專利名稱：一種利用飛秒激光制備布拉格光纖光柵的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于微納器件制備和飛秒激光微加工技術領域，特別涉及利用飛 秒激光瞬態相干技術在光纖內部制備布拉格光柵的方法及其裝置。
背景技術：
光纖布拉格光柵是用特殊工藝使得光纖纖芯的折射率發生永久性周期變 化而形成的，能對波長滿足布拉格反射條件的入射光產生反射，是一種在光 纖通訊、光纖傳感等光電子處理領域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。 光纖布拉格光柵目前的制作工藝主要為相位掩模法，即先在計算機控制下精 密刻蝕成的位相衍射元件，正入射的紫外光經過掩模板衍射后零級受抑制， ±1級分別達最大且相互作用的近場干涉條紋對緊貼其后的摻雜光纖纖芯進
行曝光，形成周期為位相模板周期的1/2的光纖布拉格光柵。位相掩模技術 具有穩定、靈活、重復性好等特點，但也存在一些不足，例如方法復雜、 只能在摻雜光纖中加工、紫外光曝光形成的光柵不能永久保存等，難以滿足 今后光纖布拉格光柵迅速發展和廣泛使用的需要。
與上述工藝相比，飛秒激光以其峰值功率極高(接近102QW/cm2)和脈 沖寬度極短(lfs = 10—15s)的特點，能夠在很短的時間內將很大的能量注入 到材料中，實現受熱影響很小的超微細材料加工；同時，由于閾值效應的存 在，能被加工的區域遠小于光斑，因而能夠突破衍射極限的限制；此外，當 兩個飛秒激光脈沖在時間上和空間上重疊時，所形成的干涉條紋圖樣可以直
接在材料上誘導周期微結構，而不論該種材料是否具有光敏性。因此，飛秒 激光瞬態相干技術具有的無需掩模、無需光刻膠、加工材料的廣泛性，以及 單步、高效、周期可控等特點，使其在制備光纖布拉格光柵方面具有得天獨 厚的優勢。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種利用飛秒激光制備布 拉格光纖光柵的方法及裝置，該方法不僅光路簡單、易于實現，而且只要改 變兩束光的夾角就可以實現大范圍內對光柵周期的調控，此外光纖無須摻雜， 形成的光柵為永久結構，不易消失。
本發明的技術解決方案是
將兩束飛秒激光經透鏡聚焦并相干后輻照光纖纖芯，產生微納周期結構， 具體步驟如下
1) 選用脈沖寬度為20 120fs、波長為325 1200nm的飛秒激光脈沖， 經分束鏡分為兩路，下行光路經過光學延遲線后由聚焦透鏡聚焦至樣品，上 行光路經直接經聚焦透鏡聚焦至樣品；
2) 通過精細調節光學延遲線和觀察倍頻晶體的二次諧波效應來確保兩束 飛秒激光發生干涉；
3) 選用石英光纖作為樣品，并事先去除表面涂覆包層；
4) 通過控制飛秒激光單脈沖能量1(HJ lmJ、脈沖頻率10Hz 100kHz、 脈沖寬度20 120fs、光束夾角15° 165° ,使激光干涉后作用于光纖纖芯 上，從而在聚焦光束重疊區域內誘導出微納周期結構。
所說的光纖纖芯為石英光纖，但不僅限于石英光纖，任何透明介質均可。
所說的光纖纖芯直徑為12.5 125nm。
實現裝置由激光加載系統和樣品裝夾系統依次連接構成，激光加載系統 由飛秒激光器和光開關、可變衰減器、分束鏡、光學延遲線、反射鏡和聚焦 透鏡組成，由飛秒激光器輸出的飛秒激光經過光開關、可變衰減器、分束鏡后，下行光路經過光學延遲線后由聚焦透鏡聚焦至樣品，上行光路經直接經 聚焦透鏡聚焦至樣品。
在光開關、可變衰減器之間依次設置倍頻晶體、濾光片。
在飛秒激光器和光開關之間設置光學參量放大系統。
所述的樣品裝夾系統由光纖纖芯、三維精密移動平臺和控制計算機組成。 光纖纖芯固定在三維精密移動平臺上，控制計算機與三維精密移動平臺相連。
本發明的優點在于
(1) 本發明利用飛秒瞬態相干技術制備光纖布拉格光柵，制備工藝簡單、 原材料消耗和成本低、制備效率高，制備出的光纖布拉格光柵穩定性好、不 易消失，光柵周期易于調控，適用范圍廣。
