CN108051887B - 基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统及方法。本发明采用一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板，二者挡板的中心分别开设有为共轭函数的开孔，并采用一次曝光光学遮蔽板控制器控制一次曝光光学遮蔽板沿垂直于氢载光纤的运动速度，以控制不同区域的曝光时间，完成一次曝光；二次曝光光学补偿板控制器控制二次曝光光学补偿板的运动速度，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿；本发明成本低廉；采用光学挡板做遮蔽板，系统结构简单，精度可控；采用数字化控制光学遮蔽板运动，易于调节、控制灵活、重复性好、效率高、易于工业化生产；本发明给出了明确的运动函数，可以实现任意切趾光栅的制作。

Description

基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感制备技术，具体涉及一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统及其制备方法。

背景技术

光纤光栅(FBG)是折射率沿光纤轴向程周期变化的一类光纤器件，可以通过特殊的折射率结构设计制作出独特的滤波和色散特性，在光纤传感、激光技术、波分复用等领域具有广泛的应用价值。光栅反射谱的半波线宽(FWHM)、边模抑制比(SMSR)以及边模滚降特性(SLSR)决定了系统波长的复用度以及测试精度。通过在光纤光栅制作过程中采用适当的切趾技术可以使光栅反射谱的旁瓣得到抑制并改善反射谱的形状或色散性质。常见的切趾函数有线性切趾函数、余弦切趾函数、升余弦切趾函数、高斯切趾函数、超高斯切趾函数、塔尔切趾函数等，不同的切趾函数制作出的切趾光栅特性均有所差别。

目前，已经有切趾相位掩模板法、利用紫外脉冲相干写入切趾光栅、扫描电镜法、逐点写入法、二次曝光法、特殊遮蔽板制作法等多种方法被应用于切趾光栅的实验研制。但切趾相位掩模法需要对相位模版进行精确的设计和制备，在不同的场合需要定制不同的相位掩模板，成本较高；采用紫外脉冲相干写入法对紫外光源相干性要求很高，并不能严格控制切趾函数形状，重复性不好；反射镜扫描法虽然能够控制切趾函数的形状，但在光栅写入过程中需要改变光路，稳定性较差；逐点写入法制作比较耗时，对光纤的精确运动控制要求很高，需要将光斑聚焦到光栅周期内，在技术上也比较难控制。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统及其制备方法，针对普遍使用的均匀相位掩模板，设计一组动态光学遮蔽板以及运动函数，基于此种光学遮蔽板的光栅曝光系统可以实现切趾光栅的可控制备，控制精度能够达到为1μm，光栅长度可以任意选择。本系统具有系统结构简单、改进成本低廉、易于调节、控制灵活、重复性好、效率高、易于工业化生产等优点。

本发明的一个目的在于提出一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统。

本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统包括：紫外准分子激光器、一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜、均匀相位掩模板、二次曝光光学补偿板以及二次曝光光学补偿板控制器；其中，紫外准分子激光器发射出的紫外光沿x轴方向，去除涂敷层的待制备切趾光栅的氢载光纤沿z轴放置；一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜和均匀相位掩模板构成一次曝光单元，一次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，一次曝光光学遮蔽板电学连接至一次曝光光学遮蔽板控制器，平凸柱面镜和均匀相位掩模板沿x轴依次设置在一次曝光光学遮蔽板前；二次曝光光学补偿板、二次曝光光学补偿板控制器和平凸柱面镜构成二次补偿单元，二次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，二次曝光光学补偿板电学连接至二次曝光光学补偿板控制器，平凸柱镜沿x轴设置在二次曝光光学补偿板前；一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板上的挡板中心开设有开孔，二者所在的平面为yz平面，二次曝光光学补偿板上的开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数；一次曝光光学遮蔽板控制器控制一次曝光光学遮蔽板沿y轴运动，二次曝光光学补偿板控制器控制二次曝光光学补偿板沿y轴运动；紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，使得折射率分布按切趾函数变化，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；紫外准分子激光器激射出的紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿，从而得到切趾光栅。

切趾光栅二次曝光制作系统包括两种曝光方式：分布补偿方式和同时补偿方式。

在分布补偿方式中，在紫外准分子激光器与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、二次曝光光学补偿板、平凸柱面镜和均匀相位掩模板；移去二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；移去一次曝光光学遮蔽板和均匀相位掩模板，设置二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器激射出的紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

