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    一种 多功能 光纤 微结构 连续 刻写 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201710042159.3

    申请日:

    2017.01.19

    公开号:

    CN106772782A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G02B 6/02申请日:20170119|||公开
    IPC分类号: G02B6/02 主分类号: G02B6/02
    申请人: 华中科技大学
    发明人: 孙琪真; 张威; 闫志君; 向阳; 艾凡; 汪静逸; 刘德明
    地址: 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
    优先权:
    专利代理机构: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 廖盈春
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201710042159.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.10.31|||2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种多功能光纤微结构连续刻写装置及方法,该装置包括,放纤???,用于以由所刻写光纤微结构类型而确定的速度放出光纤,光纤进入光纤清洗??榻星逑春蠓懦銮褰喙庀?,清洁光纤进入光纤调节???,由光纤调节??榈髡挥诳绦辞虻那褰喙庀说奈恢糜肭阈苯嵌?,激光发生??橛牍庀说鹘谀?橄喽苑胖?,激光发生??樵诠庀松峡绦垂庀宋⒔峁?,通过改变光纤的速度和脉冲激光的起止时间,实现在光纤上刻写不同的微结构,收纤??橛糜谑漳煽绦从形⒔峁沟墓庀?,本装置相较于普通的光栅刻写平台,由于光纤相对于脉冲干涉激光光源可独立精确移动,同时通过调整发射脉冲干涉激光的时间和终止发射脉冲干涉激光的时间,可以在光纤上任意刻写光栅结构,实现不同的光纤微结构的刻写,大幅提高生产效率以及刻写的光纤微结构质量。

