Устройство для создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов
DEVICE FOR CREATION OF PERIODIC STRUCTURES OF REFRACTION INDEX INSIDE TRANSPARENT MATERIALS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления волоконных брэгговских решеток, длиннопериодных решеток показателя преломления, представляющих собой периодическую структуру показателя преломления, сформированную в сердцевине волоконного световода.
Волоконные брэгговские и длиннопериодные решетки показателя преломления широко применяются в различных областях науки и техники от элементов волоконных лазеров до чувствительных элементов волоконных сенсорных систем.
Известно техническое решение создания периодических структур фемтосекундным лазерным излучением внутри оптических световодов (WO 2005111677 A3 «Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibres and sensors using the same», МПК G01L 1/24; G02B 6/02, опубликовано 24.11.2005), которое может быть использовано при изготовлении волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах.
В данном методе каждый штрих периодической структуры создается одним лазерным импульсом, сфокусированным высокоапертурным объективом в сердцевину световода. Каждый импульс следует с постоянной частотой повторения, при этом сам световод перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, формируется периодическая структура показателя преломления внутри сердцевины световода. В представленном методе волоконный световод фиксируется только в двух точках, участок световода между этими точками испытывает провисание, что приводит к отклонению положения световода от прямолинейного и смещению положения области фокусировки внутри сердцевины волоконного световода. Для устранения данных смещений области фокусировки перемещение волоконного световода необходимо осуществлять по траектории отличной от прямолинейной, которая бы компенсировала данное провисание.
Недостатком известного технического решения является необходимость предварительной юстировки положения световода относительно области фокусировки для компенсации провисания, что увеличивает трудоемкость и время записи структур. Кроме того, для точного перемещения световода для компенсации провисания требуется использование дорогостоящего высокоточного 3-х координатного позиционера.
Известно техническое решение, представленное в патенте (RU 2610904, «Способ изготовления волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах» Авторы: Достовалов А.В., Бабин С.А., Вольф А.А., Парыгин А.В., Распопин К.С.) где предлагается поточечный метод создания волоконных брэгговских решеток, основанный на протяжке нефоточувствительного волоконного световода через прозрачную феррулу со шлифованной боковой гранью для эффективной фокусировки лазерного излучения в сердцевину нефоточувствительного волоконного световода. Протяжка осуществляется с помощью высокоточного линейного позиционера. В данном случае проблема провисания световода решается, поскольку область фокусировки относительно сердцевины световода не изменяется при протяжке световода.
Недостатком известного технического решения является малое значение поперечного размера области модификации, определяемое условиями фокусировки излучения высокоапертурным объективом, что приводит к неэффективному взаимодействию излучения, распространяющегося по сердцевине световода, с периодической структурой и, следовательно, к низкому значению коэффициента отражения от данной структуры. По этой причине для увеличения коэффициента отражения необходимо либо повышать величину изменения показателя преломления области модификации с помощью увеличения энергии лазерных импульсов, либо увеличивать общую длину структуры. В первом случае чрезмерное увеличение энергии лазерных импульсов может привести к возникновению явления оптического пробоя в материале и, следовательно, возникновению существенных оптических потерь в структуре, что нежелательно для многих прикладных задач, где используются волоконные решетки показателя преломления. Во втором случае при записи длинных ВБР могут накапливаться ошибки в позиционировании, что может привести к искажению идеальной формы спектра ВБР.
Известно техническое решение, представленное в статье [P. Lu, S.J. Mihailov, Н. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. Способ основан на использовании астигматического гауссова пучка при записи, который формируется цилиндрической линзой, расположенной перед фокусирующим объективом. При фокусировке астигматического гауссова пучка наблюдается формирования двух каустик с взаимно-перпендикулярным расположением: меридиональную и сагиттальную, которые представляет собой две полоски (вертикальная и горизонтальная). Таким образом, располагая одну из каустик в сердцевине, перпендикулярно оси световода, возможно, получить область модификации с поперечным размером равным диаметру сердцевины, поэтому излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.
Недостатками данного технического решения являются фиксированный поперечный размер области модификации, определяемый фокусным расстоянием цилиндрической линзы, что ограничивает запись ВБР в световодах с различными диаметрами сердцевины, а также высокое значение величины энергии лазерных импульсов (на порядок больше, чем при поточечной схеме записи) требуемой для записи, что может привести к повреждению оптических элементов системы.
Известно техническое решение, представленное в статье (K. Zhou, М. Dubov, С. Mou, L. Zhang, V.K. Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) где предлагается модифицированный поточечный метод записи посредством наложения соседних областей модификаций, которые образуют непрерывный трек, формирующий периодическую структуру ВБР. Периодическая структура формируется вследствие перемещение световода, закрепленного на высокоточном 2-х координатном позиционере, по заданной траектории движения, состоящей из прямых отрезков, расположенных поперек и вдоль оси волокна. Период периодической структуры равен в данном случае длине отрезка прямой вдоль волокна. При этом с помощью синхронизации открывания/закрывания лазерного затвора модификация показателя преломления осуществляется только в сердцевине световода. В данном случае, поскольку поперечный размер области модификации показателя преломления будет сопоставим или равен диаметру сердцевины световода, излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.