(2) 本發明利用三維精密移動平臺均勻移動光纖纖芯，使飛秒激光焦點 在其上逐點掃描，可實現大面積光纖布拉格光柵陣列的制備。
(3) 本發明可誘導產生周期為400nm 2.5^m的光纖布拉格光柵，可以 滿足在光電、通訊、傳感等領域的需要。
圖1為本發明800nm、夾角為20°的兩束飛秒激光在光纖纖芯上制備光 纖布拉格光柵結構的方法的示意圖。
圖2為本發明400nm、夾角為90°的兩束飛秒激光在光纖纖芯上制備光
纖布拉格光柵結構的方法的示意圖。
圖3為本發明325nm、夾角為160°的兩束飛秒激光在光纖纖芯上制備 光纖布拉格光柵結構的方法的示意圖。
下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，由飛秒激光器1產生的飛秒激光，脈沖寬度為30fs、波 長為800nm、脈沖頻率為lkHz、單脈沖能量為的激光束，通過光開關 2、可變衰減器3后由分束鏡4分為兩束，上行光路經過光學延遲線5、反射 鏡6后由聚焦透鏡7聚焦至樣品，上行光路直接由反射鏡8反射后經聚焦透 鏡9聚焦至樣品。光纖纖芯13固定在三維精密移動平臺14上，光纖纖芯的 運動由計算機15控制三維精密移動平臺完成。飛秒激光聚焦光斑直徑約為 100pm。這樣在激光輻照區逐步形成了光纖布拉格光柵結構。
參照圖2所示，由飛秒激光器1產生的飛秒激光，脈沖寬度為30fs、波 長為800nm、脈沖頻率為lkHz、單脈沖能量為3(HJ的激光束，通過光開關 2、倍頻晶體10后轉換為脈沖寬度為50fs、波長為400nm、脈沖頻率為lkHz、 脈沖能量為lOpJ的飛秒激光，再通過濾光片ll、由分束鏡4分為兩束，下 行光路經過光學延遲線5、反射鏡6后由聚焦透鏡7聚焦至樣品，上行光路 直接由反射鏡8反射后經聚焦透鏡9聚焦至樣品。光纖纖芯13固定在三維精 密移動平臺14上，光纖纖芯的運動由計算機15控制三維精密移動平臺完成。 飛秒激光聚焦光斑直徑約為100|im。這樣在激光輻照區逐步形成了光纖布拉 格光柵結構。
參照圖3所示，由飛秒激光器1產生的飛秒激光，脈沖寬度為30fs、波
長為800nm、脈沖頻率為lkHz、單脈沖能量為lmJ的激光束，通過光學參 量放大系統12后轉換為脈沖寬度為30fs、波長為325nm、脈沖頻率為lkHz、 脈沖能量為IOO(lJ的飛秒激光，再通過光開關2、可變衰減器3后由分束鏡4 分為兩束，下行光路經過光學延遲線5、反射鏡6后由聚焦透鏡7聚焦至樣 品，上行光路直接由反射鏡8反射后經聚焦透鏡9聚焦至樣品。光纖纖芯13 固定在三維精密移動平臺14上，光纖纖芯的運動由計算機15控制三維精密 移動平臺完成。飛秒激光聚焦光斑直徑約為100pm。這樣在激光輻照區逐步 形成了光纖布拉格光柵結構。 實施例1:
由飛秒激光器產生的飛秒激光，脈沖寬度為30fs、波長為800nm、脈沖 頻率為lkHz、脈沖能量為10^J的激光束，由分束鏡分為兩束，下行光路經 過光學延遲線后由聚焦透鏡聚焦至光纖纖芯樣品，上行光路經直接經聚焦透 鏡聚焦至光纖纖芯樣品。兩束光的夾角約為20° ，兩個聚焦透鏡的焦距均為 150mm，聚焦光斑約為100jim。石英光纖纖芯固定在三維精密移動平臺上， 石英光纖纖芯的運動由計算機控制三維精密移動平臺完成。這樣在激光輻照 區逐步形成了石英光纖布拉格光柵結構。 實施例2:
選用脈沖寬度為50fs、波長為400nm、脈沖頻率為lkHz、脈沖能量為 10pJ的激光束，由分束鏡分為兩束，下行光路經過光學延遲線后由聚焦透鏡 聚焦至石英光纖纖芯樣品，上行光路經直接經聚焦透鏡聚焦至石英光纖纖芯 樣品。兩束光夾角約為卯°兩個聚焦透鏡的焦距均為150mm，聚焦光斑約 為100pm。石英光纖纖芯固定在三維精密移動平臺上，石英光纖纖芯的運動