    权利要求书

    1.一种多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,包括:
    放纤???1),用于存储光纤,并以由所刻写光纤微结构类型而确定的速度放出光纤;
    光纤清洗???2),用于对所述放纤???1)放出的光纤进行清洗并放出清洁光纤;
    光纤调节???3),用于调节所述光纤清洗???2)放出的位于刻写区域的清洁光纤的
    位置与倾斜角度,以保证脉冲干涉激光方向与所述位于刻写区域清洁光纤行进方向垂直,
    并放出刻写微结构的光纤;
    激光发生???4),与光纤调节???3)相对放置,用于发射脉冲干涉激光,且所述脉冲
    干涉激光用于刻写光纤微结构,所述脉冲干涉激光的周期与光纤的行进速度的乘积为所需
    刻写光纤微结构栅格间隔的整数倍;
    收纤???5),用于以由所刻写光纤微结构的类型而确定的速度收纳由光纤调节???br />(3)放出的刻有微结构的光纤;
    根据所刻写光纤微结构类型调整所述放纤???1)放出光纤的速度与所述收纤???br />(5)收回光纤速度改变光纤行进速度,同时根据所刻写光纤微结构类型和光纤的行进速度
    改变激光发生???4)发射脉冲干涉激光的起止时间,实现在位于刻写区域的清洁光纤上
    刻写所需的光纤微结构。
    2.根据权利要求1所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,还包括:
    第一应力控制???6),用于压紧或放松位于放纤???1)和光纤清洗???2)之间的
    光纤;
    第二应力控制???7),用于压紧或放松位于光纤调节???3)和收纤???5)之间的
    光纤。
    3.根据权利要求1所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,还包括隔震光
    学平台(8),所述光纤调节???3)置于所述隔震光学平台(8)上,用于保证位于刻写区域的
    光纤的稳定性。
    4.根据权利要求1所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,所述光纤调节
    ???3)包括:左过渡轮组和右过渡轮组,所述左过渡轮组和所述右过渡轮组相对布置,所
    述左过渡轮组和所述右过渡轮组可相对独立上下移动,
    所述左过渡轮组,用于缠绕由所述光纤清洗???2)放出的清洁光纤并放出进入刻写
    区域的清洁光纤;
    所述右过渡轮组,用于缠绕由刻写区域放出的刻有微结构的光纤并放出进入所述收纤
    ???5)的刻有微结构的光纤;
    通过上下调整所述左过渡轮组和所述右过渡轮组改变左过渡轮组与右过渡轮组的位
    置关系,实现调节位于刻写区域的清洁光纤的位置和倾斜角度。
    5.根据权利要求1所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,光纤类型为涂
    覆层紫外透明的光纤或者无涂覆层的光纤。
    6.根据权利要求5所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,所述激光发生
    ???4)包括:
    紫外激光器,用于提供连续激光束;
    声光调制器,其输入端与紫外激光器输出端连接,用于将连续激光束调制为脉冲激光
    束;
    变迹幅度模板,用于改变由声光调制器输出的脉冲激光束光强分布来对光纤微结构进
    行切趾,输出第一脉冲激光;
    聚焦透镜,用于控制由变迹幅度??槭涑龅牡谝宦龀寮す獾墓獍叱叽?,输出第二脉冲
    激光;
    相位掩模板,用于让由聚焦透镜输出的第二脉冲激光形成脉冲干涉激光。
    7.根据权利要求6所述的多功能光纤微结构连续刻写装置,其特征在于,所述相位掩模
    板包括:相位掩模板基座和相位掩模面板,所述相位掩模面板安装于所述相位掩模板基座
    上,且所述相位掩模面板可以相对于所述相位掩模板基座旋转;
    所述相位掩模板基座,用于支撑所述相位掩模面板;
    所述相位掩模面板,用于让第二脉冲激光形成脉冲干涉激光。
    8.一种用权利要求1-7任一项所述的多功能光纤微结构连续刻写装置的多功能光纤微
    结构连续刻写方法,其特征在于,包括如下步骤:
    (1)通过同步调整所述放纤??楹退鍪障四?槿霉庀艘杂伤绦垂庀宋⒔峁沟睦嘈?br />而确定的速度行进,光纤进入所述光纤清洗??榍逑春蠓懦銮褰喙庀?;
    (2)当所述清洁光纤行进至刻写区域时,通过所述光纤调整??榈髡挥诳绦辞虻?br />清洁光纤的位置和倾斜角度,使光纤行进方向与脉冲干涉激光方向垂直;
    由所述激光发生??榧涠系姆⒊雎龀甯缮婕す?,脉冲干涉激光在位于刻写区域的清洁
    光纤上刻写光纤微结构,脉冲干涉激光的发射时间和停止时间根据所刻写的光纤微结构结
    构确定;
    (3)判断是否所有光纤微结构已经刻写完成,若是,则终止,否则,待清洁光纤行进至刻
    写区域后,进入步骤(2);
    所述脉冲干涉激光的周期与光纤的行进速度为所需刻写光纤微结构栅格间隔的整数
    倍。
    9.根据权利要求8所述的多功能光纤微结构连续刻写方法,其特征在于,在脉冲干涉激
    光在光纤上刻写光纤微结构时调整放纤??橛胧障四?槿霉庀嗽人傩薪迪志裙庹さ?br />刻写,或通过在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时调整放纤??橛胧障四?槿霉庀?br />均匀加速行进可以实现啁啾光栅的刻写。
    10.根据权利要求9所述的多功能光纤微结构连续刻写方法,其特征在于,在脉冲干涉
    激光在光纤上刻写光纤微结构时短暂暂停脉冲干涉激光可以实现相移光栅和超结构光栅
    的刻写。

    说明书

    一种多功能光纤微结构连续刻写装置及方法

    技术领域

    本发明涉及光纤传感系统中光纤光栅的制备,具体地指一种多功能光纤微结构连
    续刻写装置及方法。

    背景技术

    光纤光栅是利用光纤的光敏性通过紫外曝光或者飞秒激光在光纤的纤芯中形成
    的周期性折射率调制结构,其凭借自身抗电磁干扰、质轻、体积小、化学性质稳定以及电绝
    缘等优点得到了广泛的研究。各种不同结构的光纤光栅拥有很多独特的性能,使其成为一
    种在光纤通讯、光纤传感等领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。

