申请/专利权人：北京交通大学

申请日：2017-12-29

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN109991699B

主分类号：G02B6/02

分类号：G02B6/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.08.02#实质审查的生效;2019.07.09#公开

摘要：本发明提出了一种2μm波段相移取样光纤光栅，其制作以光敏光纤101为基质，包括纤芯102和包层103；所述纤芯102中包含有n个取样段，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、光栅周期为Λ，非曝光区长度为b，同时在所述2μm波段相移取样光纤光栅中心位置处设置有π相移点104。本发明同时提供了所述2μm波段相移取样光纤光栅的制作系统和方法。所述相移取样光纤光栅在用于2μm波段单纵模窄线宽光纤激光器制作方面具有潜在的应用前景，具有有益的技术效果。

主权项：1.一种2μm波段相移取样光纤光栅的制作方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，2μm波段取样光纤光栅制作：预先设置所述2μm波段取样光纤光栅的参数，通过控制激光光斑在取样光栅掩膜板208上的运动特性，结合所控制的激光器201的输出激光特性，进行刻写所述2μm波段取样光纤光栅；刻写过程中，使用光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到所述2μm波段取样光纤光栅；步骤二，2μm波段相移取样光纤光栅制作：取下所述取样光栅掩膜板208，通过控制计算机205控制位移平台206，使得激光光斑停留在所述2μm波段取样光纤光栅的中心位置，通过激光曝光，制作π相移点104，使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到所述2μm波段相移取样光纤光栅，所述2μm波段取样光纤光栅的反射谱当波长范围为1938nm到1942nm时，光栅有三个反射峰，反射峰的3dB带宽分别为0.0840nm，0.0880nm和0.0840nm。