由計算機控制三維精密移動平臺完成。這樣在激光輻照區逐步形成了光纖布
拉格光柵結構。
實施例3:
選用脈沖寬度為40fs、波長為325nm、脈沖頻率為lkHz、脈沖能量為 l(HJ的激光束，由分束鏡分為兩束，下行光路經過光學延遲線后由聚焦透鏡 聚焦至石英光纖纖芯樣品，上行光路經直接經聚焦透鏡聚焦至石英光纖纖芯 樣品。兩束光的夾角約為160° ，兩個聚焦透鏡的焦距均為150mm，聚焦光 斑約為100|im。石英光纖纖芯固定在三維精密移動平臺上，石英光纖纖芯的 運動由計算機控制三維精密移動平臺完成。這樣在激光輻照區逐步形成了石 英光纖布拉格光柵結構。
權利要求
1、一種利用飛秒激光制備布拉格光纖光柵的方法，其特征在于，將兩束飛秒激光經透鏡聚焦并相干后輻照光纖纖芯，產生微納周期結構，具體步驟如下1)選用脈沖寬度為20～120fs、波長為325～1200nm的飛秒激光脈沖，經分束鏡分為兩路，下行光路經過光學延遲線后由透鏡聚焦至樣品，上行光路經直接經透鏡聚焦至樣品；2)通過精細調節光學延遲線和觀察倍頻晶體的二次諧波效應來確保兩束飛秒激光發生干涉；3)選用光纖作為樣品，并事先去除表面涂覆包層；4)通過控制飛秒激光單脈沖能量10μJ～1mJ、脈沖頻率10Hz～100kHz、脈沖寬度20～120fs、光束夾角15°～165°，使激光干涉后作用于石英光纖纖芯上，從而在聚焦光束重疊區域內誘導出微納周期結構。
2、 根據權利要求1所述的一種利用飛秒激光制備布拉格光纖光柵的方 法，其特征在于，所述的光纖纖芯為石英光纖或者任何透明介質。
3、 根據權利要求1所述的一種利用飛秒激光制備布拉格光纖光柵的方 法，其特征在于，所說的光纖纖芯直徑為12.5 125pm。
4、 實現權利要求1所述方法的裝置，其特征在于，由激光加載系統和樣 品裝夾系統依次連接構成，激光加載系統由飛秒激光器(1)和光開關(2)、 可變衰減器G)、分束鏡(4)、光學延遲線(5)、反射鏡(6、 8)和聚焦透 鏡(7、 9)組成，由飛秒激光器(1)輸出的飛秒激光依次經過光開關(2)、 可變衰減器(3)、分束鏡(4)后，下行光路依次經過光學延遲線(5)、反射 鏡(6)后由聚焦透鏡(7)聚焦至樣品，上行光路直接由反射鏡(8)反射后 經聚焦透鏡(9)聚焦至樣品(13)。
5、 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，在光開關(2)、可變衰減 器(3)之間依次設置倍頻晶體(10)、濾光片(11)。
6、 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，在飛秒激光器(1)和光 開關(2)之間設置光學參量放大系統(12)。
7、 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的樣品裝夾系統由光 纖纖芯(13)、三維精密移動平臺(14)和控制計算機(15)組成，光纖纖芯(13)固定在三維精密移動平臺(14)上，控制計算機(15)與三維精密移 動平臺(14)相連。
全文摘要
本發明公開了一種利用飛秒激光制備布拉格光纖光柵的方法及裝置，利用飛秒激光瞬態相干技術在光纖內部制備布拉格光柵的方法。光纖布拉格光柵制備時，先將去除掉包層的光纖纖芯固定在三維精密移動平臺上，然后將兩束飛秒激光分別經透鏡聚焦，并使之產生干涉后作用于光纖纖芯上，通過光致折射率變化在光纖纖芯內部產生布拉格光柵結構。本發明具有制備效率高、穩定性好、設備裝置簡單，且制得的光纖布拉格光柵不會消退等優點。
文檔編號G02B7/00GK101359067SQ200810150569
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者洵 侯, 司金海, 青 楊, 王先華, 烽 陳 申請人:西安交通大學