    1993年K.O.HiLL等人提出了相位掩模法制作光纤光栅,自此光纤光栅的生产开始
    步入商业化时代。相位掩模法制作光纤光栅是基于相位掩模板的近场衍射所产生的空间干
    涉条纹在光纤纤芯中形成周期性折射率变化,从而形成光纤光栅。现有常规的相位掩模法
    生产光纤光栅时,每刻写完一段光栅,需要控制激光束关闭,再将刻写完成的光纤光栅从光
    纤夹持器上取下来,然后再拿取下一根光纤开启激光刻写,如此重复循环,实现光纤光栅的
    批量生产。由于在光栅刻写前后,需要人工不停的在光纤夹具上固定和取下光纤,同时人工
    装取过程中需要长时间停顿使得激光器的激光束在此时间内的能量不能有效利用,所以生
    产效率低下,使得光纤光栅的制造成本较高。

    近年来在航空航天领域、土木工程领域、机械在线监测领域这些应用场合,对分布
    式光纤传感的容量以及空间分辨率要求逐步提高,使得光纤光栅的需求量以及刻写要求日
    益倍增。传统的分布式光纤传感器的制备方法是先在单根光纤上刻写好光纤光栅,然后将
    这些光纤串联熔接成一根分布式的光纤传感线路。但是该种方法不仅生产效率低,难以实
    现大容量、传感单元密集的分布式光纤传感器,此外光纤串联熔接的工艺会因为调芯装置
    的精度限制导致不可避免的附加损耗并影响到光信号的质量。同时熔接部分比较脆弱,需
    要涂覆或者使用热缩套管,降低光纤的可绕性以及系统的可靠性。

    连续刻写装置可以在单根光纤上刻写出分布式的光纤光栅阵列,可以有效解决上
    述问题,并且大幅提高生产效率,降低成本。常见的连续刻写装置刻写包括在恒定速度运动
    的裸纤上动态在线写入光纤光栅并完成?;げ阃扛埠拖劝胀ü庀说耐扛膊闳缓蠖?br />在线写入光纤光栅最后重涂覆的两种刻写方案。但是这两种方案会使裸纤长时间与空气接
    触,其表面易吸附水蒸气与细小悬浮颗粒,将会影响到光纤的机械强度与光学性能的长期
    稳定性。同时这两种方案对光纤的移动速度难以精确控制,光纤的位置与方向无法调整,一
    般只用来刻写均匀光栅及均匀光栅阵列,无法实现多功能的各种不同结构的光纤光栅的刻
    写。

    发明内容

    本发明的目的是针对传统光纤光栅刻写装置与方法存在的诸多技术难点,以及传
    统在线方案刻写的光纤光栅可靠性差,难以刻写多种不同结构的光纤光栅等问题提出的一
    种多功能光纤微结构连续刻写装置及方法,使得光纤微结构的生产效率成倍提高,降低制
    造多种光纤微结构的成本,本发明中光纤微结构是指在光纤中用激光刻写出的微小的结
    构,包括任意结构的光栅以及任意结构光栅的各种组合。

    本发明为实现上述目的,本发明提供了一种多功能光纤微结构连续刻写装置,包
    括:

    放纤???,用于存储光纤,并以由所刻写光纤微结构类型而确定的速度放出光纤;

    光纤清洗???,用于对放纤??榉懦龅墓庀私星逑床⒎懦銮褰喙庀?;

    光纤调节???,用于调节光纤清洗??榉懦龅奈挥诳绦辞虻那褰喙庀说奈恢糜?br />倾斜角度,以保证脉冲干涉激光方向与位于刻写区域清洁光纤行进方向垂直,并放出刻写
    微结构的光纤;

    激光发生???,与光纤调节??橄喽苑胖?,用于发射脉冲干涉激光,且脉冲干涉激
    光用于刻写光纤微结构,脉冲干涉激光的周期与光纤的行进速度的乘积为所需刻写光纤微
    结构栅格间隔的整数倍;

