用提供可调节干涉图案的装置形成光学光栅制造方法及图纸

一种与脉冲激光源一起使用的装置，用于在目标中形成光栅，所述装置包括：可调节望远镜，其具有带负屈光力的元件，用于产生发散光束，使得光束在离开望远镜时具有可调节的发散度，同时避免了光在望远镜内的聚焦。透射衍射光栅被设置在离开望远镜的光束中，用于在目标上形成光学干涉图案。可以通过调节离开望远镜的光束的发散度来形成具有不同光栅周期的光栅。由于在望远镜内缺乏致密焦斑，使得能够使用超短脉冲持续时间，高峰值强度激光源。

Forming an optical grating by means of providing an adjustable interference pattern

A device for use with a pulsed laser source, for the formation of grating in the target, the device includes: adjustable telescope has a negative refractive power element for generating divergent beam, the beam with adjustable divergence in the left telescope, while avoiding the focused light in the telescope. A transmission diffraction grating is disposed in the beam leaving the telescope for forming an optical interference pattern on the target. A grating with different grating periods can be formed by adjusting the divergence of the beam leaving the telescope. Because of the lack of dense focal spot in the telescope, it is possible to use ultra short pulse duration and high peak intensity laser source.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学器件制造装置和方法，特别涉及用于制造光栅的装置和方法。专利技术背景光纤布拉格光栅(FBG)滤光器广泛用于光学网络中，用于稳定掺杂铒的光放大器中使用的半导体泵浦激光器，以及用于在光学网络中传播的波长信道的波分复用和色散补偿。FBG还由于用作在监测民用结构以及感测各种环境中的温度和应变的传感器而引起相当大的关注。每个FBG在布拉格谐振波长λBr处具有特征的逆反射布拉格谐振。布拉格谐振波长λBr取决于光纤内的光栅的周期性以及光纤纤芯的有效折射率。布拉格谐振波长λBr由下式定义：λBr＝2neffΛ(1)其中neff是谐振导芯模的有效折射率，并且Λ是光栅在波导内的周期。FBG通常使用在纳秒脉冲或连续波(cw)状态下操作的高功率紫外(UV)激光系统来制造。通常，通过将锗掺杂的二氧化硅芯光纤的UV光敏芯暴露于空间调制的UV激光束以产生光纤芯中的永久折射率变化来产生FBG。这种空间调制的UV光束可以通过使用Glenn等人的美国专利号4,807,950中公开的双光束干涉技术或通过使用由Hill等人在美国专利号5,367,588中公开的专用透射衍射光栅来产生。在Hill等人的装置中，相位掩模在诸如二氧化硅的玻璃基底中被精确蚀刻，以优化在给定波长处的入射激光到一对第一衍射级的耦合，并抑制耦合到第0级透射。相位掩模通常优选用于产生光干涉图案的本体干涉仪，因为本体干涉仪可以不太稳定并且更难以在生产环境中使用。相位掩模更稳定，但是具有较小的灵活性来调节它们所产生的光干涉图案的周期。对于由准直的UV激光和相位掩模诱导的光栅，光栅周期Λ与掩模周期Λmask掩模相关：Λmask＝2Λ(2)在典型的生产环境中，维持相位掩模的库存，以制造具有不同布拉格共振的光栅。每个相位掩模可能非常昂贵。改变和对准掩模以在生产线上产生不同的光栅谐振是耗时且繁琐的过程。因此，期望具有从单相位掩模制造具有不同布拉格谐振的光栅的能力，而不必执行复杂的对准过程。已经开发了几种技术，其中具有固定周期Λmask的相位掩模用于制造具有不同周期Λ的布拉格光栅。