СПОСОБ ПОТОЧЕЧНОЙ ЗАПИСИ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК ИЗЛУЧЕНИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА
METHOD FOR POINT-BY-POINT INSCRIPTION OF FIBRE BRAGG GRATINGS BY FEMTOSECOND LASER RADIATION

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к волоконной оптике и может быть использовано для изготовления волоконных брэгговских решеток (ВБР).
Известны способы записи ВБР с помощью ультрафиолетового излучения посредством пространственных интерферометров или фазовых масок. Общим недостатком таких методов является невозможность записи ВБР в нефоточувствительных волоконных световодах.
Для решения этой проблемы используются импульсные лазеры с субпикосекундной длительностью импульсов. Благодаря многофотонным процессам возможна запись решеток в нефоточувствительных оптических материалах, в том числе в кварцевых световодах с нелегированной кварцевой сердцевиной. С применением таких лазеров известен метод записи с помощью фазовой маски. Однако недостатком такого метода является необходимость использования лазеров с высоким уровнем энергии в импульсе для обеспечения достаточной интенсивности излучения по всей длине записываемого участка решетки. Кроме того, запись решетки может занимать продолжительное время (см., например, обзор С.В. Варжель, Волоконные брэгговские решетки. - СПб: Университет ИТМО, 2015), а рабочая (брэгговская) длина волны ВБР ограничивается существующим набором фазовых масок.
Описан интерференционный метод записи ВБР с помощью фемтосекундного лазера (далее, ФСЛ) (CN 101359067 (A). UNIV XI AN JIAOTONG, 04.02.2009). В данном методе периодическая модуляция показателя преломления сердцевины волокна задается интерфенционной картиной луча лазера, сведенного самого с собой через разные плечи интерферометра. Преимуществом такого метода является возможность перестройки длины волны записываемых ВБР. Недостатком же является исключительная сложность изготовления и использования таких интерферометров. Импульсы ФСЛ чрезвычайно коротки (десятки - сотни фемтосекунд), пространственный размер такого импульса составляет приблизительно 0,1 мм (для 300 фс импульса). Для получения эффективной интерференционной картины оптические пути различных плеч интерферометров должны совпадать с точностью, превышающей пространственный размер импульса, что само по себе является чрезвычайно сложной задачей.
Описан способ записи ВБР (WO 2018042441 (A1) - FEMTOSECOND LASER INSCRIPTION, REINHOLD COHN AND PARTNERS CYPRUS UNIV OF TECHNOLOGY, 08.03.2018). При записи ВБР осуществляется перемещение волокна с заданной постоянной скоростью и управление ФСЛ одним из следующих параметров: длительность импульса, поток, размер фокусного пятна, форма фокусного пятна, профиль и энергия множества лазерных импульсных лучей и воздействие импульсами сфокусированного излучения ФСЛ на сердцевину волокна для модуляции показателя преломления в зоне формирования ВБР. Предусмотрено многопроходное сканирование когда ФСЛ перемещается вперед и назад по одной и той же плоскости, чтобы управлять уровнем изменения показателя преломления. К преимуществам заявитель относит отсутствие сложных процедур юстировки и необходимости синхронизации положения позиционера с триггером лазера. Однако этот способ возможно использовать только для нанесения линий при создании ВБР, а не точек.
Описан способ формирования оптического устройства типа ВБР путем выполнения мультисканирования - множества перекрывающихся лазерных сканирований (ЕР 2580613 (B1), OPTOSCRIBE LTD, 03.06.2020). Каждое сканирование включает относительное перемещение лазерного луча и волоконного световода. Излучение может содержать импульсное излучение, и управление лазерным лучом включает управление по меньшей мере одним из следующих параметров: амплитуда, длительность импульсов и частота повторения импульсов. Однако назначение способа мультисканирования иное: первый проход создает сам световод в планарной структуре, а второй - записывает ВБР в созданном световоде.
Описано устройство для создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов (RU 2695286 С1, НГУ, ИАиЭ СО РАН, 22.07.2019), реализующее поточечный метод записи ВБР посредством импульсов ФСЛ, однако это устройство не содержит средств, обеспечивающих многопроходную запись.
s
Наиболее близким к патентуемому способу является способ изготовления ВБР посредством поточечной записи (RU 2610904 С1, ИАиЭ СО РАН, ООО "Фемтотех", 17.02.2017). Состоит в использовании импульсного излучения ФСЛ, которое с помощью микрообъектива фокусируется в сердцевину волоконного световода с защитным покрытием. Световод перемещается с постоянной скоростью с помощью высокоточного линейного позиционера Вследствие этого 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, амплитуда сканирования Ах должна быть больше диаметра сердцевины световода D для эффективного взаимодействия излучения с ВБР и отсутствия угла наклона штрихов ВБР. С помощью пьезокерамического позиционера осуществляется настройка положения фокуса перед изготовлением и подстройка положения точки фокусировки внутри сердцевины.