    收纤???,用于以由所刻写光纤微结构的类型而确定的速度收纳由光纤调节???br />放出的刻有微结构的光纤;

    根据所刻写光纤微结构类型调整放纤??榉懦龉庀说乃俣扔胧障四?槭栈毓庀?br />速度改变光纤行进速度,同时根据所刻写光纤微结构类型和光纤的行进速度改变激光发生
    ??榉⑸渎龀甯缮婕す獾钠鹬故奔?,实现在位于刻写区域的清洁光纤上刻写所需的光纤微
    结构。

    放纤??橐杂伤绦垂庀宋⒔峁沟睦嘈投范ǖ乃俣确懦龉庀?,光纤经过光纤清
    洗??榍逑?,去除附着的杂质,并由光纤调整??榈髡庀说目绦辞蛴肼龀甯缮婕す獾?br />位置和倾斜角度,保证脉冲干涉激光方向与光纤行进??榉较虼怪?,激光发生??榉⑸渎?br />冲干涉激光,在光纤上刻写微结构,刻有微结构的光纤由收纤??槭漳?,在微结构刻写过程
    中放纤??楹褪障四?橥阶梢允迪值ジ庀松狭绦词看笄颐芗庀宋⒔峁?br />阵列,通过对放纤??楹褪障四?樽俚目刂凭房刂乒庀说囊贫浇鸵贫俣?,以满
    足在刻制不同光纤微结构时对光纤与脉冲干涉激光相对速度需求,通过改变发射脉冲干涉
    激光时间和停止发射脉冲干涉激光的时间,实现在光纤上连续刻写任意所需的光纤微结
    构。

    进一步地,还包括第一应力控制???,用于压紧或放松位于放纤??楹凸庀饲逑?br />??橹涞墓庀?;

    第二应力控制???,用于压紧或放松位于光纤调节??楹褪障四?橹涞墓庀?。

    第一应力控制??楹偷诙α刂颇?楣餐鹘诠庀酥械挠α?,在光纤微结构刻
    写过程中可通过改变光纤中的应力实现所刻写的光纤微结构中心波长的微调。

    进一步地,还包括隔震光学平台,光纤调节??橹糜诟粽鸸庋教ㄉ?,用于保证刻
    写区域的光纤的稳定性,提高所刻写光纤微结构的准确度。

    进一步地,光纤调节??樽蠊陕肿楹陀夜陕肿?,左过渡轮组和右过渡轮组相
    对布置,左过渡轮组和右过渡轮组可相对独立上下移动,

    左过渡轮组,用于缠绕由光纤清洗??榉懦龅那褰喙庀瞬⒎懦鼋肟绦辞虻那?br />洁光纤;

    右过渡轮组,用于缠绕由刻写区域放出的刻有微结构的光纤并放出进入收纤???br />的刻有微结构的光纤;

    通过上下调整左过渡轮组和右过渡轮组改变左过渡轮组与右过渡轮组的位置关
    系,实现调节位于刻写区域的清洁光纤的位置和倾斜角度。

    通过调节左过渡轮组与右过渡轮组的上下位置关系,可以调节位于左过渡轮组与
    右过渡轮组之间光纤的倾斜角度和位置,使光纤的行进方向与光纤刻写??槭涑龅穆龀甯?br />涉激光垂直,同时可以让光纤刻写??槭涑龅穆龀甯缮婕す獾慕沟阄挥诠庀松?,提高所刻
    写光纤微结构的质量。

    进一步地,光纤类型为涂覆层紫外透明的光纤或者无涂覆层的光纤。采用该类型
    光纤无需剥除光纤涂覆层,保障光纤的机械强度和系统稳定性,同时便于放纤??橛胧障?br />??槎怨庀诵薪俣鹊牡髡?,提高光纤微结构刻写质量。

    进一步地,激光发生??榘ǎ?br />

    紫外激光器,用于提供连续激光束;

    声光调制器,其输入端与紫外激光器输出端连接,用于将连续激光束调制为脉冲
    激光束;

