一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法技术

本发明专利技术公开的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，通过搭建包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机的飞秒激光直写装置，通过光功率计检测激光脉冲的功率，精准控制衰减后的激光脉冲达到最合适的功率；通过计算机控制的光束整形系统和聚焦系统控制激光光斑的尺寸及三维移动平台的移动和电子快门的启闭，在硫系玻璃光纤内部一次性激光直写得到硫系玻璃纤芯，解决传统加工方式的工艺复杂、容易引入杂质等问题，同时可实现对激光直写过程的实时监测，且激光直写能够精确定位到光纤内部，适用于快速制备各种高精度的单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤。

A laser direct writing method of chalcogenide glass fiber

【技术实现步骤摘要】
一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法
本专利技术涉及硫系玻璃光纤的制备
，具体是一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法。
技术介绍
硫系玻璃光纤是由硫系玻璃制成的传光介质，具有极宽的红外工作范围、极高的非线性和良好的物理化学稳定性，在中红外波段的光纤激光器、光纤传感器、光纤开关等领域均具有重要的应用价值。硫系玻璃光纤的制备和传统的石英光纤有着明显的区别。现阶段所使用的石英光纤的制备主要是通过化学气相沉积(CVD)工艺获得高纯度的光纤预制棒。而硫系玻璃通常是先通过原料合成玻璃，再利用套管法、挤压法获得预制棒后拉制成光纤，除此之外，也可以采用双坩埚方法直接拉制硫系玻璃光纤。预制棒拉制技术需要首先制备硫系玻璃的预制棒，用于拉制硫系玻璃光纤的预制棒一般由芯棒玻璃和包层玻璃组成，包层玻璃的折射率小于芯棒的折射率。套管法是制备硫系玻璃光纤预制棒最常用方法，该方法十分容易控制纤芯和包层的外径比，难点在于需要先制备出具有高光学质量的芯棒和套管。硫系玻璃的套管一般采用旋管法和钻孔法获得，旋管法的优点是获得的玻璃管内壁光滑，无损伤和划痕，这种方法存在的主要问题是难以精确控制内孔直径大小，且难以制备内外径比较小的玻璃管，此外，套管法这种加工工艺容易对界面引入杂质或缺陷，从而对光纤损耗产生负面影响。挤压法利用特殊设计的模具将纤芯和包层玻璃直接挤压成预制棒，可以解决纤芯和包层玻璃界面的缺陷，但是该方法对纤芯和包层玻璃的热学稳定性具有较高的要求，且在挤压过程中容易因为受力不均匀和形成折射率缺陷而增加光纤的损耗，而且挤压法对于多个纤芯的光子晶体光纤的制备存在很大的困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种低成本、高效率的硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，可直接将硫系玻璃预制棒拉制成硫系玻璃裸丝，在硫系玻璃光纤内部一次性激光直写得到硫系玻璃纤芯，解决了传统加工方式的工艺复杂、容易引入杂质等问题，同时可实现对硫系玻璃裸丝的激光直写过程的实时监测，并且激光直写能够精确定位到光纤内部，适用于快速制备各种高精度的单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，包括如下步骤：(1)搭建一飞秒激光直写装置，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的所述的飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜和三维移动平台，将所述的光功率计与所述的分束镜连接，从所述的分束镜射出的激光脉冲经所述的双色镜反射后射入所述的聚焦物镜，所述的CCD检测系统包括CCD光源、Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置，将所述的Z轴CCD检测装置设置在所述的双色镜的正上方，并在所述的Z轴CCD检测装置与所述的双色镜之间设置凸透镜，将所述的X轴CCD检测装置设置在所述的三维移动平台的正前方，将所述的CCD光源设置在所述的三维移动平台的正下方，所述的电子快门、所述的三维移动平台、所述的光束整形系统和所述的CCD检测系统分别与所述的计算机相连，所述的三维移动平台上架设有滑轮组，所述的滑轮组包括两个从动轮和两个主动轮，所述的两个从动轮和所述的两个主动轮分别对称设置在所述的三维移动平台的两侧，所述的两个主动轮分别由马达驱动，所述的两个主动轮的转向相同；(2)将需要刻写