RU2778978C1 - Method for point-by-point inscription of fibre bragg gratings by femtosecond laser radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument manufacture.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument manufacture, to fibre optics. Method for inscribing fibre Bragg gratings (FBR) includes moving the fibre with a set velocity profile and subjecting the fibre core point-by-point to pulses of focused femtosecond laser (FSL) radiation in order to modulate the refractive index in the area of formation of the FBR structure. The point-to-point exposure to FSL radiation pulses with the repetition frequency of 10 kHz or lower is implemented through multiple passes, in N cycles, over the area of formation of the FBR from the initial point to the end point, storing the coordinates of both points. The initial track is formed first; then, in the subsequent passes, the exposure to FSL radiation pulses is implemented with account fir the stored coordinates of the points of said initial track; wherein the fibre in the area of formation of the FBR structure is returned to the initial position or to a position shifted relative to the initial position by a set amount after each pass, and the moment of emission of the first pulse of FSL radiation is aligned in time, with an accuracy of 10 ms or more, with the moment of arrival of the initial point of the FBR to the inscription area.

EFFECT: increase in the reproducibility and controllability of changing the parameters of the FBR in the process of inscribing.

7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к волоконной оптике и может быть использовано для изготовления волоконных брэгговских решеток (ВБР).The invention relates to optical instrumentation, namely to fiber optics and can be used for the manufacture of fiber Bragg gratings (FBGs).

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.Known methods of recording FBG using ultraviolet radiation by means of spatial interferometers or phase masks. A common disadvantage of these methods is the impossibility of recording FBGs in nonphotosensitive optical fibers.

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.To solve this problem, pulsed lasers with subpicosecond pulse durations are used. Thanks to multiphoton processes, it is possible to write gratings in non-photosensitive optical materials, including quartz fibers with an undoped quartz core. With the use of such lasers, a recording method using a phase mask is known. However, the disadvantage of this method is the need to use lasers with a high level of energy per pulse to ensure sufficient radiation intensity along the entire length of the recorded section of the grating. In addition, grating recording can take a long time (see, for example, the review by S.V. Varzhel, Fiber Bragg Gratings. - St. Petersburg: ITMO University, 2015), and the working (Bragg) FBG wavelength is limited by the existing set of phase masks.

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.An interference method for recording FBGs using a femtosecond laser (hereinafter, FSL) is described (CN 101359067 (A). UNIV XI AN JIAOTONG, 04.02.2009). In this method, the periodic modulation of the refractive index of the fiber core is given by the interference pattern of the laser beam brought together with itself through different arms of the interferometer. The advantage of this method is the possibility of tuning the wavelength of the recorded FBGs. The disadvantage is the exceptional complexity of the manufacture and use of such interferometers. FSL pulses are extremely short (tens to hundreds of femtoseconds), the spatial size of such a pulse is approximately 0.1 mm (for a 300 fs pulse). To obtain an effective interference pattern, the optical paths of the different arms of the interferometers must match with an accuracy exceeding the spatial size of the pulse, which in itself is an extremely difficult task.

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.A method for recording FBGs is described (WO 2018042441 (A1) - FEMTOSECOND LASER INSCRIPTION, REINHOLD COHN AND PARTNERS CYPRUS UNIV OF TECHNOLOGY, 03/08/2018). When recording an FBG, the fiber is moved at a given constant speed and the FSL is controlled by one of the following parameters: pulse duration, flux, focal spot size, shape of the focal spot, profile and energy of a plurality of laser pulsed beams, and the effect of pulses of focused FSL radiation on the fiber core to modulate the index refraction in the FBG formation zone. Multi-pass scanning is provided when the FSL moves back and forth on the same plane to control the level of change in the refractive index. The applicant considers the absence of complex adjustment procedures and the need to synchronize the position of the positioner with the laser trigger as advantages. However, this method can only be used for drawing lines when creating FBGs, not points.

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.A method for forming an optical device of the FBG type by performing multiscan - a plurality of overlapping laser scans is described (EP 2580613 (B1), OPTOSCRIBE LTD, 06/03/2020). Each scan includes a relative movement of the laser beam and the optical fiber. The radiation may include pulsed radiation, and control of the laser beam includes control of at least one of the following parameters: amplitude, pulse duration, and pulse repetition rate. However, the purpose of the multiscan method is different: the first pass creates the fiber itself in a planar structure, and the second one records the FBG in the created fiber.

