，且很难完全清除光纤中的氢气，在高功率光纤振荡器的实验中，残留在光纤中的氢气会带来严重的热负载，对振荡器的性能造成严重的影响。
4.飞秒激光被视为一种可替代紫外曝光法的一种方案，通过飞秒激光刻写光纤布拉格光栅，光纤的光敏性不再是限制条件，因此光纤不需要预先载氢，刻写完成也不用进行退火处理，利用飞秒激光直写技术可灵活的刻写光纤布拉格光栅，且光纤布拉格光栅的谐振波长不再受限于模板的周期。但是，利用直写刻写的光纤布拉格光栅通常插损较大，不利于其在高功率光纤激光器里的应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷和不足，本实用新型的目的是提供一种飞秒激光相位模板刻写光纤布拉格光栅装置。本实用新型通过将飞秒激光与相位模板结合同样能够实现光纤布拉格光栅的刻写，而且该方式能够刻写出性质比较稳定的光纤布拉格光栅，在高功率光纤振荡器中具有应用的前景。
6.为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案为：
7.飞秒激光相位模板刻写光纤布拉格光栅装置，包括飞秒激光器、反射式空间光调制器、振动单元、柱面镜、相位掩模板以及光纤夹持平台，待刻写光纤布拉格光栅的光纤安装定位在光纤夹持平台上，所述飞秒激光器输出的飞秒激光经反射式空间光调制器反射后传输至振动单元，经振动单元后入射至柱面镜，相位掩模板设置在柱面镜和光纤夹持平台上的光纤之间，透过柱面镜的飞秒激光经相位掩模板垂直入射至光纤上，光纤纤芯位于柱面镜的焦点位置，在柱面镜的焦点位置处飞秒激光被聚焦成沿光纤轴向的一条线。
8.优选地，本实用新型所述振动单元为一维振动台或者振镜，使飞秒激光沿垂直于光纤轴向方向发生上下振动。
9.优选地，本实用新型所述柱面镜设置在短程一维位移平台上，通过短程一维位移
平台调整柱面镜与光纤之间的距离以实现飞秒激光聚焦位置精确落在光纤纤芯上。
10.优选地，本实用新型所述相位掩模板和光纤之间的间距超过1mm，以保证相位掩模板的零级衍射和正负一级衍射分离，且光纤的纤芯区域正好为相位掩模板的正负一级衍射区。
11.优选地，本实用新型所述纤为石英光纤、增益光纤、氟化物光纤或硫系光纤等。
12.优选地，本实用新型所述反射式空间光调制器、振动单元、柱面镜、短程一维位移平台均设置在长程一维位移平台上，长程一维位移平台能够沿光纤轴向方向发生位移。
13.优选地，本实用新型所述所述光纤夹持平台包括光纤夹具、光纤夹具安装平台和位移平台，所述光纤由光纤夹具水平夹持，所述光纤夹具安装在光纤夹具安装平台上，所述光纤夹具安装平台安装在位移平台上，所述位移平台能够带动光纤夹具安装平台实现一个维度以上的位移。
14.本实用新型中，飞秒激光依次通过柱面镜与相位模板在纤芯中聚焦，在纤芯中印刻出周期性结构，通过在光路中与光纤夹具上添加电控设备可以有效的调控折射率分布，以实现对模式耦合过程的控制。利用本系统可实现光纤布拉格光栅(fbg)，啁啾光纤布拉格光栅(cfbg)，倾斜光纤布拉格光栅(tfbg)以及啁啾倾斜光纤布拉格光栅(ctfbg)的刻写，折射率分布于整个纤芯，以增加模场与折射率分布的交叠，此外折射率分布可以为圆形以控制大模场光纤中的模式耦合。
15.与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
16.本实用新型光纤无需预先载氢、刻写完成后也无需进行退火处理，满足高功率光纤激光器的应用需求。
17.本实用新型所述反射式空间光调制器、振动单元、柱面镜、短程一维位移平台均设置在长程一维位移平台上，长程一维位移平台能够沿光纤轴向方向发生位移，以满足刻写长度较长的光纤布拉格光栅的应用需求。
18.本实用新型可灵活的控制光栅的折射率分布，另外在光路结构中存在一维振动平台或振镜，以扩大折射率调制区的面积。