的硫系玻璃裸丝依次绕设在一个主动轮、两个从动轮和另一个主动轮上，使位于两个从动轮之间的硫系玻璃裸丝的横截面与从聚焦物镜射出的激光脉冲的出射方向平行；(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量低于5nJ；再调整三维移动平台和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；(4)通过计算机控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝中的光斑直径和纵向深度；(5)通过Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器射出的激光脉冲能量衰减至适当值；(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝以恒定的运行速度平移，同时打开电子快门，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝中，开始对硫系玻璃裸丝进行刻写；刻写的过程中，根据Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置实时监测硫系玻璃裸丝的位置，通过控制三维移动平台调整激光脉冲的光斑处于硫系玻璃裸丝的正中心位置；(8)通过计算机控制电子快门的开启和关闭，一次性在硫系玻璃裸丝内部形成折射率变化，激光直写制备得到硫系玻璃光纤。飞秒激光具有于峰值功率高、与介质作用时间短、作用材料广泛、对环境无污染等优点，被广泛运用于透明材料的微纳加工。当飞秒激光通过物镜聚焦到材料的内部并且达到一定的阈值，在非线性吸收和雪崩电离的相互作用下，产生激发电子并且将能量传递到晶格，晶格吸收能量之后其结构被破坏，可以在材料内部造成了永久性的折射率变化。本专利技术利用飞秒激光的这种特性，搭建了飞秒激光直写装置，利用该飞秒激光直写装置，通过激光直写的方法直接制备硫系玻璃光纤。本专利技术搭建的飞秒激光直写装置，其分束镜将衰减后的一束激光分为两束激光，其中一束激光脉冲射出至光功率计中，通过光功率计进行功率检测，精准控制衰减后的激光脉冲达到最合适的功率；另一束激光脉冲沿着主光路射入双色镜，由双色镜反射后射向聚焦物镜，经聚焦物镜入射到待加工的硫系玻璃裸丝上。CCD光源发出的光源光线采用透射的方式，依次穿过待加工的硫系玻璃裸丝、聚焦物镜、光束整形系统、双色镜、凸透镜，先后入射至X轴CCD检测装置和Z轴CCD检测装置中，X轴CCD检测装置和Z轴CCD检测装置将硫系玻璃裸丝的激光直写过程实时反馈至计算机。计算机通过控制电子快门的启闭，来调整激光曝光时间。计算机通过控制三维移动平台，调节滑轮组和硫系玻璃裸丝的位置，并控制制备的硫系玻璃光纤的长度。作为优选，所述的光束整形系统包括空间光调制器、第一半波片和聚焦系统，所述的空间光调制器与所述的计算机相连，所述的聚焦系统由多片焦距不同的透镜依次排列而成。通过空间光调制器可使激光光束的光斑调整为细长结构，从而减少激光在硫系玻璃裸丝中的自聚焦效应。通过第一半波片可对激光光束的偏振方向进行旋转，使激光光束的偏振方向能够有效垂直于硫系玻璃裸丝的写入方向。通过聚焦系统可以调整激光光束的光斑大小，调整出不同直径的光斑，使不同直径的光斑通过聚焦物镜聚焦到硫系玻璃裸丝中，以便直写制备不同直径的硫系玻璃光纤。进一步地，所述的飞秒激光器为800nm的飞秒激光器，脉冲宽度为100～300fs，重复频率为1～100000Hz。更进一步，所述的空间光调制器的分辨率大于1024×768本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)搭建一飞秒激光直写装置，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的所述的飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜和三维移动平台，将所述的光功率计与所述的分束镜连接，从所述的分束镜射出的激光脉冲经所述的双色镜反射后射入所述的聚焦物镜，所述的CCD检测系统包括CCD光源、Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置，将所述的Z轴CCD检测装置设置在所述的双色镜的正上方，并在所述的Z轴CCD检测装置与所述的双色镜之间设置凸透镜，将所述的X轴CCD检测装置设置在所述的三维移动平台的正前方，将所述的CCD光源设置在所述的三维移动平台的正下方，所述的电子快门、所述的三维移动平台、所述的光束整形系统和所述的CCD检测系统分别与所述的计算机相连，所述的三维移动平台上架设有滑轮组，所述的滑轮组包括两个从动轮和两个主动轮，所述的两个从动轮和所述的两个主动轮分别对称设置在所述的三维移动平台的两侧，所述的