一种蓝宝石光纤圆环光栅、制作方法及装置

本发明属于光子器件加工领域，更具体地，涉及一种蓝宝石光纤圆环光栅、制作方法及装置。

背景技术：

1、蓝宝石的熔点高达2053℃，是一种具有高熔点、高硬度、耐腐蚀、电绝缘等机械性能优势的单晶氧化铝材料，同时具备良好的导光性能，在高温高压等极端环境下具有巨大的应用潜力。光纤光栅是一种应用十分广泛的光纤器件，其凭借结构简单、体积小、灵敏度高等优势在光纤通信、光纤传感以及光纤激光器等方面发挥着巨大作用。近年来，蓝宝石光纤光栅高温传感器的研究取得了较大进展，目前通过飞秒激光加工技术制备蓝宝石光纤光栅的方法主要有以下几种：

2、(1)飞秒激光结合相位掩模板制备蓝宝石光纤光栅，这种方法是将飞秒激光照射到相位掩模板形成衍射条纹，利用衍射条纹对光纤进行曝光从而制备光栅，这种方法制备效率高，但是光栅周期受限于相位掩模板的周期，制备不同周期的光栅需要使用不同的相位掩模板。

3、(2)飞秒激光逐点直写蓝宝石光纤光栅。这种制备方式是通过飞秒激光在蓝宝石光纤中刻写一系列周期分布的点构成光栅，由于在光纤横向引起的折射率调制区域面积较小，这种制备方法得到的蓝宝石光纤光栅的反射率往往较低，且反射峰带宽较大。

4、(3)飞秒激光逐线直写蓝宝石光纤光栅。这种制备方式是通过飞秒激光在蓝宝石光纤内刻写一系列垂直于光纤轴向的线段构成光栅，能够在一定程度上提高折射率调制区域面积从而增大光栅的反射率，但是蓝宝石光纤光栅反射峰的带宽仍然较大。

5、随着蓝宝石光纤光栅制备技术的发展，蓝宝石光纤高温传感器已经可以应用于高温传感领域，但是由于蓝宝石光纤没有纤芯包层结构，制备出的蓝宝石光纤光栅的反射光谱通常较为粗糙，且反射峰带宽较大，这严重限制着蓝宝石光纤光栅的高温传感性能，尤其是对传感精度有着较大的影响。研究如何通过改善制备方法来减小蓝宝石光纤光栅的反射峰带宽对提高蓝宝石光纤光栅的高温传感性能、推动蓝宝石光纤光栅在高温传感领域的应用具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决蓝宝石光纤光栅反射峰带宽大的问题，提供了一种蓝宝石光纤圆环光栅、制作方法及装置，该制作方法能够有效减小蓝宝石光纤光栅反射峰的带宽，提高蓝宝石光纤光栅高温传感器的性能，并同时具有结构简单、易于制备等优点。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种蓝宝石光纤圆环光栅，蓝宝石光纤是一种没有纤芯包层结构的光纤，光栅位于蓝宝石光纤内部；所述的光栅是由一系列平行于光纤截面即沿光纤轴向周期排布的圆环组成。

3、进一步地，相邻圆环的轴向间距相同。圆环半径为9μm，相邻圆环间距为0.9μm，圆环数量为700。

4、另一方面，本发明还提供了一种蓝宝石光纤圆环光栅的制作方法，所述的圆环是由飞秒激光在蓝宝石光纤内引入的圆环形折射率调制轨迹；所述的折射率调制为负折射率调制。具体包括：将飞秒激光的光斑焦点调整在目标蓝宝石光纤内，刻写出垂直于光纤轴向的圆环；

5、沿光纤轴向按照预设周期重复刻写，形成光栅。

6、又一方面，本发明提供了一种蓝宝石光纤圆环光栅的制作装置，用于完成上述的制作方法，包括激光刻写组件和控制器；激光刻写组件的出光口垂直于目标蓝宝石光纤，控制器按照制作方法控制激光刻写组件完成光栅制作。

7、进一步地，所述装置还包括三维位移平台，目标蓝宝石光纤固定在三维位移平台上，光纤轴向平行于三维位移平台的水平方向，三维位移平台用于带动光纤沿轴向移动，以便调整激光刻写组件的光斑焦点位置。

8、进一步地，激光刻写组件包括飞秒激光器和聚焦物镜，所述飞秒激光器输出的飞秒激光通过聚焦物镜聚焦到目标蓝宝石光纤中。

9、进一步地，所述飞秒激光器的波长为520nm，重复频率为200khz。

10、本发明的工作原理：

11、飞秒激光在蓝宝石光纤内引入负折射率调制，当调制区域在光纤截面的形状为一个居中的圆环时，会在光纤截面中心区域形成一个中间高四周低的折射率分布，沿光纤轴向重复刻写一系列相互靠近的圆环，即可在轴向上形成类纤芯的波导结构，将光束缚在波导内部传输；同时光纤轴向周期性的圆环结构组成光栅，会使波导中传输的光发生布拉格谐振，将满足谐振条件的光进行反射，在其反射光谱中形成反射峰。

12、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

13、有益效果：

14、(1)本发明制备的蓝宝石光纤圆环光栅可以实现较小的反射峰带宽，可以有效提高蓝宝石光纤圆环光栅的高温传感精度。

15、(2)本发明制备的蓝宝石光纤圆环光栅结构简单，易于制备，通过单一的结构同时实现了波导和光栅的效果，免去了分别制备波导和光栅的复杂步骤。

16、(3)本发明制备的圆环形状的光栅与光纤的圆柱形状相匹配，相比于其他方法能够更加有效地提高折射率调制区域面积。

17、(4)本发明制备灵活性高，可以根据需求灵活控制圆环大小、光栅周期以及光栅长度。

技术特征：

1.一种蓝宝石光纤圆环光栅，其特征在于，包括蓝宝石光纤和光栅，所述光栅位于蓝宝石光纤内部，包括一系列沿光纤轴向周期排布的圆环，蓝宝石光纤和光栅的横截面为同心圆。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤圆环光栅，其特征在于，相邻圆环的轴向间距相同。

3.根据权利要求2所述的蓝宝石光纤圆环光栅，其特征在于，圆环半径为9μm，相邻圆环间距为0.9μm，圆环数量为700。

4.一种权利要求1至3任一项所述的蓝宝石光纤圆环光栅的制作方法，其特征在于，包括：

5.一种蓝宝石光纤圆环光栅的制作装置，用于完成权利要求4所述的制作方法，其特征在于，包括激光刻写组件和控制器；激光刻写组件的出光口垂直于目标蓝宝石光纤，控制器按照权利要求4所述的制作方法控制激光刻写组件完成光栅制作。

6.根据权利要求5所述的制作装置，其特征在于，所述装置还包括三维位移平台，目标蓝宝石光纤固定在三维位移平台上，光纤轴向平行于三维位移平台的水平方向，三维位移平台用于带动光纤沿轴向移动，以便调整激光刻写组件的光斑焦点位置。

7.根据权利要求5所述的制作装置，其特征在于，激光刻写组件包括飞秒激光器和聚焦物镜，所述飞秒激光器输出的飞秒激光通过聚焦物镜聚焦到目标蓝宝石光纤中。

8.根据权利要求7所述的制作装置，其特征在于，所述飞秒激光器的波长为520nm，重复频率为200khz。

技术总结本发明公开了一种蓝宝石光纤圆环光栅、制作方法及装置，属于光子器件加工领域。圆环光栅由一系列平行于光纤截面的圆环组成，在蓝宝石光纤内部制备，是由飞秒激光在蓝宝石光纤内引入的圆环形折射率调制轨迹。本发明制备的蓝宝石光纤圆环光栅可以实现较小的反射峰带宽，可以有效提高蓝宝石光纤圆环光栅的高温传感精度。同时结构简单，易于制备，通过单一的结构同时实现了波导和光栅的效果，免去了分别制备波导和光栅的复杂步骤。技术研发人员：舒学文,刘玉磊受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19