Основным недостатком является низкий уровень воспроизводимости записываемых структур. Запись происходит в один проход при низком уровне контроля динамики записи и параметров излучения. Минимальные отклонения в энергии импульса за счет многофотонных процессов, могут приводить к значительным изменениям в параметрах записываемой структуры, что существенно сказывается на параметрах ВБР. Отклонение коллимированного пучка записывающего излучения от середины сердцевины волокна может приводить к понижению эффективности записи за счет меньшего перекрытия между создаваемыми дефектами и распространяющейся модой излучения, проходящего через волокно. Как следствие, при такой записи крайне затруднительно обеспечить заданные, воспроизводимые параметры ВБР, особенно по уровню отражения, что существенно при изготовлении протяженных линий с массивом слабоотражающих ВБР или при изготовлении резонаторов волоконных лазеров.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы повышения воспроизводимости и контролируемости изменения параметров в процессе записи ВБР.
Патентуемый способ записи волоконных брэгговских решеток (ВБР) включает перемещение волокна с заданным профилем скорости и поточечное воздействие импульсами сфокусированного излучения фемтосекундного лазера (ФСЛ) на сердцевину волокна для модуляции показателя преломления в зоне формирования структуры ВБР.
Отличие состоит в следующем. Поточечное воздействие импульсами излучения ФСЛ, частота следования которых не превышает 10 кГц, осуществляют путем многократного, имеющего N циклов, прохода зоны формирования ВБР от начальной до конечной точек, координаты которых запоминают. Сначала формируют первоначальный трек, а затем при последующих проходах воздействие импульсами излучения ФСЛ осуществляют с учетом запомненных координат точек упомянутого первоначального трека, причем после каждого прохода волокно в зоне формирования структуры ВБР возвращают на начальную позицию или в позицию, смещенную относительно начальной позиции на заданную величину, а момент подачи первого импульса излучения ФСЛ совмещают по времени с точностью не хуже 10 мкс с моментом прихода начальной точки ВБР в зону записи.
Способ может характеризоваться тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют по точкам, координаты которых совпадают с точками первоначального трека.
Способ может характеризоваться и тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют со смещением относительно точек первоначального трека в плоскости, перпендикулярной или расположенной под углом к оси волокна.
Способ может характеризоваться также тем, что контраст формируемой ВБР регулируют количеством проходов и/или уровнем энергии в импульсе излучения ФСЛ.
Способ может характеризоваться, кроме того тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют с энергией импульсов излучения ФСЛ, измененной относительно энергии импульсов излучения ФСЛ первоначального трека, а также тем, что число циклов составляет N=2-10.
Способ может характеризоваться и тем, что средства для перемещения волокна с заданным профилем скорости и поточечного воздействия на волокно сфокусированным излучением ФСЛ включают одно- двух- или трехкоординатный привод микроперемещения волокна, связанный с возможностью управления и обмена информацией о перемещении и координатах с блоком синхронизации и управления, управляющие выходы которого связаны с управляющими входами ФСЛ и генератора частоты, выход которого соединен с входом акустооптического модулятора, установленного на выходе ФСЛ.
Технический результат - повышение воспроизводимости и контролируемости изменения параметров ВБР в процессе записи.
Для осуществления контролируемой записи ВБР с помощью поточечной записи предлагается осуществление последовательной, многоэтапной (многопроходной) записи брэгговских решеток с помощью импульсов ФСЛ, обеспечивающих запись за один проход ВБР с уровнем контраста ниже требуемого. Благодаря многократному проходу по участку оптического волокна осуществляется контролируемый рост контраста ВБР до требуемых значений. Контроль контраста осуществляется с помощью соответствующей спектрометрической аппаратуры. Количество проходов и/или уровень энергии в импульсе может варьироваться для достижения необходимого уровня контраста ВБР. Проблема реализации данного метода на практике связана, как правило, с отсутствием синхронизации первого импульса лазера с местом начала записи брэгговской структуры, из-за чего при повторном проходе может осуществляться стирание или перезапись первоначально записанной решетки.