    变迹幅度模板,用于改变由声光调制器输出的脉冲激光束光强分布来对光纤微结
    构进行切趾,输出第一脉冲激光;

    聚焦透镜,用于控制由变迹幅度??槭涑龅牡谝宦龀寮す獾墓獍叱叽?,输出第二
    脉冲激光;

    相位掩模板,用于让由聚焦透镜输出的第二脉冲激光形成脉冲干涉激光。

    紫外激光器发出的连续激光束,经过声光调制器调制为脉冲激光束,通过边迹幅
    度模板改变脉冲激光束的光强分布实现对光纤微结构进行切趾,在通过聚焦透镜将由变迹
    幅度模板输出的第一脉冲激光聚焦,输出第二脉冲激光,由相位掩模板让第二脉冲激光形
    成脉冲干涉激光,通过更换变迹幅度模板可实现多种变迹光栅的刻写,通过更换相位掩模
    板可以实现不同中心波长的光纤微结构刻写。

    进一步地,相位掩模板包括相位掩模板基座和相位掩模面板,相位掩模面板安装
    于相位掩模板基座上,且相位掩模面板可以相对于相位掩模板基座旋转,相位掩模板基座
    用于支撑相位掩模面板,相位掩模面板让第二脉冲激光形成脉冲干涉激光,可以以掩模板
    面板所在平面的法线方向为轴旋转来实现倾斜光栅的刻写。

    作为本发明的另一方面,本发明提供了一种采用多功能光纤微结构连续刻写装置
    的多功能光纤微结构连续刻写方法,包括:

    (1)通过同步调整放纤??楹褪障四?槿霉庀艘杂伤绦垂庀宋⒔峁沟睦嘈投?br />定的速度行进,光纤进入光纤清洗??榍逑春蠓懦銮褰喙庀?;

    (2)当清洁光纤行进至刻写区域时,通过光纤调整??榈髡挥诳绦辞虻那褰?br />光纤的位置和倾斜角度,使光纤行进方向与脉冲干涉激光方向垂直;

    由激光发生??榧涠系姆⒊雎龀甯缮婕す?,脉冲干涉激光在位于刻写区域的清洁
    光纤上刻写光纤微结构,脉冲干涉激光的发射时间和停止时间根据所刻写的光纤微结构结
    构确定;

    (3)判断是否所有光纤微结构已经刻写完成,若是,则终止,否则,待清洁光纤行进
    至刻写区域后,进入步骤(2);

    脉冲干涉激光的周期与光纤的行进速度为所需刻写光纤微结构栅格间隔的整数
    倍。

    本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写方法,通过让脉冲干涉激光固定,让光
    纤相对脉冲干涉激光移动,可以实现单根光纤上的光纤微结构的刻写。通过调整位于刻写
    区域的光纤与激光发生??榉⒊龅穆龀甯缮婕す獾奈恢?,可以提高所刻写光纤微结构的质
    量,通过调整放纤??楹褪障四?榈鹘诠庀说男薪俣?,同时调整脉冲干涉激光的发射起
    始时间和终止时间,可以实现不同光纤微结构刻写。

    进一步地,在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时调整放纤??橛胧障四??br />让光纤匀速行进实现均匀光栅的刻写,或通过在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时
    调整放纤??橛胧障四?槿霉庀司燃铀傩薪梢允迪诌惫庹さ目绦?。

    进一步地,在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时短暂暂停脉冲干涉激光可
    以实现相移光栅和超结构光栅的刻写。

    通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:

    1、本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置,可在单根光纤上连续刻写光纤
    微结构,整根光纤无熔点也无需剥除涂覆层,机械强度高;

    2、本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置,通过固定脉冲干涉激光光源移
    而移动光纤,让光纤与脉冲干涉激光相对移动,光纤调节??榈ザ拦潭ㄔ诟粽鸸庋教ㄉ?,
    刻写区域的稳定性高,可以实现超长光栅的刻写;