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.A device for creating periodic structures of the refractive index inside transparent materials is described (RU 2695286 C1, NSU, IA&E SB RAS, 07/22/2019), which implements the point-by-point FBG recording method using FSL pulses, however, this device does not contain means that provide multi-pass recording.

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_s 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.The closest to the patented method is the method of manufacturing FBGs by dot-by-dot recording (RU 2610904 C1, IA&E SB RAS, Femtotech LLC, 02/17/2017). It consists in the use of FSL pulsed radiation, which is focused with the help of a microlens into the core of a fiber light guide with a protective coating. The light guide is moved at a constant speed by a high-precision linear positioner. As a result, a continuous track with a changed refractive index is formed. Thus, by setting scanning in the direction transverse to the axis of the fiber (diameter D) along the sine with a frequency v _s and moving the fiber at a constant speed V, it is possible to create uniform FBGs. In this case, the scanning amplitude Ax must be greater than the diameter of the fiber core D for effective interaction of radiation with FBG and the absence of the angle of inclination of the FBG strokes. With the help of a piezoceramic positioner, the focus position is adjusted before manufacturing and the position of the focus point inside the core is adjusted.

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.The main disadvantage is the low level of reproducibility of the recorded structures. Recording occurs in one pass with a low level of control over the recording dynamics and radiation parameters. Minimal deviations in the pulse energy due to multiphoton processes can lead to significant changes in the parameters of the recorded structure, which significantly affects the FBG parameters. Deviation of the collimated recording beam from the middle of the fiber core can lead to a decrease in the recording efficiency due to less overlap between the created defects and the propagating mode of radiation passing through the fiber. As a result, it is extremely difficult to provide given, reproducible FBG parameters with such a recording, especially in terms of the reflection level, which is essential in the manufacture of extended lines with an array of low-reflecting FBGs or in the manufacture of fiber laser cavities.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы повышения воспроизводимости и контролируемости изменения параметров в процессе записи ВБР.The present invention is aimed at solving the technical problem of increasing the reproducibility and controllability of parameter changes during the FBG recording process.

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.The patented method for recording fiber Bragg gratings (FBGs) includes moving the fiber with a given velocity profile and pointwise action of pulses of focused femtosecond laser (FSL) radiation on the fiber core to modulate the refractive index in the zone of formation of the FBG structure.

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.The difference is as follows. Point-by-point exposure to FSL radiation pulses, the repetition rate of which does not exceed 10 kHz, is carried out by multiple, having N cycles, passage of the FBG formation zone from the initial to the final points, the coordinates of which are memorized. First, the initial track is formed, and then, during subsequent passes, the exposure to FSL radiation pulses is carried out taking into account the stored coordinates of the points of the mentioned initial track, and after each pass, the fiber in the formation zone of the FBG structure is returned to the initial position or to a position shifted relative to the initial position by a given value, and the moment of applying the first FSL radiation pulse is combined in time with an accuracy of no worse than 10 μs with the moment of arrival of the FBG starting point in the recording zone.

Способ может характеризоваться тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют по точкам, координаты которых совпадают с точками первоначального трека.The method can be characterized by the fact that subsequent passes of the FBG structure formation zone are carried out at points whose coordinates coincide with the points of the initial track.

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.The method can also be characterized by the fact that subsequent passes of the FBG structure formation zone are carried out with an offset relative to the points of the initial track in a plane perpendicular or at an angle to the fiber axis.

Способ может характеризоваться также тем, что контраст формируемой ВБР регулируют количеством проходов и/или уровнем энергии в импульсе излучения ФСЛ.The method can also be characterized by the fact that the contrast of the generated FBG is controlled by the number of passes and/or the energy level in the FSL radiation pulse.

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.The method can be characterized, in addition, by the fact that subsequent passes of the FBG structure formation zone are carried out with the energy of the FSL radiation pulses changed relative to the energy of the FSL radiation pulses of the initial track, and also by the fact that the number of cycles is 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.The method can also be characterized by the fact that the means for moving the fiber with a given speed profile and point-by-point impact on the fiber by focused FSL radiation include a one-, two-, or three-coordinate drive for micro-displacement of the fiber, associated with the ability to control and exchange information about the movement and coordinates with the synchronization and control unit , the control outputs of which are connected to the control inputs of the FSL and the frequency generator, the output of which is connected to the input of the acousto-optic modulator installed at the output of the FSL.

Технический результат - повышение воспроизводимости и контролируемости изменения параметров ВБР в процессе записи.The technical result is an increase in the reproducibility and controllability of changes in the parameters of the FBG during the recording process.