В зависимости от конструкции ФСЛ, частота следования импульсов может изменяться дискретно с шагом, кратным частоте задающего генератора ФСЛ. Управление частотой следования импульсов осуществляется, как правило, акустооптическим модулятором (АОМ). Однако время прихода первого импульса при разрешенном состоянии АОМ определяется исключительно схемой работы самого лазера, из-за чего затруднительно точно синхронизировать положение позиционера с волокном с приходом импульса лазерного излучения. По этой причине, при повторном проходе новая структура может быть записана со случайным сдвигом (случайной фазой) относительно записанной ранее решетки, что может привести к некорректной записи и потере ее характеристик. При этом ошибка позиционирования может составлять до целого периода структуры (2π). Следует отметить, что в источниках фемтосекундного излучения крайне трудно синхронизировать работу самого ФСЛ, например, включая задающий генератор по внешнему синхроимпульсу. Это приведет к нестабильности его работы и также не обеспечит ни заданной энергии, ни нужного момента прихода первого импульса.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - блок-схема устройства для записи ВБР;
фиг. 2 - блок-схема алгоритма функционирования блока синхронизации и управления;
фиг. 3, 4 - характеристики полученных ВБР;
mod
фиг. 5 - изменение контраста ВБР ηΔn от количества циклов N записи.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для многократного прохода зоны формирования ВБР, где: 1 - волоконный световод; 2 - зона формирования ВБР, имеющей начальную 21 и конечную 22 точки; 3 - привод микроперемещения одно-двух- или трехкоординатный, 4 - ФСЛ; 41, 42 - излучение ФСЛ; 43 - объектив, 5 - привод вертикального перемещения объектива 43; 6 - акустооптический модулятор (АОМ), 7 - генератор радиочастоты для питания АОМ; 8 - спектроанализатор; 9 - блок синхронизации и управления, 10 - компьютер.
eff
eff
Запись ВБР в рамках каждой цикла записи происходит известным поточечным методом (т.н. Point-By-Point в режиме Single Shot), где один элемент структуры решетки (штрих) за один проход (цикл) формируется одним импульсом ФСЛ. Поточечная запись осуществляется путем перемещения волоконного световода 1 вдоль своей оси с заданной постоянной скоростью посредством привода 3 микроперемещения при фокусировании излучения 42 ФСЛ 4 посредством объектива 43, управляемого приводом 5 вертикального перемещения, на сердцевину волоконного световода 1. Скорость V перемещения световода 1 и частота F следования импульсов ФСЛ 4 определяют период записи ВБР и, соответственно, брэгговскую длину волны λ=2n Т, где: n эффективный показатель преломления (то есть средний показатель преломления между показателем преломления в штрихах ВБР и в необработанных местах). Т - период брэгговской решетки. Период ВБР T=F×V определяется скоростью V перемещения световода 1 и частотой F повторения импульсов ФСЛ.
Для обеспечения равномерности записи брэгговской структуры приводу необходимо заранее выйти на скоростной режим движения перед началом записи, что затрудняет точную синхронизацию привода 3 по сигналу с ФСЛ 4. Точное позиционирование начальной точки 21 ВБР обеспечивается синхронизацией импульсов ФСЛ по положению привода 3 с волокном.
Способ реализуют в соответствии с приведенным алгоритмом (фиг. 2) следующим образом.
П. 10. Начало работы. Выбор параметров ВБР.
П. 11. В управляющую программу блока 9 вносят основные параметры записи будущей ВБР: частота повторения импульсов ФСЛ 4, профиль мощности лазерного излучения (зависимость мощности лазерного излучения от координаты записанного участка формируемой ВБР), профиль скорости движения привода 3 перемещения (зависимость скорости от координаты записанного участка формируемой ВБР). Также вводят координаты начальной и конечной точек ВБР. Программа формирует профиль будущего движения привода 3 микроперемещения в соответствии с введенными координатами и параметрами (по П. 10). Для того, чтобы привод 3 штатно вышел на заданную скорость, необходим участок разгона (и торможения), поэтому к профилю заданной ВБР программа добавляет участки разгона и торможения. Приводы непосредственно перед началом записи приводятся именно в точки начала движения с учетом упомянутого участка разгона.
П. 12. Запуск привода 3 осуществляется в начальной точке движения. Световод посредством привода разгоняется до необходимой скорости так, чтобы проходя начальную точку формирования ВБР иметь расчетную скорость.