Недостатком известного технического решения является низкая скорость записи структур, поскольку для создания каждого штриха решетки требуется сместить весь участок световода на величину, превышающую диаметр сердцевины световода, а также необходимость использования высокоточного 2-х координатного позиционера.
Перед авторами ставилась задача разработать устройство изготовления волоконных решеток показателя преломления в волоконных световодах с поперечным размером модификации сравнимой с диаметром сердцевины световода различных диаметров.
1
2
1
3
2
3
2
Поставленная задача решается с помощью использования оптически последовательно связанных: источника фемтосекундного лазерного излучения, поворотного зеркала, первой собирающей линзы, рефрактивной плоскопараллельной пластинки, выполненной из оптически прозрачного материала, имеющуей форму прямоугольного параллелепипеда, второй собирающей линзы, микрообъектива и прозрачной феррулы со шлифованной боковой гранью, для размещения в ней волоконного световода, при этом рефрактивная пластинка размещена со смещением от перетяжки пучка между первой и второй собирающими линзами и установлена с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной оптической оси оптической схемы для регулирования латерального смещения пучка лазерного излучения в фокальной плоскости микрообъектива, определяемое по формуле , где θ - угол поворота рефрактивной пластинки, d - толщина рефрактивной пластинки вдоль оптической оси при θ=0 рад, n - коэффициент преломления рефрактивной пластинки, ƒ - фокусное расстояние микрообъектива, ƒ - фокусное расстояние второй линзы, расстояние между первой и второй собирающими линзами - L=ƒ+ƒ+(n-1)d/n, где ƒ - фокусное расстояние первой собирающей линза, а расстояние L от второй линзы до входной апертуры микрообъектива должно быть равным фокусному расстоянию второй собирающей линзы, феррула, с размещенным в ней волоконным световодом, должна быть расположена таким образом, чтобы сердцевина волоконного световода находилась в фокусе микрообъектива
Техническим результатом заявляемого устройства изготовления волоконных брэгговских решеток в волоконных световодах является увеличение коэффициента отражения волоконных брэгговских решеток и скорости изготовления волоконных брэгговских решеток, а также расширение типов записываемых структур (наклонные ВБР, ДПВР, волноводные структуры).
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства изготовления периодических структур показателя преломления (вид спереди), где 1 - лазерное излучение, 2 - фемтосекундный лазер, 3 - микрообъектив, 4 - феррула, 5 - сердцевина световода, 6 - световод, 8 - сквозной канал ферулы, 9 - сканерный модуль, 10 - первая собирающая линза, 11 - плоскопараллельная пластинка, 12 - вторая собирающая линза.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства изготовления периодических структур показателя преломления (вид сбоку), где 1 - лазерное излучение, 2 - фемтосекундный лазер, 3 - микрообъектив, 4 - феррула, 6 - световод, 7 - высокоточный линейный позиционер, 9 - сканерный модуль, 10 - первая собирающая линза, 11 - плоскопараллельная пластинка, 12 - вторая собирающая линза.
На фиг. 3 представлены схема записи волоконных брэгговских решеток показателя преломления с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.
На Фиг. 4 представлена схема записи наклонных ВБР с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.
На Фиг. 5 представлена схема записи длиннопериодных решеток показателя преломления с помощью предложенного метода развертки лазерного луча.
На Фиг. 6 представлены спектры наклонных волоконных брэгговских решеток в волоконных световодах, изготовленных по предложенной схеме записи.
На Фиг. 7 представлена фотография области модификации показателя преломления внутри сердцевины волоконных световодах в области наклонных волоконных брэгговских решеток, изготовленных по предложенной схеме записи.
Заявляемое устройство создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов на основе сканирования (развертки) сфокусированного пучка лазерного излучения в фокальной плоскости объектива работает следующим образом. Лазерное излучение 1 фемтосекундного лазера 2 с постоянной частотой следования и энергией импульсов с помощью микрообъектива 3, с числовой апертурой NA>0.5, фокусируется через шлифованную боковую грань феррулы 4, прозрачной для излучения фемтосекундного лазера, в сердцевину 5 нефоточувствительного волоконного световода 6. Волоконный световод 6 изготавливают как одномодовым (т.е. в сердцевине волоконного световода может распространяться только одна мода на рабочей длине волны), так и многомодовым (т.е. в сердцевине волоконного световода может распространяться несколько мод на рабочей длине волны). Волоконный световод 6 перемещается с помощью высокоточного линейного позиционера 7 (Фиг. 2) с постоянной скоростью V в процессе изготовления волоконных решеток показателя преломления. Сквозной внутренний канал 8 феррулы 4, между волоконным световодом 6 и внутренними стенками феррулы 4, заполняется иммерсионной жидкостью для компенсации кривизны боковой поверхности световода. Показатель преломления иммерсионной жидкости подбирается равным показателю преломления феррулы 4.