    3、本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置,光纤的移动速度可精确控制,
    光纤光栅的间隔以及长度可根据实际需求方便地进行调整,能够制备均匀光栅,啁啾光栅
    等。同时光纤光栅的最小间隔可控制在5μm,能够制备相移光栅,超结构光栅以及密集光纤
    光栅阵列等。

    4、本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置,人工操作减少,生产过程实现
    连续刻写,并且一套设备可刻写多种光纤微结构,极大的降低了光纤微结构的制作成本。

    附图说明

    图1为本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置的结构图,图中:1—放纤轮,
    2—光纤清洗???,201—第一过渡轮,202—光纤清洗单元,203—第二过渡轮,3—光纤调节
    ???,301—第三过渡轮,302—第四过渡轮,303—第五过渡轮,304—第六过渡轮,4—激光
    发生???,5—收纤轮;6—第一应力控制轮,7—第二应力控制轮,8—隔震光学平台,10—位
    于刻写区域的光纤;

    图2为本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置中激光发生??榈氖疽馔?,
    图中:401-紫外激光器,402-声光调制器,403-变迹幅度模板,404-聚焦透镜,405-相位掩模
    板;

    图3为普通掩模板刻写倾斜光栅示意图,图中:4051-相位掩模面板,9-光纤;

    图4为采用本发明提供的多功能光纤微结构在紫外涂覆层透明光纤上刻写的光纤
    微结构的反射光谱。

    具体实施方式

    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对
    本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并
    不用于限定本发明。

    本发明提供的一种多功能光纤微结构连续刻写装置,该装置包括放纤???,用于
    存储光纤,并以一定速度放出光纤,光纤的行进速度根据所需刻写微结构的类型确定,光纤
    首先进入第一应力控制???,并从第一应力??榉懦?,然后进入光纤清洗???,经由光纤清
    洗??榍逑春蠓懦銮褰喙庀?,清洁光纤进入光纤调节???,激光发生??橛牍庀说鹘谀??br />相对放置,光纤调节??槲挥诟粽鸸庋教?,光纤调剂??榈髡褰喙庀说奈恢糜肭阈苯?br />度,使清洁光纤与激光发生??槭涑龅穆龀甯缮婕す獯怪?,激光发生??榉⑸渎龀甯缮婕?br />光,在位于刻写区域的光纤上刻写光纤微结构,隔震光学平台实现在刻写过程中保证位于
    刻写区域的光纤的稳定性,刻写有光纤微结构的光纤进入第二应力控制???,并由第二应
    力控制??榉懦?,进入收纤???,收纤??橐杂牍庀诵薪俣认嗤乃俣仁漳煽逃泄庀宋?br />结构的光纤,放纤??榉懦龉庀说乃俣扔胧障四?槭漳晒庀说乃俣认嗤?,保证在放纤???br />与收纤??橹涞墓庀宋林弊刺?。通过让光纤与脉冲干涉激光相对移动,实现在线连续
    刻写光纤微结构。通过精确地控制放纤??榉懦龉庀说乃俣?,可以实现精确的控制光纤的
    行进速度,根据所刻写光纤微结构类型和光纤行进速度,确定激光发生??榉⑸浼す獾钠?br />止时刻,实现对不同结构光纤微结构的刻写。通过在光纤微结构刻写时保持光纤匀速移动
    可以实现均匀光栅的刻写,通过在光纤微结构刻写时保持光纤均匀加速可以实现啁啾光栅
    的刻写,通过在光纤微结构刻写时短暂暂停激光可以实现相移光栅和超结构光栅的刻写,
    暂停时间根据光纤微结构类型确定。由于光纤调节??槲挥诟粽鸸庋教ㄉ?,在光纤微结
    构刻写过程中,能够提高刻写区域的稳定性,实现长周期光栅以及超长光栅或光栅阵列的
    刻写。通过共同调整第一应力控制???,使得位于放纤??楹凸庀饲逑茨?橹涞墓庀搜?br />紧或放松,通过调整第二应力控制???,使得位于收纤??楹凸庀说髡?橹涞墓庀搜?br />紧或放松,实现对光纤中应力的调整,在光纤微结构刻写过程中可通过改变光纤中的应力
    实现所刻写的光纤微结构中心波长的微调。

    如图1所示,本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置的实施例中,放纤???br />为绕有待刻写光纤的放纤轮1,第一应力控制??槲谝挥α刂坡?,由放纤轮1放出的光
    纤经过第一应力控制轮6进入清洗???,光纤清洗???包括第一过渡轮201,光纤清洗单
    元202,第二过渡轮203,光纤经由第一过渡轮201进入光纤清洗单元202并由第二过渡轮203
    放出,光纤清洗单元202用于在光纤进入刻写区域前,使用无水乙醇对光纤表面进行清洁,
    去除附着的杂质保障刻写的光纤微结构的质量,第一过渡轮201和第二过渡轮203用于调节
    光纤走向使其顺利通过光纤清洗单元202。光纤调节???包括左过渡轮组和右过渡轮组,
    左过渡轮组包括第三过渡轮301和第四过渡轮302,右过渡轮组包括第五过渡轮303和第六
    过渡轮304,左过渡轮组和右过渡轮组固定在隔震光学平台8上并且可相对独立的上下移
    动,用于调节刻写区域的光纤的位置与倾角,保障由激光发生???输出的脉冲干涉激光方
    向与光纤行进方向垂直。由激光发生???发出的脉冲干涉激光在位于刻写区域的光纤10
    上刻写光纤微结构,第二应力控制??槲诙α刂坡?,收纤??槲障寺?,刻写有光
    纤微结构的光纤经由第二应力控制轮7进入收纤轮,放纤轮1与收纤轮5两者构成一个光纤
    收放系统,放纤轮和收纤轮的最大线速度为20cm/s,步进为5μm,通过调整第一应力控制轮6
    和第二应力控制轮7在光纤微结构刻写过程中可通过改变光纤中的应力实现所刻写的光纤
    微结构中心波长的微调。

    如图2所示,本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置的实施例中,光纤类型
    为涂覆层紫外透明的光纤或者无涂覆层的光纤,采用该类型光纤可以采用紫外激光刻写激
    光无需剥除光纤涂覆层,保障光纤的机械强度和系统稳定性,同时便于放纤??橛胧障四?br />块对光纤行进速度的调整,提高光栅刻写质量。激光发生???包括紫外激光器401,作为刻
    写光纤微结构的光源为248nm准分子激光器;由紫外激光器401输出的激光进入声光调制器
    402,声光调制器402将激光调制为脉冲激光,且需要保证脉冲周期乘以光纤移动速度为所
    需刻写光纤微结构栅格间距的整数倍,由声光调制器402输出的脉冲激光射入变迹幅度模
    板403,变迹幅度模板403用于调制脉冲激光的光斑强度分布来对光纤微结构进行切趾,通
    过更换变迹幅度模板可实现多种变迹光栅的刻写;经过声光调制器402第一脉冲激光进入
    聚焦透镜404,聚焦透镜404用于控制变光强分布的脉冲激光的光斑尺寸,输出第二脉冲激
    光;第二脉冲激光进入相位掩模板405,相位掩模板405用于形成空间干涉光来刻写光纤微
    结构,通过更换掩模板可以实现不同中心波长的光纤微结构刻写,相位掩模板包括相位掩
    模板基座和相位掩模面板,相位掩模面板安装于相位掩模板基座上,且相位掩模面板可以
    相对于相位掩模板基座旋转,相位掩模面板让第二脉冲激光形成脉冲干涉激光,可以以掩
    模板面板所在平面的法线方向为轴旋转来实现倾斜光栅的刻写。

    结合上述实施例中的装置,本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写的装置的具
    体操作及原理为:

    使用涂覆层对248nm激光透明的光纤,通过计算机控制放纤轮1和收纤轮5同步转
    动,确保光纤收放纤同步,光纤依次经过第一应力控制轮6,第一过渡轮201,光纤清洗单元
    202,第二过渡轮203,第三过渡轮301,第四过渡轮302,第五过渡轮303,第六过渡轮304,第
    二应力控制轮7,最后存储在收纤轮5中;整个过程中通过调节应力控制轮6和7使光纤中保
    持固定的应力使光纤绷直。

    光纤微结构刻写时,首先通过光纤调节??橹械墓潭ㄔ谧蟊咂教ǖ墓陕?06和
    107以及固定在右边平台的过渡轮108和109调节光纤的位置,使激光聚焦点照射在光纤纤
    芯中,并使激光方向与光纤行进方向垂直;如果需要刻写倾斜光栅,则需要调节掩模板基座
    的倾角,如图3所示;然后通过放纤轮1和收纤5同步转动精确控制光纤的移动步进和移动速
    度,并使光纤经过光纤清洗???,对光纤表面进行清洁;接着开启紫外激光器401,激光通
    过幅度变迹模板402进行强度调制,更换不同的幅度变迹模板可实现不同的强度调制获得
    不同的光纤微结构切趾效果;最后激光通过聚焦透镜404和相位掩模板405照射在移动的光
    纤上进行连续刻写光纤微结构;当所需的一段光纤微结构刻写完成后,暂停激光,待下一段
    待刻写光纤移动至光斑处,开启激光继续刻写光纤微结构,可以实现单根光纤上的光纤微
    结构的刻写。

    作为本发明的另一方面,本发明提供了一种采用多功能光纤微结构连续刻写装置
    的多功能光纤微结构连续刻写方法,包括:

    (1)通过同步调整放纤??楹褪障四?槿霉庀艘杂伤绦垂庀宋⒔峁沟睦嘈投?br />定的速度行进,光纤进入光纤清洗??榍逑春蠓懦銮褰喙庀?;

    (2)当清洁光纤行进至刻写区域时,通过光纤调整??榈髡挥诳绦辞虻那褰?br />光纤的位置和倾角,使光纤行进方向与脉冲干涉激光方向垂直;

    由激光发生??榧涠系姆⒊雎龀甯缮婕す?,脉冲干涉激光在位于刻写区域的清洁
    光纤上刻写光纤微结构,脉冲干涉激光的发射时间和停止时间根据所刻写的光纤微结构确
    定;

    (3)判断是否所有光纤微结构已经刻写完成,若是,则终止,否则,待清洁光纤行进
    至刻写区域后,进入步骤(2);

    脉冲干涉激光的周期与光纤的行进速度为所需刻写光纤微结构中栅格周期的整
    数倍。

    在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时调整放纤??橛胧障四?槿霉庀嗽?br />速行进实现均匀光栅的刻写,或通过在脉冲干涉激光在光纤上刻写光纤微结构时调整放纤
    ??橛胧障四?槿霉庀司燃铀傩薪梢允迪诌惫庹さ目绦?。在脉冲干涉激光在光纤上
    刻写光纤微结构时短暂暂停脉冲干涉激光可以实现相移光栅和超结构光栅的刻写。

    本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写方法,通过让脉冲干涉激光固定,让光
    纤相对脉冲干涉激光移动,可以实现单根光纤上光纤微结构的刻写,通过调整位于刻写区
    域的光纤与激光发生??榉⒊龅穆龀甯缮婕す獾奈恢?,可以提高所刻写光纤微结构的质
    量,通过调整放纤??楹褪障四?榈鹘诠庀说男薪俣?,同时调整脉冲干涉激光的发射起
    始时间和终止时间,可以实现不同光纤微结构刻写。

    图4为采用本发明提供的多功能光纤微结构连续刻写装置在紫外涂覆层透明光纤
    上刻写的光纤微结构的反射光谱,位于中心波长的反射光强度最高,采用本发明提供的多
    功能光纤微结构连续刻写装置而刻写的光纤微结构可靠性高。

    最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,
    尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对
    本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均
    应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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    本文标题:一种多功能光纤微结构连续刻写装置及方法.pdf
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