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.To perform controlled FBG recording using dot-by-point recording, it is proposed to perform sequential, multi-stage (multi-pass) recording of Bragg gratings using FSL pulses, which provide recording in one FBG pass with a contrast level below the required one. Thanks to multiple passes along the section of the optical fiber, a controlled increase in the FBG contrast to the required values is carried out. Contrast control is carried out using appropriate spectrometric equipment. The number of passes and/or the energy level in the pulse can be varied to achieve the required level of FBG contrast. The problem of implementing this method in practice is associated, as a rule, with the lack of synchronization of the first laser pulse with the place where the recording of the Bragg structure began, due to which, during a second pass, the originally recorded grating can be erased or rewritten.

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.Depending on the design of the FSL, the pulse repetition rate can be changed discretely with a step that is a multiple of the frequency of the FSL master oscillator. The pulse repetition rate is controlled, as a rule, by an acousto-optic modulator (AOM). However, the time of arrival of the first pulse in the enabled state of the AOM is determined solely by the scheme of operation of the laser itself, which makes it difficult to accurately synchronize the position of the positioner with the fiber with the arrival of the laser radiation pulse. For this reason, during a repeated pass, a new structure can be recorded with a random shift (random phase) relative to the previously recorded grating, which can lead to incorrect recording and loss of its characteristics. In this case, the positioning error can be up to a whole period of the structure (2π). It should be noted that in femtosecond radiation sources it is extremely difficult to synchronize the operation of the FSL itself, for example, by turning on the master oscillator using an external clock pulse. This will lead to instability of its operation and will also not provide either the specified energy or the required moment of arrival of the first pulse.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:The essence of the invention is illustrated in the drawings, where:

фиг. 1 - блок-схема устройства для записи ВБР;fig. 1 is a block diagram of a device for recording FBG;

фиг. 2 - блок-схема алгоритма функционирования блока синхронизации и управления;fig. 2 - block diagram of the algorithm for the operation of the synchronization and control unit;

фиг. 3, 4 - характеристики полученных ВБР;fig. 3, 4 - characteristics of the obtained FBGs;

фиг. 5 - изменение контраста ВБР ηΔn_mod от количества циклов N записи.fig. 5 - change in the contrast FBG ηΔn _mod on the number of cycles N recording.

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.Figure 1 shows a block diagram of a device for multiple passage of the formation zone FBG, where: 1 - optical fiber; 2 - the zone of formation of the FBG, having the initial 21 and final 22 points; 3 - micro-displacement drive one-two- or three-coordinate, 4 - FSL; 41, 42 - FSL radiation; 43 - lens, 5 - drive for vertical movement of the lens 43; 6 - acousto-optical modulator (AOM), 7 - radio frequency generator for powering the AOM; 8 - spectrum analyzer; 9 - synchronization and control unit, 10 - computer.

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_eff Т, где: n_eff 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.FBG recording within each recording cycle occurs by the well-known point-by-point method (the so-called Point-By-Point in the Single Shot mode), where one element of the lattice structure (stroke) in one pass (cycle) is formed by one FSL pulse. Point-by-point recording is carried out by moving the fiber 1 along its axis at a given constant speed by means of a micro-displacement drive 3 while focusing the radiation 42 of the FSL 4 by means of a lens 43 controlled by the vertical movement drive 5 onto the core of the fiber 1. The speed V of the movement of the fiber 1 and the repetition frequency F FSL 4 pulses determine the FBG recording period and, accordingly, the Bragg wavelength λ=2n _eff T, where: n _eff is the effective refractive index (that is, the average refractive index between the refractive index in the FBG strokes and in untreated areas). T is the period of the Bragg grating. The period of the FBG T=F×V is determined by the speed V of the movement of the fiber 1 and the frequency F of the repetition of FSL pulses.

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.To ensure the uniformity of the recording of the Bragg structure, the drive must advance to the high-speed mode of motion before starting recording, which makes it difficult to accurately synchronize the drive 3 according to the signal from the FSL 4. The exact positioning of the starting point 21 of the FBG is ensured by synchronization of the FSL pulses according to the position of the drive 3 with the fiber.

Способ реализуют в соответствии с приведенным алгоритмом (фиг. 2) следующим образом.The method is implemented in accordance with the above algorithm (Fig. 2) as follows.

П. 10. Начало работы. Выбор параметров ВБР.P. 10. Getting started. Selection of FBG parameters.