全文数据：2μm波段相移取样光纤光栅及制作系统和方法技术领域本发明涉及光纤光栅无源器件领域，尤其涉及一种2μm波段相移取样光纤光栅及制作系统和方法。背景技术2μm波段多波长光纤激光器，因其具有人眼安全特性和对多种气体具有低损耗大气窗口和强吸收峰，在通信、军事、医疗、传感和测量领域有广泛应用。为了实现多波长输出，光纤光栅作为高效的滤波器件被用于1.55μm和2μm波段的光纤激光器系统。加拿大渥太华通信研究中心的K.Hill等人在1978年发现光纤的光敏特性，并采用488nm和514nm的氩离子激光器在掺锗石英基光纤中形成驻波而成功制得光栅，但由于这种方法写制效率低下且光纤光栅周期完全取决于入射激光波长，因此其后十年光纤光栅的研究并未获得快速的发展。取样光纤布拉格光栅简称取样光纤光栅是一种非均匀光纤光栅，其折射率调制呈周期性分段分布，是对均匀光纤布拉格光栅按照一定的规律在空间上进行采样得到的，其反射谱呈梳状，可以被用于多波长光纤激光器的实现。然而，取样光纤光栅每个反射峰的带宽大，不易形成单纵模激光输出。相移光纤布拉格光栅简称相移光纤光栅是在均匀光纤光栅上的某个或某些位置上出现相位偏移，会在其反射谱中出现一个或多个较窄的缺口，形成透射峰，而且透射峰带宽窄，可以容易选出单纵模激光。发明内容本发明的目的是提出一种2μm波段相移取样光纤光栅，以及对该2μm波段相移取样光纤光栅的制作系统和方法。其相比于传统的相移光栅和取样光栅结构，能实现更加窄带的滤波，更加有利于激光模式的选择。为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案。一种2μm波段相移取样光纤光栅，其制作以光敏光纤101为基质，其特征在于：所述光敏光纤101包括纤芯102和包层103；所述纤芯102中包含有n个取样段，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、光栅周期为Λ，非曝光区长度为b，同时在所述2μm波段相移取样光纤光栅中心位置处设置有π相移点104。一种2μm波段相移取样光纤光栅制作系统，包括激光器201、光衰减镜202、全反射镜203、柱面透镜204、控制计算机205、位移平台206、光纤夹持器207、取样光栅掩膜板208、环形器209、宽带光源210、光谱仪211，其特征在于：所述全反射镜203和所述柱面透镜204固定在所述位移平台206上，可由所述控制计算机205控制所述位移平台206的移动；所述取样光栅掩膜板208属于2μm波段取样光栅掩膜板，其具有n个取样段，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、周期为T满足T＝2Λ，非曝光区长度为b。优选地，其中还包括光敏光纤101。优选地，所述光敏光纤101为高压氢载或纤芯高掺锗元素的单模光纤。优选地，所述光敏光纤101与所述光环形器209的端口2相连接，所述宽带光源210与所述光环形器209的端口1相连接，所述光谱仪211与所述光环形器209的端口3相连接。优选地，所述2μm波段相移取样光纤光栅的反射谱和透射谱通过所述光谱仪211读取。一种2μm波段相移取样光纤光栅的制作方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，2μm波段取样光纤光栅制作：预先设置所述2μm波段取样光纤光栅的参数，通过控制激光光斑在取样光栅掩膜板208上的运动特性，结合所控制的激光器201的输出激光特性，进行刻写所述2μm波段取样光纤光栅；刻写过程中，使用光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段取样光纤光栅；步骤二，2μm波段相移取样光纤光栅制作：取下所述取样光栅掩膜板208，通过控制计算机205控制位移平台206，使得激光光斑停留在所述2μm波段取样光纤光栅的中心位置，通过激光曝光，制作π相移点104，使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段相移取样光纤光栅。本发明的有益效果为：1、设计结构简易灵活，外界影响因素少，插入损耗低；2、通过调整设计相移取样光栅的参数，实现不同双波长激光输出；3、可以制得具有超窄滤波带宽的滤波器件，在用于2μm波段单纵模窄线宽光纤激光器制作方面具有潜在的应用前景。附图说明图1为本发明所述的2μm波段相移取样光纤光栅结构示意图；图2为本发明所述的2μm波段相移取样光纤光栅制作系统示意图。图中：101、光敏光纤，102、纤芯，103、包层，104、π相移点，p、取样周期，a、曝光栅区长度，b、非曝光区长度，Λ、曝光栅区光栅周期，201、激光器，202、光衰减镜，203、全反射镜，204、柱面透镜，205、控制计算机，206、位移平台，207、光纤夹持器，208、取样光栅掩膜板，209、环形器，210、宽带光源，211、光谱仪，211、光敏光纤。具体实施方式下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。为便于对本发明内容的理解，下面将结合附图以及具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明内容的限定。本发明的目的是提出一种2μm波段相移取样光纤光栅，可以得到一种具有多个窄带透射峰的光纤滤波器件，同时提供了一种此光纤光栅的制作方法，下面通过图1-图2来描述本发明。实施例1：如图1所示，2μm波段相移取样光纤光栅，其制作以光敏光纤101为基质，其特征在于：所述光敏光纤101包括纤芯102和包层103；所述纤芯102中包含有n个取样段Z1Z1’、Z2Z2’、……、ZkZk’、Zk+1Zk+1’、……、Zn-1Zn-1’、ZnZn’，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、光栅周期为Λ，非曝光区长度为b，同时在所述2μm波段相移取样光纤光栅中心位置处设置有π相移点104。所述光敏光纤101可以为高压氢载或纤芯高掺锗元素的单模光纤，对紫外光敏感，通过紫外光激光照射，折射率会发生改变；所述光敏光纤101也可以根据实际需要选择其他类型的光敏光纤。实施例2：如图2所示，为本发明所述的2μm波段相移取样光纤光栅制作系统示意图，包括激光器201、光衰减镜202、全反射镜203、柱面透镜204、控制计算机205、位移平台206、光纤夹持器207、取样光栅掩膜板208、环形器209、宽带光源210、光谱仪211、光敏光纤101。所述激光器201为紫外光激光器，波长为248nm，可输出单位能量可调的脉冲光；所述激光器201也可以根据实际需要改外其他波长或类型。所述全反射镜203和所述柱面透镜204固定在所述位移平台206上，可由所述控制计算机205控制所述位移平台206的移动。所述光敏光纤101位于所述取样光栅掩膜板208后的部分剥去涂覆层。所述光敏光纤101与所述环形器209的端口2相连接，所述宽带光源210与所述环形器209的端口1相连接，所述光谱仪211与所述环形器209的端口3相连接。