[發明專利]一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統和方法

在審

• 申請號: 202110973401.5
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113671621A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 鄭加金;仲昱沛;楊曉磊;伍廉彬;劉愷;韋瑋
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 楊靜

1.一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：包括紫外激光器（1）、光學導軌（2）、第一線性位移平臺（3）、寬帶光源（10）、光敏光纖（13）、環形器（14）、光譜儀（15）、計算機（17）以及第二線性位移平臺（16）；在所述光學導軌上依次布置有反射鏡（4）、第一光闌（5）、第二光闌（6）、擴束器（7）、柱透鏡（8）及相位掩模板（9）；所述第二線性位移平臺（16）依次設置有第一光纖夾具（11）和第二光纖夾具（12），所述第一光纖夾具（11）和第二光纖夾具（12）用于夾持固定光敏光纖（13）；

所述光學導軌（2）設置于第一線性移動平臺（3）上，所述第一線性移動平臺（3）和第二線性移動平臺（16）分別與計算機（17）連接，所述計算機（17）用于控制光學導軌（2）、第一光纖夾具（11）以及第二光纖夾具（12）的移動速度和移動方式；

所述反射鏡（4）、第一光闌（5）、第二光闌（6）、擴束器（7）、柱透鏡（8）及相位掩模板（9）能夠跟隨光學導軌（2）在第一線性移動平臺（3）上按計算機（17）設定的速度和方式同步移動；

所述反射鏡（4）用于改變紫外激光的軌跡，并確保由紫外激光器（1）發出的紫外激光束位于第一光闌（5）、第二光闌（6）、擴束器（7）、柱透鏡（8）及相位掩模板（9）的中心線；

所述環形器（14）與寬帶光源（10）、光譜儀（15）以及光敏光纖（13）分別連接，并用于改變反射光信號的方向，便于光譜儀（15）的信號采集。

2.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于： 所述紫外激光器（1）提供紫外激光輸出，輸出紫外激光的中心波長為193nm、244nm、248nm或308nm。

3.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述第一光闌（5）為橫向矩形光闌，所述第二光闌（6）為縱向矩形光闌。

4.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述擴束器（7）用于將通過第一光闌（5）和第二光闌（6）的紫外激光光束光斑進行擴大。

5.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述柱透鏡（8）為平凸正柱面透鏡，用于將來自擴束器（7）的紫外激光光束匯聚得到特定形狀光束。

6.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述相位掩模板（9）用以將經柱透鏡（8）的入射紫外激光束分為兩束光功率相等的+1級和-1級衍射光束，兩束激光相干涉形成明暗相間條紋，作用于光敏光纖（13）上曝光形成相應周期光纖光柵。

7.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述寬帶光源（10）與光敏光纖（13）連接，其輸出波長范圍為1000nm～2400nm寬帶信號光，所述光譜儀（15）用于實時監測光柵刻寫過程中反射和透射光譜的情況。

8.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：第二線性位移平臺（16）能分別單獨控制位于其上的第一光纖夾具（11）和第二光纖夾具（12）。

9.根據權利要求1所述的一種線性可移動光纖光柵連續刻寫系統，其特征在于：所述第二線性位移平臺（16）為一維電機位移平臺；所述第一線性移動平臺（3）和第二線性移動平臺（16）采用的線性平臺行程1000mm，編碼器分辨率50nm，最大速度100mm/s，負載容量達100kg，通過計算機（17）設定第一線性移動平臺（3）和第二線性移動平臺（16）行進速度和移動方式。

10.一種線性可移動光纖光柵連續刻寫方法，其特征在于：利用權利要求1至9任意一項所述的刻寫系統，包括以下步驟：

將紫外激光器（1）的重復頻率設置為10～40Hz，高壓模塊設置為18～22KV，單脈沖能量設置為80～150mJ，開啟后紫外激光器（1）發出中心波長為193nm、244nm、248nm或308nm紫外激光光束，直接入射至光學導軌（2）之上的反射鏡（4）之上；

經反射鏡（4）反射后，紫外激光依次通過第一光闌（5）與第二光闌（6）的選擇與整形，得到尺度為8×5mm、不均勻度小于5%的矩形光斑；矩形光斑經擴束器（7）將光束尺度擴大2～4倍后，進一步依次入射至柱透鏡（8）和相位掩模板（9），得到+1級和-1級衍射光束，兩束激光相干涉形成明暗相間條紋作用于光敏光纖（13）上；

通過光譜儀（15）實時監測寬帶光源（10）發出的信號光通過光敏光纖（13）的反射和透射光譜的情況，至紫外激光脈沖數為2000～10000個、時間40～120s，得到反射率為10%～99%、周期為362nm、446nm、528nm或681nm的光纖光柵；

利用計算機（17）控制第二線性位移平臺（16）上的第二光纖夾具（12）給光敏光纖（1）一個5N的力向右移動和第一線性移動平臺（3）上的光學導軌（2）以20mm/s～100mm/s的速度在第一線性移動平臺（3）上移動1～3s，反射鏡（4）、第一光闌（5）、第二光闌（6）、擴束器（7）、柱透鏡（8）及相位掩模板（9）隨光學導軌（2）在第一線性移動平臺（3）上移動60～100mm后，在此位置停留40～120s，重復步驟上述步驟過程，得到第二個光纖光柵；

重復上述步驟，最終能夠在同一根光敏光纖（13）上連續刻寫無焊點串接的光纖光柵陣列。