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.P. 11. The main parameters of recording the future FBG are introduced into the control program of block 9: the pulse repetition rate of the FSL 4, the laser radiation power profile (the dependence of the laser radiation power on the coordinate of the recorded section of the formed FBG), the speed profile of the movement drive 3 (dependence of the speed on the coordinate recorded section of the formed FBG). Also enter the coordinates of the start and end points of the FBG. The program generates a profile of the future movement of the micro-displacement drive 3 in accordance with the entered coordinates and parameters (according to P. 10). In order for the drive 3 to normally reach the set speed, an acceleration (and deceleration) section is required, therefore, the program adds acceleration and deceleration sections to the profile of the given FBG. The drives immediately before the start of the recording are brought exactly to the points of the start of movement, taking into account the mentioned acceleration section.

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.P. 12. The start of the drive 3 is carried out at the starting point of the movement. The light guide is accelerated by means of a drive to the required speed so that, passing the initial point of FBG formation, it has the calculated speed.

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.P. 13. At the moment of coincidence of the coordinates of the initial point 21 of the FBG formation (the point is set by the operator in P. 11.), a sync pulse is supplied to the generator 7, which starts the AOM 6 generator, which starts operating at the frequency selected in P. 11. Accordingly, the incoming the sync pulse does not open the AOM (which operates at the frequency of its own generator 7, which is not synchronized with the main FSL generator 4), but starts the AOM generator, which makes it possible to reduce the dispersion in the time of arrival of the first pulse at a low frequency of the AOM (in the recommended range up to 10 kHz) to values not exceeding 10 µs.

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.P. 14. Carrying out the actual recording of the FBR. The drive 3 moves the fiber 1 according to the speed profile specified by P. 11. The FSL operates at a given frequency and with the corresponding power profile and generates pulses that record the FBG. Each FSL pulse locally changes the refractive index of the fiber core 1 and forms one stroke of the FBG, implementing Point-By-Point point-by-point recording using the Single Shot method.

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.P. 15. At the moment of passing the coordinate of the end point 22 of the formed FBG, a sync pulse is supplied from block 9 to turn off AOM 6, respectively, the supply of FSL pulses for recording is stopped. The drive 3 after passing the end point 22 of the formation of the FBG continues to move the fiber 1 along the path defined in P. 11 for normal braking.

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.Item 16. After the final stop of the drive 3, the analysis of the FBG parameters obtained as a result of the passage of the initial track is carried out. The FBG parameters are determined by the analyzer 8 by recording the reflection spectrum. In the event that the parameters of the initial track are suitable for further refinement of this FBG, the transition to a second pass (N=2) by FSL pulses of the FBG formation zone is carried out.

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.P. 17. By means of the drive 3, the zone of formation of the FBG structure is moved and returned to the starting point 21, the coordinates of which are memorized. The moment of applying the first FSL radiation pulse is combined in time with an accuracy of no worse than 10 μs with the moment of arrival of the FBG starting point in the recording zone. If the obtained FBG parameters after the second pass (N=2) are suitable for further refinement of this FBG, then the return to the starting point 21 and the subsequent pass (N=3) by FSL radiation pulses are carried out. This process is repeated many times and ends if the FBG parameters satisfy the specified ones.

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.P. 18. In the event that the parameters of the original track are unsuitable for finalizing this VBR, the transition to the operation P. 11 is carried out and the sequence of operations P. 12 - P. 17 is repeated.

П. 19. Анализ результата записи ВБР по п. 18.P. 19. Analysis of the result of the FBR recording according to p. 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.Cyclic repetition of operations according to P. 11-P. 17. is carried out until the parameters of the manufactured FBG correspond to the specified ones, after which the recording process is stopped.

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.The control of the FBG contrast during recording can be carried out either by repeated passes over the already recorded section of the fiber core, or by shifting the recording area in a plane perpendicular or at an angle to the fiber axis.

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.In FIG. 3 shows the result of grating recording using multi-pass recording in the form of FBG transmission spectra depending on the number of passes N=1-8. There is a monotonous increase in the contrast of the FBG from the number of subsequent passes during its recording (curves are marked pos. 51-58 relative to the zero line 50), which can be used to obtain accurate, predetermined characteristics of the FBG.

Данный метод позволяет производить запись ВБР с высокой степенью точности воспроизведения их параметров, в том числе, со слабым уровнем отражения.This method makes it possible to record FBGs with a high degree of accuracy in reproducing their parameters, including those with a weak reflection level.

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.In FIG. Figure 4 shows the spectra of three identical FBGs (denoted pos. 61, 62, 63) obtained using the patented method. The reflectance of each grating is 0.1%. It can be seen that the deviation in the reflection level from the specified value does not exceed 0.3 dB.

На фиг. 5 представлена зависимость контраста ВБР ηΔn_mod 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.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the FBG contrast ηΔn _mod on the number N of recording cycles. It can be seen that the grating contrast increases monotonically with an increase in the number of recording passes/iterations. Other recording parameters remained unchanged from iteration to iteration. The depth of modulation of the refractive index (and hence the contrast/strength/depth of the FBG) directly depends on the energy level in the FSL radiation pulse in a wide energy range (excluding obviously excess FSL powers when uncontrolled damage to the material occurs). Multi-pass recording and the ability to control the power of the FSL recording radiation from pass to pass makes it possible to controllably increase the contrast/strength/depth of the recorded FBG.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата, а именно повышении воспроизводимости и контролируемости изменения параметров ВБР в процессе записи.Thus, the presented data indicate the achievement of a technical result, namely, an increase in the reproducibility and controllability of changes in the parameters of the FBG during the recording process.

Claims (10)

1. Способ записи волоконных брэгговских решеток (ВБР), включающий 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,1. A method for recording fiber Bragg gratings (FBGs), which includes moving a fiber with a given velocity profile and pointwise action of focused femtosecond laser (FSL) radiation pulses on the fiber core to modulate the refractive index in the FBG structure formation zone, отличающийся тем, чтоcharacterized in that 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, при этом сначала формируют первоначальный трек, а затем при последующих проходах воздействие импульсами излучения ФСЛ осуществляют с учетом запомненных координат точек упомянутого первоначального трека,point-by-point exposure to FSL radiation pulses, the repetition rate of which does not exceed 10 kHz, is carried out by multiple, having N cycles, passage of the FBG formation zone from the initial to the final points, the coordinates of which are memorized, while first forming the initial track, and then, during subsequent passes, exposure to pulses FSL radiation is carried out taking into account the stored coordinates of the points of the mentioned initial track, причем после каждого прохода волокно в зоне формирования структуры ВБР возвращают на начальную позицию, 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.moreover, after each pass, the fiber in the zone of formation of the FBG structure is returned to the initial position, and the moment of supply of the first FSL radiation pulse is coincident in time with an accuracy of no worse than 10 μs with the moment the initial point of the FBG arrives in the recording zone. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют по точкам, координаты которых совпадают с точками первоначального трека.2. The method according to claim 1, characterized in that subsequent passes of the FBG structure formation zone are carried out at points whose coordinates coincide with the points of the initial track. 3. Способ по п. 1, отличающийся 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.3. The method according to p. 1, characterized in that subsequent passes of the formation zone of the FBG structure are carried out with an offset relative to the points of the initial track in a plane perpendicular or at an angle to the fiber axis. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубину модуляции показателя преломления формируемой ВБР регулируют количеством проходов и/или уровнем энергии в импульсе излучения ФСЛ.4. The method according to claim 1, characterized in that the modulation depth of the refractive index of the generated FBG is controlled by the number of passes and/or the energy level in the FSL radiation pulse. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последующие проходы зоны формирования структуры ВБР осуществляют с энергией импульсов излучения ФСЛ, измененной относительно энергии импульсов излучения ФСЛ первоначального трека.5. The method according to claim 1, characterized in that subsequent passes of the FBG structure formation zone are carried out with the energy of the FSL radiation pulses changed relative to the energy of the FSL radiation pulses of the initial track. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число циклов составляет N=2-10.6. The method according to p. 1, characterized in that the number of cycles is N=2-10. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перемещение волокна с заданным профилем скорости и поточечное воздействие на волокно сфокусированным излучением ФСЛ выполняют посредством средств, включающих объектив с приводом вертикального перемещения, 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.7. The method according to p. 1, characterized in that the movement of the fiber with a given velocity profile and the point-by-point effect on the fiber with focused FSL radiation is performed by means, including a lens with a vertical movement drive, a one-, two- or three-axis fiber micro-displacement drive associated with the ability to control and exchange information about movement and coordinates with the synchronization and control unit, the control outputs of which are connected to the control inputs of the FSL and the frequency generator, the output of which is connected to the input of the acousto-optic modulator installed at the output of the FSL.

Images