具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法，针对现有光纤光栅刻写方法无法在线精密测量与控制刻写参数导致的光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低的问题，提出了一种兼具短周期与长周期光纤光栅刻写模式的高效精密智能刻写系统及方法。在光栅刻写之前，能够结合自准直仪、光谱仪与电控多维组合台实现光纤水平度的高精度标定与调整，能够快速切换刻写模式；在光栅刻写过程中，计算机能够根据测得的刻写参数智能调节电控旋转台转动紫外反射镜、调节电控多维组合台高度优化刻写参数。与现有方法相比，本发明专利技术提出的方法能够保障刻写的光纤光栅的光学性能，提升光纤光栅刻写的智能化水平与批量生产效率。量生产效率。量生产效率。

【技术实现步骤摘要】
具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法


[0001]本专利技术属于光纤光栅制造领域，具体涉及一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法。

技术介绍

[0002]光纤光栅能够对激光进行纵模调制，因此光纤光栅不仅可以作为光纤激光器谐振腔的腔镜起到振荡选频的作用，还可以通过光栅的特殊结构对非线性效应产生的纵模恶化现象进行抑制，并且其具有的全兼容于光纤的特点使基于光纤光栅技术的高功率激光非线性效应抑制方法成为目前最有效的解决途径。2009年，德国耶拿大学首次提出可以将长周期光纤光栅（LPFG）应用于光纤激光器中实现受激拉曼散射（SRS）效应的抑制，并对该方法的可行性进行了理论分析。2018年，国防科技大学在PS
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GDF
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20/400
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M光纤上成功实现了啁啾倾斜光纤光栅（CTFBG）的刻写，并首次将CTFBG应用于光纤激光器中抑制SRS效应。2019年，南京理工大学攻克了基于光纤光栅的高功率光纤激光器SRS抑制技术，成功研制出了具有抑制SRS功能的kW级CTFBG。2020年，南京理工大学在LMA
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GDF
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10/130
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M光纤和LMA
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GDF
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14/250
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M光纤刻写了LPFG，并在kW级MOPA光纤激光器的种子源和放大级中分别利用10/130和14/250的LPFG实现了SRS效应的抑制。2021年，南京理工大学在kW级MOPA光纤激光器的种子源利用相移长周期光纤光栅实现了非线性折射效应的抑制，优化了激光输出光谱线宽。
[0003]抑制非线性效应的光纤光栅因其良好的抑制效果与全兼容于光纤的特性在科研院所与产业界需求较大。基于相位掩模板的紫外扫描刻写技术是目前布拉格光纤光栅刻写应用最为广泛的方法，具体原理为：紫外激光通过相位掩模板时会发生衍射，衍射所产生的正负一级光发生干涉并形成明暗不一的干涉条纹，所产生的干涉条纹对具有良好光敏性的光纤进行曝光处理，使得纤芯的折射率产生周期性扰动，最终形成光栅。但是目前用于抑制非线性效应的光纤光栅制作的基于相位掩模板的紫外扫描刻写技术缺乏刻写参数的闭环控制手段，导致光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低，无法满足科研院所与产业界的较大需求，具体问题如下：紫外反射镜在紫外刻写激光长期照射下出现的膜系损伤点会导致紫外激光能量分布偏离理想的基模高斯光束，光纤轴向与刻写光扫描方向的偏移会导致激光焦斑成栅位置偏离纤芯，每次架取光纤的操作会影响光纤的水平度从而导致光纤与相位掩模板之间夹角变化。因此为了保障刻写出的光纤光栅的光学性能，并提升刻写的智能化程度，急需一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统及方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对目前刻写系统因缺乏短周期/长周期刻写模式自动切换、光纤水平度高精度标定、紫外激光能量分布与激光焦斑成栅位置的在线精密测量与闭环控制导致的光纤光栅刻写效率低、精度低、自动化水平低的问题，提出了一种兼具短周期与长周期光纤光栅刻写模式的高效精密智能刻写系统及方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精
密刻写系统，在中国人民解放军国防科学技术大学提出的切趾光纤光栅刻写系统的基础上，将聚焦柱透镜替换为非球面镜片，将三维手动线位移平台替换为电控多维组合台，同时增加了第二高精度电动平移台、自由曲面镜片、合成石英楔板、紫外激光能量分布在线测量模块、电控倾斜台、自准直仪、可见光CCD、电控旋转台、荧光板、精密电控升降台、电控快门。紫外激光器发出的紫外激光经过电控快门后被紫外反射镜反射，经过非球面镜片后被合成石英楔板分为刻写光与待测光，刻写光聚焦至相位掩模板，最终曝光于光纤，待测光进入紫外激光能量分布在线测量模块。第一高精度电动平移台与紫外反射镜结合控制刻写光扫描光纤形成光纤光栅，电控快门控制刻写激光通断。电控倾斜台与精密电控升降台位于相位掩模板下方，自准直仪位于光纤支架侧方，可见光CCD位于相位掩模板侧方，光纤熔接于光谱参数在线测量系统，紫外反射镜装夹于电控旋转台，电控多维组合台位于光纤支架下方，荧光板位于刻写光经过光纤的延长线上，计算机能够获取紫外CCD、自准直仪、可见光CCD、光谱仪的数据，能够控制第一高精度电动平移台、第二高精度电动平移台、电控倾斜台、电控多维组合台、精密电控升降台、电控快门的状态。