举例来说，Q.Zhang等人在发表于《光子学技术快报》(PhotonicsTechnologyLetters)1994年7月第6卷第7期的题为“通过在预应变光纤中写入光栅来调谐布拉格波长(TuningBraggwavelengthbywritinggratingsinprestrainedfibers)”的文章中提出了一种技术，其中当光纤处于拉伸应变时，光纤被暴露于由相位掩模产生的干涉图案。当在光栅刻录之后应变消除时，相对于使用相同相位掩模在未受应力光纤中执行的类似刻录，λBr偏移到较低波长。光纤只能容忍少量的应变，因此通过Zhang等人的方法调节λBr的量是有限的。对于在标准单模锗掺杂电信光纤(例如CorningSMF-28)中写入的布拉格光栅，λBr在1550nm电信频带中，λBr的可实现调谐为小于2nm。这种技术的变化由Couillard等人在美国专利6,643,066中教导，其中二氧化硅相位掩模本身被压缩或拉伸，以便改变光纤光栅的合成周期。此外，λBr的最大调谐量约为2nm。另一种技术，由J.D.Prohaska等人发表在《电子快报》(ElectronicsLetters)1993年9月第29卷第18期的题目为“掩模制造的光纤布拉格光栅的放大(MagnificationofmaskfabricatedfiberBragggratings)”的论文中，其使用发散或会聚的紫外激光束来照射相位掩模。参考图1，示出了Prohaska装置10。紫外激光束11通过具有焦距f的凸透镜12传播。然后，紫外激光束11传播通过相位掩模13并照射到感光光纤14上。在操作中，相位掩模13产生会聚衍射光束15A和15B，其产生具有会聚条纹17的干涉图案16。Prohaska教导了光纤14内的布拉格光栅周期的放大率M由以下等式定义：其中p是凸透镜12和相位掩模13之间的距离，q是相位掩模13和光纤14之间的距离。有害的是，由于以下原因，通过Prohaska方法仅可以实现周期性的小变化。在距离相位掩模一定距离处产生的光干涉图案受到照射激光束的光斑尺寸和空间相干性的限制。用于光栅刻印的典型UV源是准分子激光系统，其具有小于1毫米的空间相干长度。UV激光源的小的相干长度导致小的q值，这导致M的值接近1。为了产生任何重要性的放大效应，相位掩模到光纤的距离需要至少几毫米。该距离超过用于刻写布拉格光栅的大多数准分子激光UV系统的空间相干性。可替代的UV系统包括具有更好的空间相干性但亚毫米波束尺寸的倍频氩离子激光器。为了确保衍射级的充分重叠以产生干涉图案，在基于氩离子激光器的系统中，相位掩模到光纤的距离不能大于1mm。应当注意，来自倍频氩离子激光器的相干UV束可以使其束直径扩大，这将允许更大的相位掩模到光纤的距离。然而，扩展波束的波束强度低得多。因为光栅强度线性地依赖于曝光时间，所以宽的低强度光束可以在长时间曝光之后最终写入光栅。然而，从制造的观点来看，使用扩大的倍频氩离子激光束的长写入时间可能是不实用的。Bhatia等人在美国专利6,269,208中公开了一种改进准分子激光UV光束的空间相干性以增加相位掩模到光纤的距离，从而增强放大效应的方法。Bhatia等人教导了通过使用孔口(aperture)对激光束进行空间滤波，可以增加准分子激光束的相干长度。凸透镜被放置在孔口下游的光束路径中。通过改变孔口和凸透镜之间的距离，可以改变离开凸透镜并入射到相位掩模上的光束的发散度。空间滤波增加了激光束的空间相干性，允许相位掩模和光敏波导之间的距离增加。这种方法的一个缺点是，作为空间滤波的结果，激光束的写入功率有重大损失，而光束的空间相干性仅略微改善。对于标准准分子激光器，定义相位掩模和光纤之间的最大距离的空间相干长度的改进从0.5mm增加到约2mm。需要更大的相位掩模到光纤的距离，以便获得大于5nm的布拉格光栅的波长可调性。Cole等人在美国专利6,072,926中教导了一种用于通过在写入过程期间沿着光纤轴线横向移动相位掩模和UV光束来调节光纤布拉格光栅的周期的技术。相位掩模到光纤的距离保持在UV激光器的空间相干长度内，其小于1mm。针对给定相位掩模的所产生的布拉格光栅的调谐范围也被限制为约1nm或更小。调节范围随着相位掩模上的准直UV光束的宽度减小而增加，然而减小的光束尺寸要求光纤直接邻近相位掩模，以确保由相位掩模衍射的阶数的充分重叠，从而产生所需的干涉图案。需要精密平移台来相对于彼此平移光纤和相位掩模。在所有上述情况下，实际的波长调谐将在1525nm至1565nm的电信波长带中产生仅最多几纳米的波长差。Painchaud等人在美国专利6,501,883中公开了一种光栅刻写技术，其基于Cole所教导的沿着光纤的相位掩模扫描的组合，以及由Bhatia所教导的光束聚焦。Painchaud等人的技术能够将从单相位掩模产生的波长的变化增加一个数量级，达到20nm。不利的是，需要昂贵的平移和对准台来精确地控制相位掩模和光纤波导之间的相对运动。