长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光纤光栅技术领域，并具体公开了一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置及方法。包括：飞秒激光输出模块，用于输出飞秒激光；二向色镜；聚焦模块，用于将飞秒激光调制形成沿大芯径光纤轴向并列分布的一维多焦点，且一维多焦点在大芯径光纤横截面上形成长焦深分布；视觉定位模块，用于识别一维多焦点的位置信息；三维工作台模块，用于装载大芯径光纤，并调整大芯径光纤的位置；控制模块，用于控制所述飞秒激光输出模块、视觉定位模块以及三维工作台模块协同动作，使得用于刻蚀的指定能量的一维多焦点在Z方向上的刻蚀深度覆盖大芯径光纤纤芯的模场直径。本发明专利技术具有扫描效率高、刻蚀点阵均匀可控的特点。刻蚀点阵均匀可控的特点。刻蚀点阵均匀可控的特点。

【技术实现步骤摘要】
长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置及方法


[0001]本专利技术属于光纤光栅
，更具体地，涉及一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置及方法。

技术介绍

[0002]高功率光纤激光器在国防军事、加工制造等领域中占据越来越重要的战略地位。高功率光纤光栅作为高功率光纤激光器的关键器件，其性能的优劣将直接影响高功率光纤激光器的输出功率、光束质量和整机的稳定性。
[0003]目前，基于飞秒激光制备光纤光栅的途径主要有两种：（1）利用相位掩模板辅助紫外激光进行光栅刻写，简称“相位掩模法”；（2）飞秒激光直接刻写，简称“飞秒直写法”。其中，相位掩模法是唯一商用化的大批量光纤光栅制备方法，紫外光经过相位掩模板后形成明暗相间的干涉条纹，光敏光纤在此干涉条纹下进行紫外曝光，使纤芯折射率发生周期性的改变，形成光纤光栅。此方法缺点很明显，受限于光纤的光敏性波长，刻蚀光源一般采用193nm或248nm的准分子激光器，对相干性要求极高且价格昂贵；需定制与光栅设计匹配的相位掩模板，价格昂贵且严重影响了光栅刻写的灵活性；还需剥除光纤涂覆层，对待刻蚀光纤进行载氢增敏。而飞秒直写法使用高峰值功率的飞秒激光直接照射光纤纤芯，造成光纤纤芯折射率永久性变化，为光纤光栅的制备提供了一条新途径。由于刻写机理不同，飞秒直写法制备光纤光栅的过程中，无需对光纤进行载氢增敏，对光源相干性没有严格要求；光纤涂覆层也无需剥离；具有热稳定性好、制备灵活、损伤阈值低、耐高温等特点。
[0004]传统方法中，光纤载氢增敏过程要求的载氢压力较大，耗时较长。对于普通单模光纤，室温下载氢2周左右。目前广泛用于高功率光纤激光器谐振腔腔镜的大芯径双包层光纤光栅，具有更大的纤芯和包层尺寸，所需载氢增敏的时间大大延长。飞秒直写法刻写光栅的过程是一个非线性过程，不依赖于光纤的光敏性，无需对光纤进行载氢增敏，可进行快速刻写并减少由于刻写系统的不稳定带来的影响。且飞秒直写法刻蚀的光栅结构能够耐高温，可承受1000℃温度而不被擦除。因此，飞秒直写大芯径光纤光栅很有必要。
[0005]飞秒激光直写根据刻写方式不同，又分为：逐点直写、逐线直写、逐面直写、纤芯扫描直写。其中，逐点直写法最为常用。若采用飞秒激光逐点直写大芯径光纤光栅，单点折射率变化区域面积取决于刻蚀焦斑尺寸，与基模有效模场面积占比极小，则制备的光纤光栅耦合效率低下，难以形成高反射率的光纤光栅。而逐线直写法通过移动光纤，将逐点连成线，可有效克服单点折射率调制面积小的问题。因此，飞秒逐线直写法更适合制备大芯径光纤光栅。
[0006]然而，逐线直写光纤光栅，需要在沿光纤轴向的不同位置处的光纤横截面上紧凑逐点刻蚀并连成线，刻蚀点的数量很大。通过频繁的控制光纤所固定的高精度电控位移台在Y方向、X方向重复移动来实现，导致刻蚀点阵不均匀，很难获取均匀稳定的光栅轨迹。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置及方法，其中结合大芯径光纤自身的特征及其光栅刻写工艺特点，相应设计了长焦深飞秒激光逐点直写、多光束并行加工光栅的装置，并对其关键组件如飞秒激光输出模块、二向色镜、聚焦模块、视觉定位模块和三维工作台模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的有效解决了传统飞秒逐线直写大芯径光纤光栅过程中多点扫描效率低下与刻蚀点阵不均匀的难题，使飞秒激光在光纤轴向上形成多焦点分布且在光纤横截面上形成长焦深分布，适用于制备均匀稳定的大芯径光纤光栅，在高速大芯径光纤光栅逐线直写方面具有重要价值。
[0008]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，包括：飞秒激光输出模块，用于输出指定能量的准直飞秒激光；二向色镜，用于接收所述准直飞秒激光，并改变所述准直飞秒激光的方向；聚焦模块，包括依次沿光路布置的衍射锥透镜、一维衍射分束器和聚焦透镜，将所述二向色镜反射的准直飞秒激光依次经过所述衍射锥透镜、一维衍射分束器和聚焦透镜后，形成沿大芯径光纤轴向并列分布的一维多焦点，且一维多焦点在大芯径光纤横截面上形成长焦深分布；视觉定位模块，用于识别一维多焦点的位置信息；三维工作台模块，用于装载大芯径光纤，并根据所述位置信息调整大芯径光纤的位置和运动轨迹；控制模块，用于控制所述飞秒激光输出模块、视觉定位模块以及三维工作台模块协同动作，使得用于刻蚀的指定能量的一维多焦点在Z方向上的刻蚀深度覆盖大芯径光纤纤芯的模场直径，以实现一维多焦点沿X方向对大芯径光纤光栅进行长焦深、多排并行逐点直写。