19.本实用新型中光纤夹具为电控旋转夹具，在刻写光纤布拉格光栅的同时，夹持光纤的光纤夹具也可带动光纤围绕其中心轴线旋转，使刻写出的光纤布拉格光栅的折射率调制区呈现出圆形，以满足模式控制的需求。
20.本实用新型中的位移平台能够带动光纤夹具安装平台实现一个维度以上的位移，进一步地还包括能够沿光纤轴向振动与径向振动的振动平台，以满足动态刻写tfbg的需求。
附图说明
21.图1为本实用新型一实施例的结构示意图；
22.图2为本实用新型一实施例中光纤夹持平台的结构示意图；
23.图3为本实用新型一实施例中飞秒激光聚焦以及折射率分布示意图，其中(a)为直线形折射率分布；(b)为方形折射率分布；(c)为圆形折射率分布；
24.图4为本实用新型一实施例中倾斜光纤布拉格光栅刻写示意图，(a)示出了一种方式实现tfbg的刻写；(b)示出了另一种方式实现tfbg的刻写；
25.图例说明：
26.1：飞秒激光器；2：长程一维电动位移平移台；3：反射式空间光调制器；4：振动单元；5：短程一维电动位移平移台；6：柱面镜；7：相位掩模板；8：光纤；8-1：包层；8-2：纤芯；9：光纤夹具；10：折射率调制区；s1：z方向位移平台；s2：y方向位移平台；s3：x方向振动台；s4：z方向振动台；s5：z方向倾斜调控平台；s6：y方向旋转平台；s7：光纤夹具安装平台。
27.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
30.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
33.如图1所示，本实施例提供一种飞秒激光相位模板刻写光纤布拉格光栅装置，包括飞秒激光器1、反射式空间光调制器3、振动单元4、柱面镜6、相位掩模板7以及光纤夹持平台，待刻写光纤布拉格光栅的光纤8安装定位在光纤夹持平台上，所述飞秒激光器1输出的飞秒激光经反射式空间光调制器3反射后传输至振动单元4，经振动单元4后入射至柱面镜6，相位掩模板7设置在柱面镜6和光纤夹持平台上的光纤8之间，透过柱面镜6的飞秒激光经相位掩模板7垂直入射至光纤8上，光纤8的纤芯8-2位于柱面镜6的焦点位置，在柱面镜6的焦点位置处飞秒激光被聚焦成沿光纤轴向的一条线。
34.本实用新型中飞秒激光器1的波长可以从紫外波段至近红外波段。反射式空间光调制器3可以实现飞秒激光波前的改变，从而改变最后激光的聚焦状态。振动单元4可以采用一维振动台或振镜，振动单元可以让飞秒激光光斑沿垂直于光纤8的轴向方向发生上下振动，以扩大折射率调制区于模场的接触面积。
35.本实用新型中相位掩模板7和光纤8之间的间距超过1mm，以保证相位掩模板7的零级衍射和正负一级衍射分离，且光纤8的纤芯区域正好为相位掩模板7的正负一级衍射区。
36.在本实用新型的优选实施例中，柱面镜6设置在短程一维电动位移平移台5上，通过短程一维电动位移平移台5调整柱面镜6与光纤7之间的距离以实现飞秒激光聚焦位置精确落在光纤8的纤芯8-2上。
37.本实用新型的光纤可以为石英光纤、增益光纤、氟化物光纤或硫系光纤等，且刻写过程中可以不剥除涂敷层。光纤8被光纤夹持平台上光纤夹具9夹持。优选地，所述光纤夹具9为电控旋转夹具。在刻写光纤布拉格光栅的同时，夹持光纤8的光纤夹具9也可带动光纤围绕其中心轴线旋转，使刻写出的光纤布拉格光栅的折射率调制区呈现出圆形，以满足模式控制的需求。
38.在本实用新型的优选实施例中，所述反射式空间光调制器3、振动单元4、柱面镜6、一维电动位移平移台5均设置在长程一维电动位移平移台2上，长程一维电动位移平移台2能够沿光纤轴向方向发生位移，以实现较长的fbg刻写，如cfbg与ctfbg。
39.参照图2，为本实用新型一实施例中采用的光纤夹持平台。所述光纤夹持平台包括光纤夹具9、光纤夹具安装平台s7和位移平台，所述光纤8由光纤夹具9水平夹持，所述光纤夹具9安装在光纤夹具安装平台s7上，所述光纤夹具安装平台s7安装在位移平台上，所述位移平台能够带动光纤夹具安装平台实现一个维度以上的位移。所述光纤夹具9为电控旋转夹具。在刻写光纤布拉格光栅的同时，夹持光纤8的光纤夹具9也可带动光纤围绕其中心轴线旋转，使刻写出的光纤布拉格光栅的折射率调制区呈现出圆形，以满足模式控制的需求。