两个主动轮分别由马达驱动，所述的两个主动轮的转向相同；/n(2)将需要刻写的硫系玻璃裸丝依次绕设在一个主动轮、两个从动轮和另一个主动轮上，使位于两个从动轮之间的硫系玻璃裸丝的横截面与从聚焦物镜射出的激光脉冲的出射方向平行；/n(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量低于5nJ；再调整三维移动平台和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；/n(4)通过计算机控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝中的光斑直径和纵向深度；/n(5)通过Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；/n(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器射出的激光脉冲能量衰减至适当值；/n(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝以恒定的运行速度平移，同时打开电子快门，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝中，开始对硫系玻璃裸丝进行刻写；刻写的过程中，根据Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置实时监测硫系玻璃裸丝的位置，通过控制三维移动平台调整激光脉冲的光斑处于硫系玻璃裸丝的正中心位置；/n(8)通过计算机控制电子快门的开启和关闭，一次性在硫系玻璃裸丝内部形成折射率变化，激光直写制备得到硫系玻璃光纤。/n...

【技术特征摘要】
1.一种硫系玻璃光纤的激光直写制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)搭建一飞秒激光直写装置，该飞秒激光直写装置包括飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、光功率计、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜、三维移动平台、CCD检测系统和计算机，在光学平台上沿主光路方向搭建依次设置的所述的飞秒激光器、扩束系统、衰减系统、电子快门、分束镜、双色镜、光束整形系统、聚焦物镜和三维移动平台，将所述的光功率计与所述的分束镜连接，从所述的分束镜射出的激光脉冲经所述的双色镜反射后射入所述的聚焦物镜，所述的CCD检测系统包括CCD光源、Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置，将所述的Z轴CCD检测装置设置在所述的双色镜的正上方，并在所述的Z轴CCD检测装置与所述的双色镜之间设置凸透镜，将所述的X轴CCD检测装置设置在所述的三维移动平台的正前方，将所述的CCD光源设置在所述的三维移动平台的正下方，所述的电子快门、所述的三维移动平台、所述的光束整形系统和所述的CCD检测系统分别与所述的计算机相连，所述的三维移动平台上架设有滑轮组，所述的滑轮组包括两个从动轮和两个主动轮，所述的两个从动轮和所述的两个主动轮分别对称设置在所述的三维移动平台的两侧，所述的两个主动轮分别由马达驱动，所述的两个主动轮的转向相同；
(2)将需要刻写的硫系玻璃裸丝依次绕设在一个主动轮、两个从动轮和另一个主动轮上，使位于两个从动轮之间的硫系玻璃裸丝的横截面与从聚焦物镜射出的激光脉冲的出射方向平行；
(3)启动飞秒激光直写装置，通过光功率计检测经衰减系统衰减后的激光脉冲的功率，调整飞秒激光器，使经衰减系统衰减后的激光的单脉冲能量低于5nJ；再调整三维移动平台和CCD检测系统，使激光脉冲聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(4)通过计算机控制光束整形系统，调节聚焦至硫系玻璃裸丝中的光斑直径和纵向深度；
(5)通过Z轴CCD检测装置和X轴CCD检测装置接收到的图像，检查激光脉冲是否聚焦于硫系玻璃裸丝的正中心位置；
(6)根据预先测定的与硫系玻璃裸丝组分相同的硫系玻璃光纤的折射率变化与入射至硫系玻璃光纤中的激光脉冲的功率之间的关系曲线，将飞秒激光器射出的激光脉冲能量衰减至适当值；
(7)控制两个马达的启动，通过滑轮组带动硫系玻璃裸丝以恒定的运行速度平移，同时打开电子快门，使经衰减后的激光脉冲入射至硫系玻璃裸丝中，开始对硫系玻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培晴，周伟杰，马文强，齐倩玉，宋宝安，张巍，王训四，戴世勋，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33