在同时补偿方式中，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，由分光器分成两束，在第一束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、第一平凸柱面镜和均匀相位掩模板，在第二束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置二次曝光光学补偿板和第二平凸柱面镜；第一束紫外光经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过第一平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；同时，第二束紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

一次曝光后的氢载光纤的折射率不均匀，再经过二次曝光补偿使得氢载光纤为直流折射率。

本发明采用一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板，通过曝光时间来控制光栅的折射率分布按切趾函数变化。一次曝光光学遮蔽板的挡板中心的开孔为中心对称结构，开孔的形状为顶角为θ的等腰三角形，等腰三角形的高沿y轴，通过一次曝光光学遮蔽板控制器按照运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移l(t)来控制氢载光纤的紫外光曝光长度z(t)，通过一次曝光光学遮蔽板控制器按照运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动速度控制氢载光纤不同区域的曝光时间，随着一次曝光光学遮蔽板沿垂直于氢载光纤的运动，从光通量最小处移动到光通量最大处，氢载光纤上的曝光长度逐渐增加，且正比于一次曝光光学遮蔽板的相对位移θ越小控制精度越高。

不同的切趾函数A(z)对应不同的折射率增加量的分布曲线n(z)，折射率增加量n(z)正比于曝光时间T(z)，n(z)＝MT(z)，M为单位时间内紫外光曝光导致折射率增加量。将长度为2Z_gratting的氢载光纤均匀分成N小段，每一小段的长度为Δz＝Z_gratting/N，第i小段内的折射率总增加量为Δn_i，紫外光曝光总时间为ΔT_i，视第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板为匀速运动v_i为：

v_i＝Δz/ΔT_i＝Δz/(MΔn_i) (1)

其中，v_i为第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板的运动速度，i＝1,……,N；那么光栅任意位置的总的折射率增加量为该位置之后曝光时间的总和，其中Δt(z)为该位置在第k小段内开始曝光的时间：

若设定了第一小段对应的运动速度v₁，那么其他小段对应的运动速度可以根据切趾函数A(z)唯一确定：

其中，ΔA₁为第1小段切趾函数总变化量，ΔA_i为第i小段切趾函数总变化量。

二次曝光光学补偿板的挡板中心开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数，同样沿垂直于氢载光纤的方向运动，通过控制补偿板的运动位移l(t)来控制二次曝光补偿的长度z_comp(t)。二次曝光补偿的原理是将氢载光纤的曝光时间补齐，一次曝光时中心点处曝光时间T_max最长，其他点处为了使光栅直流折射率为一条直线，需要将曝光时间补偿至T_max，则折射率补偿量n_comp(z)为：

沿与一次曝光光学遮蔽板相同方向运动，由氢载光纤的边缘开始进行折射率补偿，若一次曝光光学遮蔽板的运动速度依次为v₁,v₂,...,v_N，那么二次曝光光学补偿板的运动速度依次为v_N,v_N-1,...,v₁。

本发明的另一个目的在于提供一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光的制作方法。

本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光的制作方法，包括以下步骤：

1)光纤预处理，得到待制备光栅的氢载光纤；

2)光路设置：

一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜和均匀相位掩模板构成一次曝光单元，一次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，一次曝光光学遮蔽板电学连接至一次曝光光学遮蔽板控制器，平凸柱面镜和均匀相位掩模板沿x轴依次设置在一次曝光光学遮蔽板前；二次曝光光学补偿板、二次曝光光学补偿板控制器和平凸柱面镜构成二次补偿单元，二次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，二次曝光光学补偿板电学连接至二次曝光光学补偿板控制器，平凸柱镜沿x轴设置在二次曝光光学补偿板前；

3)根据待制备切趾光栅的折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

4)一次曝光：

紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，一次曝光光学遮蔽板沿y轴从光通量最小处移动至光通量最大处，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，使得折射率分布按切趾函数变化，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；

5)二次曝光补偿：

紫外准分子激光器激射出的紫外光，经过二次曝光光学补偿板进行整形，二次曝光光学补偿板沿y轴从光通量最大处移动到光通量最小处，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