近来，与相位掩模耦合的飞秒红外激光器已经用于在对紫外光不敏感的光波导中获得布拉格光栅。Mih本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在沿第一方向延伸的目标中形成光栅的装置，所述装置包括：望远镜，所述望远镜包括：第一光学元件，其在包括所述第一方向的第一平面中具有负的屈光力，用于接收第一光束，并用于由所述第一光束形成发散光束；和第二光学元件，其在第一平面中具有正屈光力，所述第二光学元件设置在第一光学元件的下游，用于接收发散光束，并用于由所述发散光束形成第二光束；望远镜支撑件，其用于支撑所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述望远镜支撑件包括可移动部分，用于通过调节所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述第二光束的发散度；和透射衍射光栅，其设置在所述望远镜的下游，用于接收所述第二光束，并将所述第二光束分成第一子光束和第二子光束；其中在操作中，当所述第一光束被所述第一光学元件接收时，所述第一子光束和所述第二子光束在所述目标上重叠，并在所述目标上形成光学干涉图案，以在其中形成所述光栅，其中所述光学干涉图案具有取决于所述第二光束的发散度的周期，由此可通过调整所述望远镜的所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述光栅的所述周期。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.11 US 62/023,2281.一种用于在沿第一方向延伸的目标中形成光栅的装置，所述装置包括：望远镜，所述望远镜包括：第一光学元件，其在包括所述第一方向的第一平面中具有负的屈光力，用于接收第一光束，并用于由所述第一光束形成发散光束；和第二光学元件，其在第一平面中具有正屈光力，所述第二光学元件设置在第一光学元件的下游，用于接收发散光束，并用于由所述发散光束形成第二光束；望远镜支撑件，其用于支撑所述第一光学元件和所述第二光学元件，所述望远镜支撑件包括可移动部分，用于通过调节所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述第二光束的发散度；和透射衍射光栅，其设置在所述望远镜的下游，用于接收所述第二光束，并将所述第二光束分成第一子光束和第二子光束；其中在操作中，当所述第一光束被所述第一光学元件接收时，所述第一子光束和所述第二子光束在所述目标上重叠，并在所述目标上形成光学干涉图案，以在其中形成所述光栅，其中所述光学干涉图案具有取决于所述第二光束的发散度的周期，由此可通过调整所述望远镜的所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的距离来调节所述光栅的所述周期。2.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述第一光学元件的脉冲激光源，用于提供所述第一光束，其中所述第一光束具有不大于10ps的脉冲持续时间。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述脉冲持续时间小于1ps。4.根据权利要求2所述的装置，其中所述脉冲激光源被配置为在至少1微焦耳的脉冲能量下操作。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一个包括柱面透镜。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一个包括柱面反射镜。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射衍射光栅包括相位掩模。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述目标包括光纤，所述装置还包括用于保持所述光纤沿所述第一方向延伸的光纤保持器。9.根据权利要求8所述的装置，还包括用于将所述光纤保持器和所述透射衍射光栅以彼此固定距离保持的连接构件。10.根据权利要求9所述的装置，其中所述固定距离为20mm或更小。11.根据权利要求9所述的装置，还包括：平移器，其被机械地耦接到...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹·格伯尼克，史蒂芬·J·米哈伊洛夫，罗伯特·B·沃克，吕平，丁辉敏，大卫·克拉斯，
申请(专利权)人：加拿大国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA