利用飞秒激光在光纤兼容体材料内逐点刻写三维四通道波导光栅滤波器的方法及应用

本发明属于激光加工，具体涉及利用飞秒激光直写技术在光纤兼容体材料内直写三维光分束器，并利用逐点刻写的方式原位写入波导光栅，以实现基于并行排布波导光栅阵列的三维四通道滤波器的直写加工。

背景技术：

1、布拉格光纤光栅具有波长选择特性及环境响应特性，被广泛应用于滤波、通信、传感等领域。相比于紫外光掩模板照射等制备布拉格光纤光栅的方法，飞秒激光直写技术是基于透镜将脉冲激光聚焦于材料内部，从而使得激光焦点与材料之间产生非线性相互作用，引起材料性质的改变。在实验中，可以通过调控合适的加工参数，在任意聚焦区域诱导材料折射率的升高。这种制备方式具有材料适用范围广、真三维加工、制备成本低、制备周期短等优点。为了实现多个分立波长的同时反射，以提高通信滤波能力和传感多参数解耦能力，目前各国课题组主要使用由多个不同周期的子光栅进行纵向级联构成的分布式光纤光栅。然而光子依次经过分布式光纤光栅的不同周期子光栅结构，会导致信号的强度和相位发生变化，限制高精度滤波与传感中的应用。此外，在同一根光纤上不同纵向位置集成多段光栅会导致器件纵向集成度降低。子光栅位于光纤纵向的不同位置，间距不可避免地增大，导致多参数原位传感的空间分辨率下降。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了利用飞秒激光在光纤兼容体材料内逐点刻写三维四通道波导光栅滤波器的方法及应用，该方法利用飞秒激光逐点原位刻写的方式将多个不同周期的子光纤光栅在光传输的横向方向进行立体集成，进一步提升布拉格光栅器件的性能以及实现基于不同周期布拉格光纤光栅的多通道三维滤波器的一步制备。

2、本发明的原理如下：

3、布拉格光栅是由周期性折射率调制形成的反射结构，根据布拉格条件mλ＝2nλ，其可以实现在某一特定波长附近的一定带宽内显示出很大的反射率，其中，λ为产生谐振的反射波长，m为光栅的阶数，λ为光栅周期，n为波导芯层有效折射率。设计多通道波导光栅滤波器各个通道的反射波长以及光栅阶数，通过布拉格条件计算出光栅周期即为加工过程中激光逐点曝光所设置的点间距。达到一定能量阈值的飞秒激光通过物镜聚焦在材料内部，再通过控制三维精密运动平台使焦点在样品内进行精密运动对材料进行改性、加工，从而实现三维一分四光分束器件的制备。选定合适的激光单脉冲能量和曝光时间在波导上进行原位曝光，飞秒脉冲会在原波导上形成折射率调制区，从而形成波导光栅的周期性折射率分布，制备得到并行排布的不同周期波导光栅。入射光经过三维波导分束器被分成四束后，分别到达并行排布的不同周期的波导光栅单元滤波器，并在滤波器内产生以λ为中心波长的反射光。多个不同波长的反射光再次经过三维波导分束器后被宽波段单模光纤收集，并进入光谱仪。基于飞秒激光的三维加工能力，飞秒激光所直写器件可以实现与其他光学器件在三维空间内的集成。同时，多个不同周期的子光栅在光传输的横向方向进行立体集成，不仅解决了在分布式光纤光栅中存在的信号强度和相位变化问题，而且不同周期的子光栅集中在芯片内的小范围位置，有望实现多参数的原位传感。

4、本发明通过如下技术方案实现：

5、利用飞秒激光在光纤兼容体材料内逐点刻写三维四通道波导光栅滤波器的方法，具体包括如下步骤：

6、(1)、样品台的调平；

7、具体步骤为：首先，激光器出射的飞秒激光依次经过反射镜m1、m2，中心入射到第一凸透镜l1和第一凹透镜l2上进行激光缩束，使入射到倍频元件bbo上的激光符合其倍频阈值；经bbo倍频后的飞秒激光经过反射镜m3后依次经过二分之一波片hwp和格兰棱镜pbs，经反射镜m4中心入射到第二凹透镜l3和第二凸透镜l4进行扩束，再经由反射镜m5反射后均匀辐照于物镜ol入瞳，经物镜ol聚焦后入射至样品台上的样品表面；照明光源led固定在物镜ol斜上方，使照明光源led发出的白光被物镜ol聚焦于样品表面；经过样品表面反射的照明光依次透过物镜ol和反射镜m5后聚焦成像到ccd中，之后由连接到ccd的电脑pc即可对样品表面进行反射式显微观察；同时，照射于样品上的低能量激光经由物镜ol和ccd构成的显微系统，通过实时监控电脑pc上的激光光斑使低能量激光在样品沿着x方向和y方向运动时反射到ccd上的光斑图像不变，表明样品表面相对于激光入射光束垂直，即完成样品台的调平；

8、(2)、有效折射率n的测定；

9、根据公式mλ＝2nλ计算出λ1，λ2，…，λn，并作为光栅点间距；其中，λ为产生谐振的反射波长，m为光栅的阶数，λ为光栅周期，n为波导芯层有效折射率；λ设置为λ0，m设置为m1，m2，…，mn，n设置为n0，光栅长度l设置为l0；然后取一个待加工样品衬底置于样品台，将焦点移动至衬底内部，按照上述计算出的光栅点间距扫描制备n个直波导光栅；分别对每一个直波导光栅测试其反射光谱，读出反射光谱的中心波长，从而得到n个不同阶数光栅的有效折射率值n；绘制n随m变化的曲线，随着m增加，曲线纵坐标稳定在一个值，即为波导有效折射率；

10、(3)、光栅阶数m的确定；

11、根据λ0,选定测试波长范围为(λ0-δλ，λ0+δλ)，把步骤二得到的n值带入公式mλ＝2nλ中，将m设置为m1，m2，…，mn，光栅长度l设置为l0,计算出λ1，λ2，…，λn，作为光栅点间距；然后取一个待加工样品衬底置于样品台，将焦点移动至衬底内部，按照上述计算出的光栅点间距扫描制备n个直波导光栅；分别对每一个直波导光栅测试其反射光谱，读出反射光谱的反射率和x-db带宽；绘制光栅反射率和x-db带宽随m变化的曲线，反射率大于i，带宽小于j条件下对应的横坐标即为最优光栅阶数m的取值；

12、(4)多通道波导光栅滤波器的直写；

13、具体步骤为：首先，设置多通道波导光栅滤波器各个通道的反射中心波长为λ1，λ2，…，λm，各个通道波导光栅长度l均设置为l0,之后将步骤二得到的n值和步骤三得到的m值带入公式mλ＝2nλ中，计算出λ1，λ2，…，λm，即为各个通道波导光栅的点间距；之后，根据计算结果确定波导上折射率再调制点的坐标以及器件结构扫描轨迹；最后，取新的待加工衬底，将激光聚焦于衬底内部，并将带有结构参数的加工程序加载到电脑pc中样品平台的运动控制软件；此时，物镜聚焦于样品内起始加工位置后再运行程序即可制备得到不同周期波导光栅呈并行排布的三维四通道波导光栅滤波器。

14、进一步地，步骤(1)所述待加工样品为熔融石英；所述二分之一波片hwp和格兰棱镜pbs的组合能通过旋转半波片进行激光功率的调节，旋转pbs实现激光偏振的调节；所述物镜ol、反射镜m5、成像设备ccd和样品的几何中心在一条直线上。

15、进一步地，步骤(2)所述布拉格光栅产生谐振的中心波长范围为1550±150nm，光栅阶数m的范围为1-12，所述n0为1.44-1.45，所述l0为5-12mm；根据公式mλ＝2nλ，点间距λn是mnλ0/(2*n0)，点的个数是l0/λn+1；最终确定的波导有效折射率n值为1.445±0.002。

16、进一步地，步骤(3)所述布拉格光栅产生谐振的中心波长范围为1550±100nm，δλ取值为40-70nm，光栅阶数m的范围为1-12，所述l0为5-12mm；x-db带宽是衡量信号在频域内能量分布的重要指标，其中，x在3-40范围内取值；根据公式mλ＝2nλ，点间距λn是mnλ0/(2*n0)，点的个数是l0/λn+1；i的取值范围为-9--7db，j的取值范围为0.9-1.2nm，最终确定的最优光栅阶数m取值为2-4。

17、进一步地，步骤(4)所述布拉格光栅产生谐振的中心波长可以在1550±100nm范围内取值，通道间所设置中心波长间隔为20-70nm；所述l0为5-12mm；根据公式mλ＝2nλ，点间距λm是m0λm/(2*n0)，点的个数是l0/λm+1。

18、进一步地，所述三维四通道波导光栅滤波器是由三维波导光分束器及不同周期的布拉格光栅组成；不同周期的布拉格光栅并行排布于三维波导光分束器的出射端口；通过程序设定，即可使三维波导光分束器的四个出射端口以及连接的四个布拉格波导光栅分布在一个正方形的顶点位置；所述正方形的边长即相邻波导光栅横向和纵向间距可设置为150-200μm；所述三维波导光分束器及不同周期的布拉格光栅均由515nm飞秒激光在熔融石英内部通过连续扫描和逐点曝光的方式制备；波导器件的激光直写速度为0.3-1mm/s，激光功率为150-350mw；光栅的单点曝光时间设置为0.1-20ms，激光曝光功率设置为150-500mw；器件的中心位置设置为样品表面以下150-190μm深度处。

19、另一方面，本发明还提供了利用飞秒激光在光纤兼容体材料内逐点刻写三维四通道波导光栅滤波器的方法在传感方面的应用。

20、与现有技术相比，本发明的优点如下：

21、(1)、本发明的方法得到的基于并行排布波导光栅的三维四通道滤波器由三维分束器和不同周期的布拉格光栅构成。光经过三维分束器后被均匀分成立体并行排布的多路光束，并分别传输至由飞秒激光原位集成不同周期的波导布拉格光栅，可以实现多通道的并行滤波，器件具有结构简单且紧凑集成的特点；

22、(2)、多个不同周期的子光栅在光传输的横向方向进行立体集成，不仅解决了在分布式光纤光栅中存在的信号强度和相位变化问题，而且不同周期的子光栅集中在芯片内的小范围位置，有望实现多参数的原位传感；

23、(3)、证实了飞秒激光直写可以精确控制激光曝光参数以调控光栅结构和反射光谱特性，能够通过介质内的逐点曝光来创建高质量的布拉格光栅。