其中，在步骤1)中，光纤预处理包括以下步骤：

i.光纤载氢：

将光纤置于常温高压下的氢气环境中数天用以提高光纤的光敏性；

ii.光纤去涂敷层：

在待刻写光栅的氢载光纤部分进行去涂敷操作。

在步骤2)中，根据待制备切趾光栅的折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数，具体包括以下步骤：

i.根据折射率增加量的分布曲线n(z)确定相对应的切趾函数A(z)，折射率增加量n(z)正比于曝光时间T(z)，n(z)＝MT(z)，M为单位时间内紫外光曝光导致折射率增加量；

ii.将长度为2Z_gratting的氢载光纤均匀分成N小段，每一小段的长度为Δz＝Z_gratting/N；

iii.第i小段内的折射率总增加量为Δn_i，紫外光曝光总时间为ΔT_i，第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板为匀速运动：

v_i＝Δz/ΔT_i＝Δz/(MΔn_i)

其中，v_i为第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板的运动速度，i＝1,……,N；那么光栅任意位置的总的折射率增加量为该位置之后曝光时间的总和，其中Δt(z)为该位置在第k小段内开始曝光的时间：

iv.根据第一小段对应的运动速度v₁，并根据切趾函数A(z)，其他小段对应的运动速度唯一确定：

其中，ΔA₁为第1小段切趾函数总变化量，ΔA_i为第i小段切趾函数总变化量，得到一次曝光光学遮蔽板的运动函数；

v.二次曝光光学补偿板的挡板中心开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数，同样沿垂直于氢载光纤的方向运动，通过二次曝光光学补偿板的运动位移l(t)来控制二次曝光补偿的长度z_comp(t)，二次曝光补偿的原理是将氢载光纤的曝光时间补齐，一次曝光时中心点处曝光时间T_max最长，其他点处为了使光栅的直流折射率为一条直线，需要将曝光时间补偿至T_max，则折射率补偿量n_comp(z)为：

vi.沿与一次曝光光学遮蔽板相同方向运动，由氢载光纤的边缘开始进行折射率补偿，若一次曝光光学遮蔽板的运动速度为v₁,v₂,...,v_N，那么二次曝光补偿板的运动速度为v_N,v_N-1,...,v₁，得到二次曝光光学补偿板的补偿运动函数。

本发明的一次曝光和二次曝光补偿，包括两种曝光方式：分布补偿方式和同时补偿方式。

分布补偿方式：

a)光路设置：在紫外准分子激光器与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、二次曝光光学补偿板、平凸柱面镜和均匀相位掩模板；

b)根据折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

c)一次曝光：

移去二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，一次曝光光学遮蔽板沿y轴从光通量最小处移动至光通量最大处，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；

d)重复步骤b)～c)，记录重复次数和对应的运动速度，直至达到理想的透射率，完成一次曝光；

e)二次曝光补偿：

移去一次曝光光学遮蔽板和均匀相位掩模板，设置二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器激射出的紫外光，经过二次曝光光学补偿板进行整形，二次曝光光学补偿板沿y轴从光通量最大处移动到光通量最小处，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

同时补偿方式：

a)光路设置：紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，由分光器分成两束，在第一束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、第一平凸柱面镜和均匀相位掩模板，在第二束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置二次曝光光学补偿板和第二平凸柱面镜；

b)根据折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

c)第一束紫外光经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过第一平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光，同时，第二束紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿；

d)重复步骤b)～c)，记录重复次数和对应的运动速度，直至达到理想的透射率，制备得到切趾光栅。

本发明的优点：

本发明采用一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板，二者挡板的中心分别开设有为共轭函数的开孔，并采用一次曝光光学遮蔽板控制器控制一次曝光光学遮蔽板沿垂直于氢载光纤的运动速度，以控制不同区域的曝光时间，完成一次曝光；二次曝光光学补偿板控制器控制二次曝光光学补偿板的运动速度，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿；本发明对传统均匀相位掩模板的均匀光纤光栅制作系统进行改造，改进成本低廉；采用激光刻蚀的光学挡板做遮蔽板，系统结构简单，精度可控；采用数字化控制光学遮蔽板运动，易于调节、控制灵活、重复性好、效率高、易于工业化生产；本发明给出了明确的运动函数，可以实现任意切趾光栅的制作。

附图说明

图1为本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的示意图；

图2为本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的一个实施例的一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板的示意图，其中，(a)为一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板的示意图，(b)为二次曝光光学补偿板的示意图；

