[发明专利]贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置

说明书

本发明涉及光纤光栅制作技术，为提出新的长周期光纤光栅刻写装置。为此，本发明采取的技术方案是，贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，由激光器、轴锥镜及位移台组成，由激光器发出的光经过柱状轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯或单芯光纤进行曝光，然后，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。本发明主要应用于光纤光栅制作场合。

技术领域

本发明涉及光纤光栅制作技术，具体涉及贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅的方法。

背景技术

现有的刻写长周期光纤光栅的方法有紫外曝光法刻写、CO₂激光器刻写等。紫外曝光法是早期出现的一种方法，但这种方法有诸多的缺点，例如，要求纤芯材料为光敏材料、加工过程需要掩模版、不够灵活且价格昂贵、热稳定性差等。因此，近年来，CO₂激光器刻写激光器受到越来越多的关注，图1展示了现有的技术系统示意图。

图1中，由CO₂激光器发出的激光经过透镜聚焦到光纤上，由于热效应引入折射率变化，但是由于光斑较小，当多芯光纤需要刻写光栅时，使用这种方法每次只能刻写其中一条光纤，且在刻写排布在中心处的光纤时将对周围的光纤产生不可避免的影响，可能致使其完全无法实现既定功能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的长周期光纤光栅刻写装置。为此，本发明采取的技术方案是，贝塞尔光束刻写多芯光纤光栅装置，由激光器、轴锥镜及位移台组成，由激光器发出的光经过柱状轴锥镜形成细长的光斑，光斑穿过多芯或单芯光纤进行曝光，然后，位移台按照特定周期移动光纤，继续曝光下一点，不断重复，直到整个光纤光栅刻写完成。

其中轴锥镜为轴截面为三角形的锥镜或柱状轴锥镜。

轴锥镜为由截面三角形沿轴线旋转得到，其产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：

其中，D表示轴锥镜的口径大小，n代表轴锥镜材料折射率，α表示轴锥镜底角，Z_max表示贝塞尔光斑的长度，即“无衍射传输距离”，D_A表示光斑直径，λ表示激光波长；

其中，光斑无衍射距离Z_max应大于包层直径，且光束宽度W也应大于包层直径，光斑直径D_A应小于相邻光纤之间的间距。

使用一个轴锥镜后加倒置望远系统的方法任意调控无衍射距离和光斑尺寸大小，倒置望远系统由两个透镜组成，第一个透镜的焦距是f₁，第二个透镜的焦距是f₂,且第一个透镜的右焦点与第二个透镜的左焦点重合，产生的无衍射距离和光斑尺寸大小分别为：

轴锥镜为超表面结构形成，超表面结构包括若干结构相同的单元，所述单元由两部分组成，基底和放置在其上的微纳结构，基底只起到承托作用，基底材料对于工作激光波长无吸收，而微纳结构为柱状结构，激光入射到超表面结构表面时，不同位置处放置不同的微纳结构引入相位突变，在原始波阵面上叠加附加相位使得波阵面发生改变，当波阵面转化为球面时，则实现透镜的聚焦功能，而当波阵面恰好满足轴锥镜的波阵面时则生成贝塞尔光束。

超表面结构中：

其中，θ表示波阵面的倾角，波阵面倾角指的是入射波前与超表面结构底面的法线方向之间的夹角。

包括三个轴锥镜级联，第一个轴锥镜可以移动，光从其底面入射，而第二、三个轴锥镜底面与底面相对，保证光从第二个轴锥镜平行出射并平行入射第三个轴锥镜，且第二、三个轴锥镜位置固定，通过移动第一个轴锥镜，可以把光斑移动到任意位置进行调整以刻写光纤的不同位置。

本发明的特点及有益效果是：