專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作裝置及方法，屬于光通 信-光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。具體地說(shuō)是一種基于掩模法的利用激光光斑與光纖夾持具相互垂 直并同步掃描的具有任意傾斜角度特別是大角度(傾斜角度大于10度)閃耀光纖制作裝置。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)的進(jìn)步與光柵寫(xiě)制技術(shù)的提高，閃耀光纖光柵逐漸 引起了研究人員的重視。閃耀光纖光柵是一種特殊的光纖光柵，它與一般光纖布喇格光柵 不同之處在于光柵波矢方向與光纖軸線方向有一定的夾角。閃耀光纖光柵不但能弓丨起反向 導(dǎo)模的耦合，而且還能將基模耦合到包層模中形成輻射模，利用輻射模，即可將不同波長(zhǎng)的 光以不同角度從光纖中耦合出來(lái)，經(jīng)會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)后形成空間光強(qiáng)分布。閃耀光纖光柵的 這一特性可以用作分光器件，完成相應(yīng)波段光波長(zhǎng)解調(diào)的功能。經(jīng)過(guò)研究人員的研究發(fā)現(xiàn)， 閃耀光纖光柵由于能夠?qū)⒐饫w芯中的特定波段的光通過(guò)輻射模的形式輻射出光纖，具備與 一般布喇格光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵不同的濾波特性。同時(shí)閃耀光纖光柵與普通的光纖具有 良好的接續(xù)性和兼容性，這使得閃耀光纖光柵在光纖傳感方面具備巨大的應(yīng)用潛力。目前，常用的利用相位掩模法制作閃耀光纖光柵的方法如下將相位掩模板傾斜 固定、光纖水平放置，使掩模板與光纖成一定角度，讓激光光斑沿光纖水平掃描。設(shè)掩模板 的掩模長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為D，則可以得到利用上述方法制出的最大傾斜角度為θ = arctan γ-通常掩模的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于寬度D，可知這種方法雖然能夠成功寫(xiě)出閃耀光柵，但是 寫(xiě)出的閃耀光柵的傾斜角度受到掩模板掩模尺寸的限制，只能寫(xiě)出傾斜角度很小的閃耀光 柵，這種局限讓閃耀光纖特別是大角度的閃耀的深入研究以及實(shí)際應(yīng)用遭遇了瓶頸式的障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作裝置及方法，基于掩模法 的利用激光光斑與光纖夾持具相互垂直并同步移動(dòng)的任意傾斜角度的閃耀光纖的制作裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作裝置，激光器水平放置在防震 臺(tái)上，在激光器輸出激光端約15cm處放置光衰減透鏡，再在光衰減透鏡的激光輸出端順次 安置全反射鏡和光聚焦鏡，全反射鏡和光聚焦鏡安裝在水平位移平臺(tái)上，水平移動(dòng)平臺(tái)的 可來(lái)回移動(dòng)方向與激光器輸出激光方向平行，全反射鏡的反射端面與激光輸入方向呈45 度角，在距光聚焦鏡輸出端約50cm處放置相位掩模板夾持具，相位掩模板放置在相位掩模 板夾持具上且保持水平，在相位掩模板夾持具的激光輸出方向安置升降移動(dòng)臺(tái)，1/4圓弧型的光纖夾持具裝在升降移動(dòng)平臺(tái)上面，1/4圓弧型的光纖夾持具可通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)與掩模 板之間的水平距離，水平移動(dòng)臺(tái)、相位掩模板夾持具、升降移動(dòng)臺(tái)均安裝在同一個(gè)防震平臺(tái) 上；水平移動(dòng)平臺(tái)與升降移動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均與控制計(jì)算機(jī)連接，由控制計(jì)算機(jī)分別 給出水平移動(dòng)平臺(tái)、升降移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度信號(hào)；寬帶光源的輸出尾纖與光環(huán)形器的1 口接，待制作光柵的光纖一端與光環(huán)形器的 2 口熔接、另一端與一根光纖跳線熔接，光環(huán)形器的3 口與一根光纖跳線熔接，在制作光柵 的過(guò)程中可通過(guò)插接這兩個(gè)光纖跳線檢測(cè)光柵的透射譜與反射譜；掩模板卡槽分為上下兩部分，卡槽擋板與卡槽底部垂直，位于下邊的卡槽固定不 動(dòng)，上邊的卡槽由螺母控制可以上下垂直移動(dòng)，上下卡槽內(nèi)底部均有消應(yīng)力橡膠墊塊；掩模板夾持具的主體部分呈反7型，旋鈕用于不同掩模板長(zhǎng)度時(shí)調(diào)節(jié)相位掩模板 夾持具的間距。一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作方法，含有以下步驟步驟1.零點(diǎn)的校正進(jìn)行零點(diǎn)校正；這里先設(shè)定1/4圓弧光纖夾持架的圓心點(diǎn)為初始零點(diǎn)位置，零點(diǎn) 校正采用以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟1. 1 將相位掩模板夾持具和1/4圓弧型的光纖夾持具的0度線調(diào)整到水平， 且讓光纖與掩模板的掩模寬度D的中心位置處于水平線；步驟1. 2 讓水平移動(dòng)平臺(tái)走到1/4圓弧光纖夾持架的圓心點(diǎn)同一邊的某一位置， 此位置為能讓激光光斑以正常情況通過(guò)掩模板的掩模打到光纖上，且此時(shí)激光光斑應(yīng)該盡 可能地靠近掩模的端點(diǎn)；步驟1. 3 測(cè)量激光光斑位置與初始零點(diǎn)位置的距離，設(shè)為C ；步驟1. 4 判斷此時(shí)的激光光斑是否符合要求；如果滿足要求，則可將此時(shí)的距初 始零點(diǎn)位置為C的點(diǎn)為零點(diǎn)，同時(shí)將水平移動(dòng)臺(tái)此時(shí)的位置定為零點(diǎn)；如果不滿足要求，則 重復(fù)步驟1. 2、步驟1. 3直到滿足要求；步驟2.任意角度的閃耀光纖光柵的制作采用激光光斑水平掃描的方向從圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)光纖夾持具的圓心到1/4圓弧 架；當(dāng)需要制作的閃耀光纖的閃耀角度為θ時(shí)，采用如下幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)步驟2. 1 將弧形光纖夾持具固定在1/4圓弧架對(duì)應(yīng)的θ角角度位置；步驟2.2 將升降臺(tái)向下位移H0,其具體表達(dá)式為H0 = CXtan θ其中C為零點(diǎn)的位置與1/4圓弧光纖夾持架圓心點(diǎn)的距離；步驟2. 3 利用激光光斑水平掃描，同時(shí)使夾持光纖的升降位移臺(tái)與水平掃描同 步掃描，水平掃描速度與升降速度的關(guān)系僅由光纖與水平線所成夾角θ決定，具體關(guān)系式 為
V2 η-^: = tan θ
"ιV1為激光光斑水平掃描速度；V2為升降平臺(tái)掃描速度，即光纖掃描軌跡的速度。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用了寫(xiě)制普通光纖光柵的相位掩模板來(lái)寫(xiě)制具有任意角度的閃耀光纖光柵，這為研究人員深入研究閃耀光纖光柵提供了一次機(jī)遇，也為閃耀 光纖光柵(特別是大角度閃耀光纖光柵)廣泛實(shí)用化提供了一種可能。


圖1為本發(fā)明的具有任意角度的閃耀光纖光的柵制作裝置整體示意圖；圖2為本發(fā)明的相位掩模板示意圖；圖3為本發(fā)明的1/4圓弧型光纖夾持具示意圖；圖4為本發(fā)明的相位掩模板夾持具側(cè)面示意圖。圖中，激光器101、光衰減透鏡102、全反射鏡103、光聚焦鏡104、水平移動(dòng)平臺(tái) 105、相位掩模板110、反7型相位掩模板夾持具109、1/4圓弧型的光纖夾持具111、升降 移動(dòng)臺(tái)112、光譜分析儀113、光環(huán)形器115、寬帶光源114、控制計(jì)算機(jī)116、掩模板的掩模 201、刻有0-90度角刻度的1/4圓弧架301、圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖夾持具302、弧形光纖夾 持具303、待寫(xiě)制光柵的光纖304、掩模板卡槽402、消應(yīng)力橡膠墊塊403、旋鈕404。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作裝置，主要包括激光器101、光衰減 透鏡102、全反射鏡103、光聚焦鏡104、相位掩模板110、相位掩模板夾持具109、水平移動(dòng)平 臺(tái)105、1/4圓弧型的光纖夾持具111、升降移動(dòng)臺(tái)112、光譜分析儀113、光環(huán)形器115、寬帶 光源114、控制計(jì)算機(jī)116這些裝置的特點(diǎn)如下激光器101水平放置在防震臺(tái)上，在激光器101輸出激光端約15cm處放置光衰減 透鏡102，再在光衰減透鏡102的激光輸出端順次安置全反射鏡103和光聚焦鏡104，全反 