图3为本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的一种切趾折射率分布曲线示意图；

图4为本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的实施例一的示意图；

图5为本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的实施例二的示意图；

图6为根据本发明的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光方法得到的不同切趾函数的切趾光栅的反射谱特性，其中，(a)一次曝光后的切趾光栅的反射谱，(b)二次曝光后的切趾光栅的反射谱。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统包括：紫外准分子激光器1、一次曝光光学遮蔽板21、一次曝光光学遮蔽板控制器22、平凸柱面镜30、均匀相位掩模板24、二次曝光光学补偿板31以及二次曝光光学补偿板控制器32；其中，紫外准分子激光器1发射出的紫外光沿x轴方向，去除涂敷层的待制备光栅的氢载光纤4沿y轴放置；一次曝光光学遮蔽板21、一次曝光光学遮蔽板控制器22、平凸柱面镜30和均匀相位掩模板24构成一次曝光单元，一次曝光单元设置在紫外准分子激光器1与氢载光纤之间的光路上，一次曝光光学遮蔽板21电学连接至一次曝光光学遮蔽板控制器22，平凸柱面镜30和均匀相位掩模板24沿x轴依次设置在一次曝光光学遮蔽板21前；二次曝光光学补偿板31、二次曝光光学补偿板控制器32和平凸柱面镜30构成二次补偿单元，二次曝光单元设置在紫外准分子激光器1与氢载光纤之间的光路上，二次曝光光学补偿板31电学连接至二次曝光光学补偿板控制器32，平凸柱镜沿x轴设置在二次曝光光学补偿板31前；一次曝光光学遮蔽板21和二次曝光光学补偿板31上的挡板中心开设有开孔，二者所在的平面为yz平面，二次曝光光学补偿板31上的开孔为一次曝光光学遮蔽板21的共轭函数；一次曝光光学遮蔽板控制器22控制一次曝光光学遮蔽板21沿y轴运动的速度，二次曝光光学补偿板控制器32控制二次曝光光学补偿板31以相反的速度沿y轴运动。

一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板，如图2所示，通过曝光时间来控制光栅折射率分布按切趾函数变化。一次曝光光学遮蔽板的挡板中心的开孔为中心对称结构，开孔的形状为角度为θ的等腰三角形，等腰三角形的高沿y轴，通过一次曝光光学遮蔽板控制器控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移l(t)来控制氢载光纤的紫外光曝光长度z(t)，通过控制一次曝光光学遮蔽板的运动速度控制氢载光纤不同区域的曝光时间，随着一次曝光光学遮蔽板沿垂直于氢载光纤的运动，氢载光纤上的曝光长度逐渐增加，且正比于一次曝光光学遮蔽板的相对位移θ越小控制精度越高。

图2(a)给出了一种一次曝光光学遮蔽板的设计尺寸，总长165mm，宽40mm，中心孔长L＝135mm，θ＝6°，切趾光栅最大曝光长度为Z＝14mm，如果一次曝光光学遮蔽板控制器为精度为10μm的步进电机，那么该挡板的控制精度为0.5μm，约为一个掩模板周期。如图2(b)所示，二次曝光光学补偿板的挡板中心的开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数

图3为一种切趾折射率分布曲线示意图，不同的切趾函数A(z)对应不同的折射率增加量的分布曲线n(z)，折射率增加量n(z)正比于曝光时间T(z)，n(z)＝MT(z)，M为单位时间内紫外光曝光导致折射率增加量。将长度为2Z_gratting的氢载光纤均匀分成N小段，每一小段的长度为Δz＝Z_gratting/N，第i小段内的折射率总增加量为Δn_i，紫外光曝光总时间为ΔT_i，一次曝光光学遮蔽板为匀速运动：

v_i＝Δz/ΔT_i＝Δz/(MΔn_i)

其中，v_i为第i小段对应的运动速度，i＝1,……,N；那么光栅任意位置的总的折射率增加量为该位置之后曝光时间的总和，其中Δt(z)为该位置在第k小段内开始曝光的时间：

若设定了第一小段对应的运动速度v₁，那么其他小段对应的运动速度可以根据切趾函数A(z)唯一确定：

其中，ΔA₁为第1小段切趾函数总变化量，ΔA_i为第i小段切趾函数总变化量。

二次曝光光学补偿板的挡板中心开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数，同样沿垂直于氢载光纤的方向运动，通过控制补偿板的运动位移l(t)来控制二次曝光补偿的长度z_comp(t)。二次曝光补偿的原理是将氢载光纤的曝光时间补齐，一次曝光时中心点处曝光时间T_max最长，其他点处为了使光栅的直流折射率为一条直线，需要将曝光时间补偿至T_max，则折射率补偿量n_comp(z)为：