所述取样光栅掩膜板208属于2μm波段取样光栅掩膜板，其具有n个取样段，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、周期为T满足T＝2Λ，非曝光区长度为b。所述2μm波段相移取样光纤光栅制作系统工作原理为：所述激光器201输出激光通过所述光衰减镜202进行衰减后入射到所述全反射镜203和所述柱面透镜204；所述柱面透镜204将激光照射到所述取样光栅掩膜板208上，透过所述取样光栅掩膜板208的光照射在所述光纤夹持架207上的已剥去涂覆层的所述光敏光纤101上，可以进行2μm波段取样光纤光栅的刻写；结合所述宽带光源210，所述2μm波段取样光纤光栅的反射谱和透射谱可以通过所述光谱仪211读取。本发明还包括一种2μm波段相移取样光纤光栅的制作方法，包括如下步骤：步骤一，所述2μm波段取样光纤光栅制作：根据预先设计的所述2μm波段取样光纤光栅的参数，通过控制计算机205控制激光光斑在所述取样光栅掩膜板208上的运动特性，结合所控制的所述激光器201的输出激光特性，进行刻写所述2μm波段取样光纤光栅；刻写过程中，使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段取样光纤光栅。步骤二，2μm波段相移取样光纤光栅制作：取下所述取样光栅掩膜板208，通过控制计算机205控制位移平台206，使得激光光斑停留在所述2μm波段取样光纤光栅的中心位置，通过激光曝光，制作π相移点104，使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段相移取样光纤光栅。实施例3：激光器201可以选择输出248nm的脉冲光，经过衰减镜202，再由固定在高精度位移平台206上的全反射镜203反射，通过适当焦距的UV级柱面透镜204会聚后，对取样光栅掩膜板208及去掉涂覆层的光敏光纤101进行扫描曝光；光纤夹持器207能够保证光栅写制过程中裸纤保持平直，由于取样光栅掩膜板208具有增强一级衍射和抑制零级衍射的作用，在紫外光经过取样光栅掩膜板208调制后经过一级衍射到光敏光纤101中形成干涉条纹，光敏光纤101中形成干涉条纹的周期为相位掩膜板周期的12；紫外光开始扫描时，经过取样光栅掩膜板208对裸纤进行曝光，刻写出2μm波段取样光纤光栅，此时2μm波段取样光纤光栅的传输谱可表示为：其中，取样函数的傅里叶系数为为折射率平均改变量，δω-m·2πd-2πΛ为狄克拉函数，p为取样周期，a为曝光栅区长度，Λ为曝光栅区光栅周期。2μm波段取样光纤光栅结束后，将取样光栅掩膜板208取下，用控制计算机205控制位移平台206将其移动到2μm波段取样光纤光栅的中点位置；再次开启激光器201，对2μm波段取样光纤光栅的中点位置进行定点曝光，曝光位置的光纤折射率继续被调制，从而引入π相移点104；在π相移点104制作过程中使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段相移取样光纤光栅。根据传输矩阵法，相移取样光纤光栅的传输矩阵法可表示为：其中，δ＝β-πΛ，p为取样周期，a为曝光栅区长度，κ为耦合系数，β为传输常数，Λ为曝光栅区光栅周期。通过计算模拟得到2μm波段取样光纤光栅的反射谱，当波长范围为1938nm到1942nm时，光栅有三个反射峰，反射峰的3dB带宽分别为0.0840nm，0.0880nm和0.0840nm。通过计算模拟得到2μm波段相移取样光纤光栅的透射谱，在以上同样的光栅参数设置下和同样波长范围内，2μm波段相移取样光纤光栅的每个透射峰中间出现一个相移透射窗口，三个窗口的3dB带宽分别0.0440,0.0432和0.0440nm，可见，2μm波段相移取样光纤光栅具有多波长窄带滤波特性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.一种2μm波段相移取样光纤光栅，其制作以光敏光纤101为基质，其特征在于：所述光敏光纤101包括纤芯102和包层103；所述纤芯102中包含有n个取样段，取样周期为p，每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、光栅周期为Λ，非曝光区长度为b，同时在所述2μm波段相移取样光纤光栅中心位置处设置有π相移点104。2.一种2μm波段相移取样光纤光栅制作系统，包括激光器201、光衰减镜202、全反射镜203、柱面透镜204、控制计算机205、位移平台206、光纤夹持器207、取样光栅掩膜板208、环形器209、宽带光源210、光谱仪211，其特征在于：所述全反射镜203和所述柱面透镜204固定在所述位移平台206上，可由所述控制计算机205控制所述位移平台206的移动；所述取样光栅掩膜板208属于2μm波段取样光栅掩膜板，其具有n个取样段，取样周期为p。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述2μm波段相移取样光纤光栅中每个取样段包含一个曝光栅区和一个非曝光区段，且曝光栅区长度为a、周期为T，满足T＝2Λ，Λ为曝光栅区光栅周期；非曝光区长度为b。4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：其中还包括光敏光纤101。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述光敏光纤101为高压氢载或纤芯高掺锗元素的单模光纤。6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述光敏光纤101与所述光环形器209的端口2相连接，所述宽带光源210与所述光环形器209的端口1相连接，所述光谱仪211与所述光环形器209的端口3相连接。7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述2μm波段相移取样光纤光栅的反射谱和透射谱通过所述光谱仪211读取。8.一种2μm波段相移取样光纤光栅的制作方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，2μm波段取样光纤光栅制作：预先设置所述2μm波段取样光纤光栅的参数，通过控制激光光斑在取样光栅掩膜板208上的运动特性，结合所控制的激光器201的输出激光特性，进行刻写所述2μm波段取样光纤光栅；刻写过程中，使用光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段取样光纤光栅；步骤二，2μm波段相移取样光纤光栅制作：取下所述取样光栅掩膜板208，通过控制计算机205控制位移平台206，使得激光光斑停留在所述2μm波段取样光纤光栅的中心位置，通过激光曝光，制作π相移点104，使用所述光谱仪211测量反射谱和透射谱，并实时反馈调整制作参数，直至得到理想的所述2μm波段相移取样光纤光栅。

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