[0006]进一步地，所述的具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，紫外激光能量分布在线测量模块包括反射型滤光片、紫外扩束镜、光阑、紫外衰减片、紫外CCD、暗室系统。所述待测光经过两个反射型滤光片衰减后入射至紫外扩束镜，所述光阑中心对准紫外扩束镜轴心，待测光经过光阑与两个紫外衰减片后入射紫外CCD。所述紫外扩束镜、光阑、紫外衰减片、紫外CCD均在暗室系统内。
[0007]进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，光谱参数在线测量系统包括光纤光栅、光纤支架、ASE光源、环形器、第一模场匹配器、第二模场匹配器、光谱仪，所述光纤光栅固定于光纤支架，光纤支架固定于电控多维组合台。通过环形器和第一模场匹配器将ASE光源发出的光耦合进光纤光栅，再经第二模场匹配器耦合后进入光谱仪可测得光纤光栅的透射谱，将环形器剩余的一端接入光谱仪可测得光纤光栅的反射谱。
[0008]一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，利用所述的种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统进行刻写，步骤如下：步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器的功率，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求。
[0009]步骤2、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统，并将上述光纤架于光纤支架。
[0010]步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处。
[0011]步骤4、选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式。
[0012]步骤5、完成刻写前准备工作。
[0013]步骤6、开始刻写，刻写过程中，电控快门依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机实时接收紫外CCD、可见光CCD、光谱参数在线测量系统的测量数据并实时分析，对紫外激光能量分布信息进行评价后自动控制电控旋转台旋转紫外反射镜、优化紫外激光能量分布，根据可见光CCD获取的荧光板处紫外曝光信息自动调节电控多维组合台的高度、保证激光焦斑成栅位置位于光纤纤芯处。
[0014]步骤7、将刻写完成的光纤光栅取出。
[0015]进一步地，所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，步骤1中所述的自动调节紫外激光能量分布，计算机能够实时计算紫外CCD采集到的紫外待测光图像与标准高斯光束图像的结构相似度，若结构相似度大于0.6，即紫外待测光能量分布均匀性满足光栅刻写需求，则不发出指令，否则自动控制电控旋转台旋转紫外反射镜优化紫外激光能量分布。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，其特征在于：在中国人民解放军国防科学技术大学提出的切趾光纤光栅刻写系统的基础上，将聚焦柱透镜替换为非球面镜片（5），将三维手动线位移平台替换为电控多维组合台（15），同时增加了第二高精度电动平移台（4）、自由曲面镜片（6）、合成石英楔板（7）、紫外激光能量分布在线测量模块（8）、电控倾斜台（9）、自准直仪（11）、可见光CCD（12）、电控旋转台（14）、荧光板（16）、精密电控升降台（17）、电控快门（18）；紫外激光器（1）发出的紫外激光经过电控快门（18）后被紫外反射镜（3）反射，经过非球面镜片（5）后被合成石英楔板（7）分为刻写光与待测光，刻写光聚焦至相位掩模板（10），最终曝光于光纤，待测光进入紫外激光能量分布在线测量模块（8）；第一高精度电动平移台（2）与紫外反射镜（3）结合控制刻写光扫描光纤形成光纤光栅（13
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1），电控快门（18）控制刻写激光通断；电控倾斜台（9）与精密电控升降台（17）位于相位掩模板下方，自准直仪（11）位于光纤支架（13
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2）侧方，可见光CCD（12）位于相位掩模板（10）侧方，光纤熔接于光谱参数在线测量系统（13），紫外反射镜（3）装夹于电控旋转台（14），电控多维组合台（15）位于光纤支架（13
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2）下方，荧光板（16）位于刻写光经过光纤的延长线上，计算机（19）能够获取紫外CCD（8
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5）、自准直仪（11）、可见光CCD（12）、光谱仪（13
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7）的数据，能够控制第一高精度电动平移台（2）、第二高精度电动平移台（4）、电控倾斜台（9）、电控多维组合台（15）、精密电控升降台（17）、电控快门（18）的状态。2.根据权利要求1所述的具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统，其特征在于：所述紫外激光能量分布在线测量模块（8）包括反射型滤光片（8
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1）、紫外扩束镜（8
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2）、光阑（8
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3）、紫外衰减片（8
