[发明专利]基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统及方法

说明书

本发明提供的是一种基于半圆相位补偿板的异形芯光纤光栅制备系统与方法。系统包括光学平台、准分子激光器、反射镜组、光阑、扩束镜组、柱透镜、相位掩模板、相位补偿板、光纤夹具、光纤V形槽连接器和光栅刻写在线监测系统，相位补偿板一面与相位掩模板贴合，另一面刻有凹形半圆槽，用于固定待刻写光纤，同时还可以消除光纤包层曲面结构引起的光束会聚效应。本发明可有效改进刻写光束在光纤横截面内的均匀分布，适合于异形芯光纤的光栅刻写。

(一)技术领域

本发明涉及光纤光栅制备技术领域，具体是一种适用于异形芯光纤的光栅制备技术。

(二)背景技术

光纤光栅指通过一定技术手段在光纤纤芯上构造折射率周期性变化而形成的光栅结构。刻写在单模光纤上的布拉格光纤光栅(FBG)是目前研究最成熟的光纤光栅，该类光栅具有优异的光学窄带滤波特性与传感特性，已经在光电子领域和光纤传感领域有着广泛的应用。近些年来，为满足通信与传感的需求，很多特殊光纤被设计和制作出来，如少模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、多包层光纤等等，开展特殊光纤的光栅特性研究也逐年增多，如：魏颖(魏颖，焦明星.保偏光纤Bragg光栅传感特性的实验研究[J].红外与激光工程,2008(37)：107-110.) 指出在保偏光纤的快轴和慢轴上刻写的FBG对横向负载灵敏度存在差异，可应用到称重等领域；包维佳(包维佳.新型光纤布拉格光栅矢量应变传感器研究[D].西北大学,2018.)研究了在多包层光纤上刻写FBG并实现矢量应变测量；E.Lindley(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniform multicorefiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)开展了多芯光纤的FBG刻写技术研究，该FBG可用于抑制太空探测中的噪声信号，在天体光子学领域有着非常重要的应用前景。

相位掩模板法是目前广泛使用的光纤光栅刻写方法，该方法通常使用紫外光照射相位掩模板形成衍射条纹，利用±1级衍射条纹侧面曝光光敏光纤制备 FBG。该方法大大减低了对光源的相干性要求，而且制备的FBG的布拉格波长只取决于相位掩模板的条纹周期，减低了光栅制备工艺难度。基于紫外激光的相位掩模板法作为最普遍采用的FBG制备方法，为FBG的实用化与产业化奠定了基础。

基于紫外激光的相位掩模板方法也被尝试用于特殊光纤的光栅刻写，但由于特殊光纤的结构与单模光纤存在很大不同，部分特殊光纤属于异形芯光纤，即这类光纤的波导纤芯未处在光纤中心，而是分布在整个光纤界面内。因此，在采用相位掩模板制备光纤光栅时，由于光纤本身的柱状透镜效应，使得从掩模板出射的±1级衍射光束难于在整个光纤横截面上形成均匀光强分布，因而难以制备出高质量的光纤光栅。

为解决上述问题，目前可查阅到两种方法：

(1)文献(LINDLEY E,MIN S-S,LEON-SAVAL S,et al.Demonstration of uniformmulticore fiber Bragg gratings[J].Optics Express,2014,22(25):31575.)提出了一种改进方法：选择一段尺寸合适的石英毛细管，将毛细管一侧打磨一定厚度后抛光，将待刻写光纤插入该毛细管内，使相位掩模板的衍射光束从毛细管的侧抛面照射，以消除光纤本身的柱状透镜效应。

(2)专利(授权号：CN 106249348B)提出一种切趾光纤光栅刻写方法，该方法建议在刻写光栅的同时旋转待刻写光纤，消除由于大芯径导致的光感折射率调制不对称性。

在上述方法(1)中，对石英毛细管实现侧抛的工序复杂，加工时间长，并且为了能让光纤插入毛细管，毛细管内径必然要比光纤直径大，这两者之间填充的空气依然会对刻写结果产生影响；方法(2)中，FBG刻写的同时旋转待刻写光纤，光路的细微不对称性或旋转马达的轻微震动都会影响到FBG的刻写效果。

(三)发明内容