射鏡103和光聚焦鏡104安裝在水平位移平臺(tái)105上，水平移動(dòng)平臺(tái)105的可來(lái)回移動(dòng)方 向與激光器101輸出激光方向平行，全反射鏡103的反射端面與激光輸入方向呈45度角， 在距光聚焦鏡104輸出端約50cm處放置相位掩模板夾持具109，相位掩模板110放置在相 位掩模板夾持具上且保持水平，在相位掩模板夾持具109的激光輸出方向安置升降移動(dòng)臺(tái) 112，1/4圓弧型的光纖夾持具111安裝在升降移動(dòng)平臺(tái)112上面，1/4圓弧型的光纖夾持具 111可通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)與掩模板之間的水平距離，水平移動(dòng)臺(tái)105、相位掩模板夾持具109、升 降移動(dòng)臺(tái)112均安裝在同一個(gè)防震平臺(tái)上。水平移動(dòng)平臺(tái)105與升降移動(dòng)臺(tái)112的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均與控制計(jì)算機(jī)116連接，由控 制計(jì)算機(jī)116分別給出水平移動(dòng)平臺(tái)105、升降移動(dòng)臺(tái)112的移動(dòng)速度信號(hào)。寬帶光源114的輸出尾纖與光環(huán)形器115的1 口熔接，待制作光柵的光纖一端與 光環(huán)形器的2 口熔接、另一端與一根光纖跳線熔接，光環(huán)形器115的3 口與一根光纖跳線熔 接，在制作光柵的過(guò)程中可通過(guò)插接這兩個(gè)光纖跳線檢測(cè)光柵的透射譜與反射譜。光環(huán)形器115的1 口、2 口、3 口均為現(xiàn)有產(chǎn)品接口的通用稱(chēng)謂。相位掩模板夾持具109的側(cè)視圖如圖2所示，掩模板卡槽402分為上下兩部分，卡 槽擋板與卡槽402底部垂直，位于下邊的卡槽402固定不動(dòng)，上邊的卡槽402由螺母401控 制可以上下垂直移動(dòng)，上下卡槽402內(nèi)底部均有消應(yīng)力橡膠墊塊403 ；
掩模板夾持具109的主體部分405呈反7型，旋鈕404用于不同掩模板長(zhǎng)度時(shí)調(diào) 節(jié)相位掩模板夾持具109的間距。1/4圓弧型光纖夾持具111如圖3所示，包括刻有0-90度角刻度的1/4圓弧架 301，此圓弧架的半徑可以根據(jù)實(shí)際需求改變，且圓弧架須固定在升降移動(dòng)臺(tái)上；圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖夾持具302的圓心點(diǎn)與1/4圓弧架301的圓心點(diǎn)重合；圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖夾持具302的光纖夾持槽通過(guò)圓心且通過(guò)吸合來(lái)固定光 纖；弧形光纖夾持具303的弧度與1/4圓弧架301的弧度相同。一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作方法，含有以下步驟步驟1.零點(diǎn)的校正進(jìn)行零點(diǎn)校正；這里先設(shè)定1/4圓弧光纖夾持架111的圓心點(diǎn)為初始零點(diǎn)位置，零 點(diǎn)校正可以采用以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟1. 1 將相位掩模板夾持具109和1/4圓弧型的光纖夾持具111的0度線調(diào) 整到水平，且讓光纖與掩模板110的掩模201寬度D的中心位置處于水平線。步驟1. 2 讓水平移動(dòng)平臺(tái)105走到1/4圓弧光纖夾持架111的圓心點(diǎn)同一邊的 某一位置，此位置為能讓激光光斑以正常情況通過(guò)掩模板110的掩模201打到光纖上，且此 時(shí)激光光斑應(yīng)該盡可能地靠近掩模201的端點(diǎn)；步驟1. 3 測(cè)量激光光斑位置與初始零點(diǎn)位置的距離，設(shè)為C ；步驟1. 4 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷此時(shí)的激光光斑是否符合要求；如果滿足要求，則可將此 時(shí)的距初始零點(diǎn)位置為C的點(diǎn)為零點(diǎn)，同時(shí)將水平移動(dòng)臺(tái)此時(shí)的位置定為零點(diǎn)；如果不滿 足要求，則重復(fù)步驟1. 2、步驟1. 3直到滿足要求；步驟2.