40.本实用新型中所述位移平台由z方向位移平台、y方向位移平台，x方向振动平台、z方向振动平台、y方形旋转平台以及z方向倾斜调控平台中两种或两种以上组合而成。
41.参照图2，该实施例中的所述位移平台包括z方向位移平台s1、y方向位移平台s2，x方向振动平台s3、z方向振动平台s4、y方向旋转平台s6以及z方向倾斜调控平台s5；
42.所述光纤夹具9安装平台安装在y方向旋转平台s6上，y方向旋转平台s6能够实现y方向360
°
范围内旋转，通过y方向旋转平台s6的旋转间接带动光纤以确保光纤8与相位掩模板7完全平行；
43.所述y方向旋转平台s6安装在z方向倾斜调控平台s5上，z方向倾斜调控平台s5能够沿z方向
±
10
°
的范围内旋转，通过z方向倾斜调控平台s5的旋转间接带动光纤，以在光纤上刻写不同倾斜角度的光纤布拉格光栅。
44.所述z方向倾斜调控平台s5下依次设有z方向振动平台s4和x方向振动平台s3，z方向振动平台s4能够间接带动光纤实现z方向振动，x方向振动平台s3能够间接带动光纤实现x方向振动。在刻写tfbg时可以让x方向振动平台s3与z方向振动平台s4以不同的速度发生振动，两个平台的叠加效果使光纤在xz平面内以一定的角度发生振动。
45.所述x方向振动平台s3安装在y方向位移平台s2上，y方向位移平台s2能够间接带动光纤实现y方向的位移；
46.所述y方向位移平台s2安装在z方向位移平台s1上，z方向位移平台s1能够间接带动光纤实现z方向的位移，以确保光纤落在相位掩模板7的范围内。
47.其中z方向位移平台s1、y方向位移平台s2均为手动位移平台；x方向振动平台s3、z方向振动平台s4均为电动振动平台；y方向旋转平台s6以及z方向倾斜调控平台s5均为手动
旋转平台。
48.图3为本实用新型一实施例中飞秒激光聚焦以及折射率分布示意图；其中光纤8包括薄层8-1和纤芯8-2。图3的(a)中，飞秒激光依次通过柱面镜6与相位掩模板7后在纤芯8-2附近聚焦，焦点并不是一个点，而是沿飞秒激光传输方向存在一定的焦深，一条线段，焦深的长度与柱面镜6的焦距有关，即折射率调制区10为一条穿过纤芯8-1的线。在刻写过程中，若驱动振动单元4工作，折射率调制区为覆盖整个纤芯的方形，如图3的(b)所示。相比(a)中的一条线，(b)中的方形的折射率调制区增加了模场与折射率调制区的交叠，且折射率调制区是均匀的折射率分布，能够降低偏振相关损耗。若刻写光纤布拉格光栅过程中，振动单元4保持静止，而光纤夹具9发生旋转，则刻写的折射率分布为与纤芯同心的圆，如图3的(c)所示，由于光纤中的模式都是圆对称的，圆形折射率可以抑制基模同高阶模耦合，通过更换不同焦距的柱面镜，可以改变折射率调制区的半径，当半径小于纤芯半径时，折射率调制在包层8-2中无分布。对于双包层光纤，这种折射率分布可以有效的降低对包层光的影响，避免发热，对于高功率激光器具有重要的意义。
49.图4为本实用新型一实施例中倾斜光纤布拉格光栅刻写示意图；(a)为通过z方向倾斜调控平台s5调整光纤8的倾角后，光纤8与相位掩模板7的相对位置，在这种情况下，z方向振动平台s4或振动单元4工作，可以实现tfbg的刻写。如图4中(b)所示，在光纤无需与相位掩模板7存在夹角也可以实现tfbg的刻写，此时，z方向振动平台s4与x方向振动平台s3同时以不同的速度发生振动，两个平台的合成效果为光纤在xz平面内以一定的夹角振动，这样，折射率调制区与光纤轴向存在一定的夹角，若相位掩模板存在一定的啁啾量，长程一维电动位移平移台2沿x方向发生移动即可实现ctfbg的刻写。
50.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。