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4）、紫外CCD（8
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5）、暗室系统（8
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6）；所述待测光经过两个反射型滤光片（8
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1）衰减后入射至紫外扩束镜（8
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2），所述光阑（8
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3）中心对准紫外扩束镜（8
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2）轴心，待测光经过光阑与两个紫外衰减片（8
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4）后入射紫外CCD（8
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5）；所述紫外扩束镜（8
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2）、光阑（8
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3）、紫外衰减片（8
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4）、紫外CCD（8
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5）均在暗室系统（8
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6）内；所述光谱参数在线测量系统（13）包括光纤光栅（13
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1）、光纤支架（13
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2）、ASE光源（13
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3）、环形器（13
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4）、第一模场匹配器（13
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5）、第二模场匹配器（13
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6）、光谱仪（13
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7），所述光纤光栅（13
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1）固定于光纤支架（13
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2），光纤支架（13
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2）固定于电控多维组合台（15）；通过环形器（13
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4）和第一模场匹配器（13
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5）将ASE光源（13
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3）发出的光耦合进光纤光栅（13
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1），再经第二模场匹配器（13
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6）耦合后进入光谱仪（13
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7）可测得光纤光栅（13
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1）的透射谱，将环形器（13
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4）剩余的一端接入光谱仪（13
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7）可测得光纤光栅（13
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1）的反射谱。3.一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写方法，其特征在于，利用权利要求1~2中所述的一种具有抑制非线性效应功能的光纤光栅精密刻写系统进行刻写，步骤如下：步骤1、根据光纤光栅的设计参数，打开并设置紫外激光器（1）的功率，自动调节紫外激光能量分布直到满足精密刻写需求；步骤2、将经过载氢预处理的光纤熔接于光谱参数在线测量系统（13），并将上述光纤架于光纤支架（13
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2）；步骤3、自动调节激光焦斑成栅位置，使其位于光纤纤芯处；步骤4、选择短周期或长周期光纤光栅刻写模式；步骤5、完成刻写前准备工作；
步骤6、开始刻写，刻写过程中，电控快门（18）依据所选刻写模式自动控制紫外激光通断，计算机（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈华，吴学诚，矫岢蓉，卞殷旭，朱日宏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：