任意角度的閃耀光纖光柵的制作采用激光光斑水平掃描的方向從圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)光纖夾持具302的圓心到1/4圓 弧架301 ；當(dāng)需要制作的閃耀光纖的閃耀角度為θ時(shí)，采用如下幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)步驟2. 1 將弧形光纖夾持具303固定在1/4圓弧架301對(duì)應(yīng)的θ角角度位置；步驟2.2 將升降臺(tái)向下位移H0,其具體表達(dá)式為H0 = CXtan θ其中C為實(shí)例1中所確定的零點(diǎn)的位置與1/4圓弧光纖夾持架111圓心點(diǎn)的距離。步驟2. 3 利用激光光斑水平掃描，同時(shí)使夾持光纖的升降位移臺(tái)與水平掃描同 步掃描，水平掃描速度與升降速度的關(guān)系僅由光纖與水平線所成夾角θ決定，具體關(guān)系式 為
權(quán)利要求
1.一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作裝置，其特征是激光器水平放置在防震臺(tái)上，在激光器輸出激光端約15cm處放置光衰減透鏡，再在光 衰減透鏡的激光輸出端順次安置全反射鏡和光聚焦鏡，全反射鏡和光聚焦鏡安裝在水平位 移平臺(tái)上，水平移動(dòng)平臺(tái)的可來(lái)回移動(dòng)方向與激光器輸出激光方向平行，全反射鏡的反射 端面與激光輸入方向呈45度角，在距光聚焦鏡輸出端約50cm處放置相位掩模板夾持具，相 位掩模板放置在相位掩模板夾持具上且保持水平，在相位掩模板夾持具的激光輸出方向安 置升降移動(dòng)臺(tái)，1/4圓弧型的光纖夾持具裝在升降移動(dòng)平臺(tái)上面，1/4圓弧型的光纖夾持具 可通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)與掩模板之間的水平距離，水平移動(dòng)臺(tái)、相位掩模板夾持具、升降移動(dòng)臺(tái)均 安裝在同一個(gè)防震平臺(tái)上；水平移動(dòng)平臺(tái)與升降移動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均與控制計(jì)算機(jī)連接，由控制計(jì)算機(jī)分別給出 水平移動(dòng)平臺(tái)、升降移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度信號(hào)；寬帶光源的輸出尾纖與光環(huán)形器的1 口熔接，待制作光柵的光纖一端與光環(huán)形器的2 口熔接、另一端與一根光纖跳線熔接，光環(huán)形器的3 口與一根光纖跳線熔接，在制作光柵的 過(guò)程中可通過(guò)插接這兩個(gè)光纖跳線檢測(cè)光柵的透射譜與反射譜；掩模板卡槽分為上下兩部分，卡槽擋板與卡槽底部垂直，位于下邊的卡槽固定不動(dòng)，上 邊的卡槽由螺母控制可以上下垂直移動(dòng)，上下卡槽內(nèi)底部均有消應(yīng)力橡膠墊塊；掩模板夾持具的主體部分呈反7型，旋鈕用于不同掩模板長(zhǎng)度時(shí)調(diào)節(jié)相位掩模板夾持 具的間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作裝置， 其特征是1/4圓弧型光纖夾持具包括刻有0-90度角刻度的1/4圓弧架，此圓弧架的半徑可以根 據(jù)實(shí)際需求改變，且圓弧架須固定在升降移動(dòng)臺(tái)上；圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖夾持具的圓心點(diǎn)與1/4圓弧架的圓心點(diǎn)重合； 圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖夾持具的光纖夾持槽通過(guò)圓心且通過(guò)吸合來(lái)固定光纖； 弧形光纖夾持具的弧度與1/4圓弧架的弧度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作裝置， 其特征是水平移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度Vl與垂直升降移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度V2通過(guò)控制計(jì)算機(jī)給出， 其關(guān)系由光纖夾持角度決定，其具體表達(dá)式為f = 。μ