[0009]作为进一步优选的，所述飞秒激光输出模块包括依次布置的飞秒光源、衰减单元以及扩束单元，所述飞秒光源在控制模块的作用下输出指定功率的飞秒激光，所述衰减单元用于接收所述飞秒激光并调整飞秒激光的功率。
[0010]作为进一步优选的，所述衰减单元包括依次沿光路布置的半波片、偏振分光棱镜。
[0011]作为进一步优选的，所述扩束单元包括依次沿光路布置的平凹透镜与平凸透镜。
[0012]作为进一步优选的，所述飞秒激光输出模块还包括设于所述飞秒光源与衰减单元之间的第一光阑；以及设于所述扩束单元与二向色镜之间的光快门和第二光阑，所述光快门与所述控制模块通信连接。
[0013]作为进一步优选的，所述视觉定位模块包括第一成像单元以及第二成像单元，所述第一成像单元用于识别一维多焦点沿大芯径光纤轴线方向的位置信息，所述第二成像单元用于识别一维多焦点沿大芯径光纤径向截面的位置信息。
[0014]作为进一步优选的，所述第一成像单元以及第二成像单元均包括CCD相机、分光镜以及照明光源。
[0015]作为进一步优选的，所述三维工作台模块包括高精度三维电控位移台以及设于该
高精度三维电控位移台上的光纤夹具，所述高精度三维电控位移台与所述控制模块通信连接。
[0016]按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的方法，采用上述的装置实现，包括以下步骤：S1输出指定能量的准直飞秒激光；S2所述准直飞秒激光通过二向色镜后，进入沿光路布置的衍射锥透镜、一维衍射分束器和聚焦透镜，以形成沿大芯径光纤轴向并列分布的一维多焦点，且一维多焦点在大芯径光纤横截面上形成长焦深分布；S3识别所述一维多焦点的位置信息，并根据该位置信息，调整大芯径光纤的位置，使得一维多焦点在Z方向上聚焦于大芯径光纤的纤芯与包层的交界处；S4控制模块控制三维工作台模块动作，同时按照刻蚀路径调整准直飞秒激光的输出功率，使得用于刻蚀的指定能量的一维多焦点在Z方向上的刻蚀深度覆盖大芯径光纤纤芯的模场直径，以实现一维多焦点沿Y方向对大芯径光纤光栅进行长焦深、多排并行逐点直写。
[0017]作为进一步优选的，所述控制模块调节飞秒光源主放大级泵浦功率或旋转半波片，从而控制从偏振分光棱镜透射的飞秒激光达到最佳刻蚀能量范围。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，其特征在于，包括：飞秒激光输出模块，用于输出指定能量的准直飞秒激光；二向色镜（8），用于接收所述准直飞秒激光，并改变所述准直飞秒激光的方向；聚焦模块（9），包括依次沿光路布置的衍射锥透镜（003）、一维衍射分束器（004）和聚焦透镜（005），将所述二向色镜（8）反射的准直飞秒激光依次经过所述衍射锥透镜（003）、一维衍射分束器（004）和聚焦透镜（005）后，形成沿大芯径光纤轴向并列分布的一维多焦点，且一维多焦点在大芯径光纤横截面上形成长焦深分布；视觉定位模块，用于识别一维多焦点的位置信息；三维工作台模块，用于装载大芯径光纤，并根据所述位置信息调整大芯径光纤的位置和运动轨迹；控制模块，用于控制所述飞秒激光输出模块、视觉定位模块以及三维工作台模块协同动作，使得用于刻蚀的指定能量的一维多焦点在Z方向上的刻蚀深度覆盖大芯径光纤纤芯的模场直径，以实现一维多焦点沿X方向对大芯径光纤光栅进行长焦深、多排并行逐点直写。2.根据权利要求1所述的一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，其特征在于，所述飞秒激光输出模块包括依次布置的飞秒光源（1）、衰减单元以及扩束单元（5），所述飞秒光源（1）在控制模块的作用下输出指定功率的飞秒激光，所述衰减单元用于接收所述飞秒激光并调整飞秒激光的功率。3.根据权利要求2所述的一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，其特征在于，所述衰减单元包括依次沿光路布置的半波片（3）、偏振分光棱镜（4）。4.根据权利要求2所述的一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，其特征在于，所述扩束单元（5）包括依次沿光路布置的平凹透镜（001）与平凸透镜（002）。5.根据权利要求2所述的一种长焦深飞秒激光并行直写大芯径光纤光栅的装置，其特征在于，所述飞秒激光输出模块还包括设于所述飞秒光源（1）与衰减单元之间的第一光阑（2）；以及设于所述扩束单元（5）与二向色镜（8）之间的光快门（6）和第二光阑（7），所述光快门（6）与所述控制模块通信连接。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：石文静，崔庆哲，胡阿健，武春风，李强，姜永亮，刘厚康，宋祥，胡金萌，
申请(专利权)人：武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：