П. 13. В момент совпадения координаты начальной точки 21 формирования ВБР (точка задана оператором в П. 11.) на генератор 7 подается синхроимпульс, который запускает генератор АОМ 6, который начинает работать на частоте, выбранной в П. 11. Соответственно, пришедший синхроимпульс не открывает АОМ (который работает на частоте своего собственного генератора 7, несинхронизированного с основным генератором ФСЛ 4), а запускает именно генератор АОМ, что позволяет на малой частоте работы АОМ (в рекомендуемом диапазоне до 10 кГц) уменьшить дисперсию во времени прихода первого импульса до значений, не превышающих 10 мкс.
П. 14. Проведение собственно записи ВБР. Привод 3 перемещает волокно 1 согласно профилю скорости, заданному П. 11. ФСЛ работает на заданной частоте и с соответствующим профилем мощности и генерирует импульсы, которые осуществляют запись ВБР. Каждый импульс ФСЛ локально изменяет показатель преломления сердцевины волокна 1 и формирует один штрих ВБР, реализуя поточечную запись Point-By-Point методом Single Shot.
П. 15. В момент прохождения координаты конечной точки 22 формируемой ВБР от блока 9 подается синхроимпульс на отключение АОМ 6, соответственно прекращается подача импульсов ФСЛ на запись. Привод 3 после прохождения конечной точки 22 формирования ВБР продолжает перемещение волокна 1 по траектории, определенной в П. 11 для штатного торможения.
П. 16. После окончательной остановки привода 3 производится анализ параметров ВБР, полученной в результате прохода первоначального трека. Параметры ВБР определяются анализатором 8 методом регистрации спектра отражения. В том случае, если параметры первоначального трека пригодны для дальнейшей доработки данной ВБР, осуществляется переход на повторный проход (N=2) импульсами ФСЛ зоны формирования ВБР.
П. 17. Посредством привода 3 зону формирования структуры ВБР перемещают и возвращают на начальную точку 21, координаты которой запоминают. Момент подачи первого импульса излучения ФСЛ совмещают по времени с точностью не хуже 10 мкс с моментом прихода начальной точки ВБР в зону записи. Если полученные параметры ВБР после повторного прохода (N=2) пригодны для дальнейшей доработки данной ВБР, то осуществляется возврат на начальную точку 21 и последующий проход (N=3) импульсами излучения ФСЛ. Этот процесс повторяется многократно и заканчивается, если параметры ВБР удовлетворяют заданным.
П. 18. В том случае, если параметры первоначального трека непригодны для доработки данной ВБР, осуществляется переход на операцию П. 11 и повторение последовательности операций П. 12 - П. 17.
П. 19. Анализ результата записи ВБР по п. 18.
Циклическое повторение операций по П. 11-П. 17. осуществляется до тех пор, пока параметры изготовленной ВБР не будут соответствовать заданным, после чего процесс записи прекращают.
Контроль контраста ВБР при записи может осуществляться либо путем повторных проходов по уже записанному участку сердцевины волокна, либо со сдвигом области записи в плоскости, перпендикулярной или расположенной под углом к оси световода.
На фиг. 3 представлен результат записи решетки с помощью многопроходной записи в виде спектров пропускания ВБР в зависимости от числа проходов N=1-8. Наблюдается монотонный рост контраста ВБР от количества последующих проходов при ее записи (кривые обозначены поз. 51-58 относительно нулевой линии 50), что может быть использовано для получения точных, наперед заданных характеристик ВБР.
Данный метод позволяет производить запись ВБР с высокой степенью точности воспроизведения их параметров, в том числе, со слабым уровнем отражения.
На фиг. 4 приведены спектры трех одинаковых ВБР (обозначены поз. 61, 62, 63), полученных с помощью патентуемого способа. Коэффициент отражения каждой решетки составляет 0,1%. Видно, что отклонение в уровне отражения от заданного значения не превышает 0,3 дБ.
mod
На фиг. 5 представлена зависимость контраста ВБР ηΔn от числа N циклов записи. Видно, что контраст решетки монотонно возрастает с увеличением количества проходов/итераций записи. Прочие параметры записи от итерации к итерации оставались без изменения. Глубина модуляции показателя преломления (а отсюда и контраст/сила/глубина ВБР) непосредственно зависит от уровня энергии в импульсе излучения ФСЛ в широком диапазоне энергий (исключая явно избыточные мощности ФСЛ, когда происходит уже неконтролируемое повреждение материала). Многопроходная запись и возможность регулирования мощности записывающего излучения ФСЛ от прохода к проходу дает возможность контролируемого повышения контраста/силы/глубины записываемой ВБР.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата, а именно повышении воспроизводимости и контролируемости изменения параметров ВБР в процессе записи.