1
3
2
3
2
2
2
С помощью сканирующего модуля 9 осуществляется развертка сфокусированного лазерного пучка в области сердцевины 5 волоконного световода 6. Задача сканирующего модуля 9 создавать изменение угла наклона сколлимированного пучка лазера 2 на входной апертуре микрообъектива 3. Сканерный модуль 9 (Фиг. 1) на основе рефрактивной плоскопараллельной пластинки включает в себя первую собирающую линзу 10, рефрактивную плоскопараллельную пластинку 11 и вторую собирающую линзу 12. Пластинка 11 выполнена из оптически прозрачного материала и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с расстоянием между рабочими гранями d. Пластинка располагается между двумя линзами 10 и 12 и смещена от перетяжки пучка между линзами для уменьшения интенсивности фемтосекундного излучения внутри нее. Пластинка установлена на оси электродвигателя или гальвано-сканера (ось вращения перпендикулярна оптической оси оптической схемы. (Фиг. 1). Расстояние между линзами 10 и 12 - L=ƒ+ƒ+(n-1)d/n, где ƒ - фокусное расстояние первой собирающей линзы, ƒ - фокусное расстояние второй собирающей линзы, а n - коэффициент преломления пластинки, d - толщина пластинки вдоль оптической оси при θ=0 рад. При этом, расстояние L до входной апертуры микрообъектива 3 должно быть равным ƒ, чтобы при сканировании пятно лазерного пучка не перемещалось относительно апертуры миркообъектива 3. При повороте пластинки 11 на угол θ происходит латеральное смещение пучка между линзами на расстояние:
что приводит к смещения пятна в плоскости фокусировки на
1
2
1
где ƒ - фокусное расстояние микрообъектива 3. Соотношение фокусных расстояний линз позволяет управлять диаметром пучка на апертуре микрообъектива W, по отношению к исходному диаметру W в плоскости линзы 10 по формуле:
s
s
Схема записи ВБР с помощью описанного метода представлена на фиг. 3, где окружность изображает модификацию от одиночного лазерного импульса. При наложении данных модификаций формируется непрерывный трек с измененным показателем преломления. Таким образом, задавая сканирование в поперечном к оси световода (диаметра D) направлении по синусу с частотой v и перемещая световод с постоянной скоростью V, возможно создание однородных ВБР. При этом период ВБР будет равен Λ=V/(2v). При этом, амплитуда сканирования Ах должна быть больше диаметра сердцевины световода D для эффективного взаимодействия излучения с ВБР и отсутствия угла наклона штрихов ВБР.
s
На Фиг. 4 представлена схема записи наклонных ВБР с помощью развертки лазерного луча. В данном случае функция сканирования лазерного луча задается в виде треугольной функции при непрерывном перемещении световода. Угол наклона штрихов решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещение световода V, так и от частоты сканирования луча v: tg(α)=V/(2Dv).
На Фиг. 5 представлена схема записи длиннопериодных решеток показателя преломления. В данном случае при наложении соседних треков и модуляции энергии импульсов, возможно, создание периодической структуры с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого открыт затвор лазера.
Для демонстрации работоспособности предложенного способа были изготовлены наклонные волоконные брэгговские решетки с периодом структуры 2,14 мкм (4-ый порядок на 1550 нм). При этом общая длина ВБР составила 10 мм. Угол наклона составил 9°, амплитуда сканирования составила 10 мкм. Спектр записанной наклонной ВБР представлен на Фиг. 6. Поскольку для наклонной ВБР характерна сильная связь с оболочечными модами, то в спектре пропускания наблюдаются выраженные пики в коротковолновой области, соответствующие резонансам оболочечных мод. Изображения участка сердцевины световода с записанной наклонной ВБР представлены на Фиг. 7. Из которых отчетливо видна треугольная форма отдельных участков решетки.
Таким образом, заявленный способ позволяет изготавливать волоконные решетки показателя преломления методом развертки лазерного луча, что существенно увеличивает скорость изготовления волоконных решеток показателя преломления, а также упрощает схему записи, поскольку в ней не требуется использования 2-х координатных высокоточных позиционеров.
Преимуществом заявляемого технического решения является возможность изготовления волоконных решеток показателя преломления различных типов, как однородных ВБР, так и ВБР с наклонными штрихами, а также длиннопериодных решеток показателя преломления.