基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入法及扫描式Talbot干涉仪

摘要

本发明涉及一种基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法及扫描式Talbot干涉仪，属光学技术领域。使用Talbot干涉仪，使入射光束依次经过反射、衍射、反射后，在光纤上形成干涉条纹，同时使形成的干涉条纹沿光纤水平移动，从而在光纤上扫描写入光栅。扫描式Talbot干涉仪由平面镜、水平平移台、相位掩模、零级阻断遮光板，以及垂直平移台及固定在其上的光纤组成。具有可方便地调谐写入的Bragg波长、对写入光源的脉冲能量和相干性要求低，Talbot干涉仪的平面镜的长度小等优点。

说明书

技术领域：本发明涉及一种基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法及扫描式Talbot干涉仪，属光学技术领域。

技术背景：自从1993年，K.O.Hill等人首次验证了光纤被直接放置于经相位掩模衍射而产生的紫外近场干涉区，该写入方法已广泛应用于制作光纤光栅。但在相位掩模的接触式写入法中，光纤光栅的写入Bragg波长对应于相位掩模的光栅周期，Bragg波长不能够根据需要变化。为使写入的Bragg波长能够改变并大于2nm，有一种Talbot干涉仪，通过调整平面镜的角度实现改变光纤光栅的写入波长；但这种Talbot干涉仪写入的光栅长度受限于平面镜的长度和写入光源的相干性，制作窄带宽的光栅往往需要较长的平面镜(满足紫外干涉的＞60mm的平面镜难以制作)，写入光栅对紫外光束的脉冲能量密度要求也高(如写制I型光栅，能量密度必须＞100mJ/cm²/pulse，累积能量密度必须＞500J/cm²)；此外，光源的相干性对写入光栅的影响也较大。

发明内容：本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种可方便地调谐写入的Bragg波长、对写入光源的脉冲能量和相干性要求低的基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法，以及用于该方法的扫描式Talbot干涉仪。

本发明的技术方案是：该基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法，是使用Talbot干涉仪，使入射光束依次经过反射、衍射、反射后，在光纤上形成干涉条纹，同时使形成的干涉条纹沿光纤水平移动，从而在光纤上扫描写入光栅。

采用具有水平平移台和垂直平移台结构的Talbot干涉仪，使入射光束依次通过水平平移台2上的平面镜1、支架上的相位掩模3、水平平移台2上的衍射反射镜5和6，以及遮光板4阻断相位掩模3所产生零级衍射光，进行反射、衍射、反射，在垂直平移台8上的光纤7上形成干涉条纹，同时水平移动水平平移台2，使干涉条纹沿光纤运动，在光纤上扫描写入光栅；也可使入射光束依次通过支架上的平面镜1、水平平移台2上的相位掩模3、支架上的衍射反射镜5和6，以及遮光板(4)阻断相位掩模(3)所产生零级衍射光，进行反射、衍射、反射，在固定在水平平移台2上的垂直平移台8上的光纤7上形成干涉条纹，同时水平移动水平平移台2，使干涉条纹沿光纤7运动，从而在光纤上扫描写入光栅。

该扫描式光栅写入法所使用的扫描式Talbot干涉仪，由平面镜1、水平平移台2、相位掩模3、实现零级阻断的遮光板4、衍射反射镜5、衍射反射镜6，以及垂直平移台8及固定在其上的光纤7组成，相位掩模3位于平面镜1与衍射反射镜5、6之间，零级阻断遮光板4位于衍射反射镜5、6之间。根据扫描写入方式的需要，可采用将平面镜1、零级阻断遮光板4、衍射反射镜(平面镜)5、衍射反射镜(平面镜)6固定在水平平移台2上，相位掩模3由支架支撑，垂直平移台8与水平平移台2分离的结构，通过干涉条纹运动实现扫描式写入。也可采用将相位掩模3和垂直平移台8固定在水平平移台2上，平面镜1、衍射反射镜(平面镜)5、衍射反射镜(平面镜)6、零级阻断遮光板4由支架支撑，垂直平移台8放置于水平平移台2上的结构；水平平移台2做水平平移时，会带动垂直平移台8，从而使位于垂直平移台8上的光纤实现水平移动，实现扫描式写入。

在该扫描式Talbot干涉仪中，5、6两个平面镜(衍射反射镜)的转动对改变光纤光栅的写入Bragg波长起着决定作用。根据反射原理，当反射平面镜的角度变化δ时，反射光束的方向变化Δ等于2δ。因此，当两平面镜相向旋转δ时，在给定Bragg条件下，Bragg响应波长为：

$>>>\lambda >B>>=>2>>n>eff>>\Lambda >=>>>>n>eff>>>\lambda >uv>>>>sin>>(>\theta >/>2>+>2>\delta >)>>>>->->->>(>1>)>>>s>$

同时，若5、6两平面镜(衍射反射镜)的旋转轴与入射的±1级衍射光束的重合，则两写入干涉光束的干涉区的菱脊将移动到：

ΔL＝(W_s/2)[cot(θ/2+2δ)-cot(θ/2)]    (2)

因此，当扫描式Talbot干涉仪用于调谐写入光栅Bragg波长时，只要放置光纤的平移台8应作相应的平移就能使得待写光纤位于写入干涉区，即在光纤中写入光栅。

本发明由于采用了可方便调节的运动结构和扫瞄式写入方式，因而较具有如下优点：

1、能够根据需要方便地调节写入光栅Bragg的波长，且写入光栅的长度范围宽；

2、大大减小了Talbot干涉仪中平面镜的长度，对平面镜的尺寸要求仅需大于激光光斑的大小(＞1mm)；

3、对光源相干长度的要求显著降低，降低了对写入光源相干性的要求；

4、显著降低了对激光脉冲能量的要求。

附图说明：下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明干涉条纹运动型结构示意图，

图2为本发明光纤运动型结构示意图，

图3为本发明Bragg波长随平面镜旋转的角度变化的曲线图，

图4为本发明两写入干涉光束的干涉区的菱脊移动随平面镜旋转的角度变化的曲线图。

具体实施方式：

例1：该基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法，是使用Talbot干涉仪，使入射光束依次经过反射、衍射、反射后，在光纤上形成干涉条纹，同时使形成的干涉条纹沿光纤水平移动，从而在光纤上扫描写入光栅。采用具有水平平移台和垂直平移台结构的Talbot干涉仪，使入射光束依次通过水平平移台上的平面镜、支架上的相位掩模、水平平移台上的衍射反射镜，以及插入遮光板4对相位掩模3产生的零级衍射光进行阻断，进行反射、衍射、反射，在垂直平移台上的光纤上形成干涉条纹，同时水平移动水平平移台，使干涉条纹沿光纤运动，在光纤上扫描写入光栅。

如图1所示，该扫描式光栅写入法所使用的扫描式Talbot干涉仪，由平面镜1、水平平移台2、相位掩模3、零级阻断遮光板4、衍射反射镜5和6，以及垂直平移台8及固定在其上的光纤7组成。平面镜1、零级阻断遮光板4、衍射反射镜(平面镜)5和6固定在水平平移台2上，相位掩模3由支架支撑，相位掩模3位于平面镜1与衍射反射镜5、6之间，零级阻断遮光板4位于衍射反射镜5、6之间，垂直平移台8与水平平移台2分离。

工作时，通过水平平移台2同时带动其上起反射入射光束作用的平面镜1，和起反射±1级衍射光作用的两个平面镜5、6在水平方向做平移，使干涉条纹沿光纤7运动，从而扫描写入光栅。

例2：该基于Talbot干涉仪的扫描式光栅写入方法，是使用Talbot干涉仪，使入射光束依次经过反射、衍射、反射后，在光纤上形成干涉条纹，同时使形成的干涉条纹沿光纤水平移动，从而在光纤上扫描写入光栅。采用具有水平平移台和垂直平移台结构的Talbot干涉仪，使入射光束依次通过支架上的平面镜、水平平移台上的相位掩模、支架上的衍射反射镜，以及插入遮光板对相位掩模产生的零级衍射光进行阻断，进行反射、衍射、反射，在固定在水平平移台上的垂直平移台上的光纤上形成干涉条纹，同时水平移动水平平移台，使干涉条纹沿光纤运动，在光纤上扫描写入光栅。

如图2所示，该扫描式光栅写入法所使用的扫描式Talbot干涉仪，由平面镜1、水平平移台2、相位掩模3、零级阻断遮光板4、衍射反射镜5和6，以及垂直平移台8及固定在其上的光纤7组成。相位掩模3和垂直平移台8固定在水平平移台2上，平面镜1、衍射反射镜(平面镜)5和6、零级阻断遮光板4由支架支撑，相位掩模3位于平面镜1与衍射反射镜5、6之间，零级阻断遮光板4位于衍射反射镜5、6之间，垂直平移台8放置于水平平移台2上。

工作时，通过水平平移台2同时带动其上起衍射作用的相位掩模3，和待写入光栅的光纤7在水平方向做平移，使光纤沿干涉条纹运动，从而扫描写入光栅。

在该改变写入Bragg波长的扫描式Talbot干涉仪中，相位掩模的光栅周期Λ_pm是1084nm，当若紫外写入光束的波长λ_uv是248nm时，则±1级衍射光的衍射角θ/2＝13.225°；两平面镜之间的间距W_s为10mm，作为公式(2)的结果，相位模板到写入干涉区的距离L为42.6mm；在光纤的纤芯中，有效反射率n_eff是1.46。

将上述数据代入公式(1)，可得表示Bragg波长与5、6两平面镜角度变化关系的图3。与此同时，放置光纤的平移台8应按式(2)的规律进行平移才能使得待写光纤位于写入干涉区，两写入干涉光束的干涉区的菱脊移动随平面镜旋转的角度变化的曲线见图4。