4.一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作方法，含有以下步驟 步驟1.零點(diǎn)的校正進(jìn)行零點(diǎn)校正；這里先設(shè)定1/4圓弧光纖夾持架的圓心點(diǎn)為初始零點(diǎn)位置，零點(diǎn)校正 采用以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟1. 1 將相位掩模板夾持具和1/4圓弧型的光纖夾持具的0度線調(diào)整到水平，且讓 光纖與掩模板的掩模寬度D的中心位置處于水平線；步驟1. 2 讓水平移動(dòng)平臺(tái)走到1/4圓弧光纖夾持架的圓心點(diǎn)同一邊的某一位置，此位 置為能讓激光光斑以正常情況通過(guò)掩模板的掩模打到光纖上，且此時(shí)激光光斑應(yīng)該盡可能地靠近掩模的端點(diǎn)；步驟1. 3 測(cè)量激光光斑位置與初始零點(diǎn)位置的距離，設(shè)為C ；步驟1. 4 判斷此時(shí)的激光光斑是否符合要求；如果滿足要求，則可將此時(shí)的距初始零 點(diǎn)位置為C的點(diǎn)為零點(diǎn)，同時(shí)將水平移動(dòng)臺(tái)此時(shí)的位置定為零點(diǎn)；如果不滿足要求，則重復(fù) 步驟1. 2、步驟1. 3直到滿足要求；步驟2.任意角度的閃耀光纖光柵的制作采用激光光斑水平掃描的方向從圓形可任意轉(zhuǎn)動(dòng)光纖夾持具的圓心到1/4圓弧架；當(dāng) 需要制作的閃耀光纖的閃耀角度為θ時(shí)，采用如下幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)步驟2. 1 將弧形光纖夾持具固定在1/4圓弧架對(duì)應(yīng)的θ角角度位置；步驟2. 2 將升降臺(tái)向下位移H0，其具體表達(dá)式為H0 = CXtan θ其中C為零點(diǎn)的位置與1/4圓弧光纖夾持架圓心點(diǎn)的距離；步驟2. 3 利用激光光斑水平掃描，同時(shí)使夾持光纖的升降位移臺(tái)與水平掃描同步掃 描，水平掃描速度與升降速度的關(guān)系僅由光纖與水平線所成夾角θ決定，具體關(guān)系式為 V1為激光光斑水平掃描速度；v2為升降平臺(tái)掃描速度，即光纖掃描軌跡的速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求中4所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作方法， 其特征是采用掩模板夾持具固定掩模板，在整個(gè)光纖寫(xiě)制過(guò)程中固定不動(dòng)，由1/4圓弧型 光纖夾持架做與水平移動(dòng)平臺(tái)同步的垂直升降移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作方法， 其特征是掩模板固定不動(dòng)，光纖夾持具掃描軌跡與掩膜板中掩模的模線平行的掃描方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作方法， 其特征是采用掩膜板固定不動(dòng)，由光纖夾持具夾持光纖掃描的方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作方法， 其特征是采用圓弧狀光纖夾持具任意調(diào)整光纖夾角的方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種基于步進(jìn)掃描的任意角度閃耀光纖光柵的制作方法， 其特征是相位掩膜板夾持具中，為了實(shí)現(xiàn)光纖在寫(xiě)制過(guò)程中成功掃描采用的反7型結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有任意傾斜角度的閃耀光纖光柵制作裝置及方法，屬于光通信-光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。采用了一種基于掩模法的利用激光光斑與光纖夾持具相互垂直并同步掃描的裝置，主要由激光器101、透鏡組108、水平掃描平臺(tái)105，反7型相位掩模板夾持具109、1/4圓弧型光纖夾持架111、升降移動(dòng)臺(tái)112、光譜儀113、控制電腦組成116，所述的水平掃描平臺(tái)105實(shí)現(xiàn)激光光斑的水平掃描，升降移動(dòng)臺(tái)112實(shí)現(xiàn)與水平移動(dòng)臺(tái)105同步的升降掃描，水平移動(dòng)速度與升降速度的關(guān)系由所寫(xiě)閃耀角度θ決定。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102096143SQ20101061753
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者馮亭, 劉鵬, 延鳳平, 彭萬(wàn)敬, 李琦, 梁驍, 蘇爾慈, 陶沛琳 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)