沿与一次曝光光学遮蔽板相同方向运动，由氢载光纤的边缘开始进行折射率补偿，若一次曝光光学遮蔽板的运动速度为v₁,v₂,...,v_N，那么补偿板的运动速度为v_N,v_N-1,...,v₁。

实施例一

本实施例采用分布补偿方式，如图4所示，在紫外准分子激光器1与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板21、二次曝光光学补偿板31、平凸柱面镜30、均匀相位掩模板24和均匀相位掩模板控制器52；紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，一次曝光光学遮蔽板沿y轴从光通量最小处移动至光通量最大处，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤4上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；移去一次曝光光学遮蔽板和均匀相位掩模板，紫外准分子激光器激射出的紫外光，经过二次曝光光学补偿板进行整形，二次曝光光学补偿板沿y轴从光通量最大处移动到光通量最小处，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。均匀相位掩模板控制器52控制均匀相位掩模板24的位移。

本实施例的分布补偿方式的切趾光栅二次曝光的制作方法，包括以下步骤：

1)将一次曝光光学遮蔽板21移动至紫外通光量最小处，将二次曝光光学补偿板31移动至通光量最大处，将均匀相位掩模板24移至光路中，调节三者中心轴对齐，将氢载光纤4去涂敷层并固定，待刻写光栅区尽量靠近均匀相位掩模板；

2)设定紫外准分子激光器1的输出脉冲频率、脉冲能量功率，设定一次曝光光学遮蔽板21初速度v₁，根据公式(3)和切趾函数设定对应的一次曝光光学遮蔽板21的不同小段的运动速度v₂,v₃...,v_N，即一次曝光光学遮蔽板的运动函数；

3)紫外准分子激光器1开始激射出的紫外光，一次曝光光学遮蔽板21按切趾函数确定的v₁,v₂,...,v_N垂直于氢载光纤4运动，二次曝光光学补偿板31静止。监测切趾光栅的透射谱，如果没有达到理想的透射率，适当调节初速度v₁，重复步骤2)和3)，记录重复次数和对应的运动速度，直至达到理想的透射率，完成一次曝光；

4)将一次曝光光学遮蔽板21移动至紫外通光量大处，将二次曝光光学补偿板31移动至通光量最小处，通过相位掩模板控制器52将均匀相位掩模板24移出光路；

5)紫外准分子激光器1按一次曝光时的参数开始激射出的紫外光，一次曝光光学遮蔽板21静止，二次曝光光学补偿板31根据一次曝光记录的循环次数和初始速度，按v_N,v_N-1,...,v₁，即二次曝光光学补偿板的运动函数，垂直于氢载光纤4运动，直至补偿结束，完成切趾光栅制作。

实施例二

本实施例采用同时补偿方式，如图5所示，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，由分光器7分成两束，在第一束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板21、第一平凸柱面镜23和均匀相位掩模板24，在第二束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置二次曝光光学补偿板31和第二平凸柱面镜33；第一束紫外光经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过第一平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；同时，第二束紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。通过第一至第三反射镜61～63改变光路方向。

本实施例的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光的制作方法，包括以下步骤：

1)将一次曝光光学遮蔽板21移动至紫外通光量最小处，将二次曝光光学补偿板31移动至通光量最小处，将氢载光纤4去涂敷层并固定，待刻写光栅区尽量靠近均匀相位掩模板24，调节各器件至中心轴对齐；

2)设定紫外准分子激光器1的输出脉冲频率、脉冲能量功率，设定一次曝光光学遮蔽板21初速度v₁，根据公式(3)和切趾函数设定一次曝光光学遮蔽板21的不同分段的运动速度v₂,v₃...,v_N；

3)紫外准分子激光器1开始激射出的紫外光，一次曝光光学遮蔽板21按切趾函数确定的v₁,v₂,...,v_N速度垂直于氢载光纤4运动；同时，二次曝光光学补偿板31按v_N,v_N-1,...,v₁的速度垂直于氢载光纤4运动；

4)完成一周期运动后，监测切趾光栅的透射谱，如果没有达到理想的透射率，适当调节初速度v₁，重复步骤2)和3)，直至达到理想的透射率，完成切趾光栅制作。

实施例一和实施例二原理相同，都是基于动态光学遮蔽板切趾光栅二次曝光制作系统。实施例一的光路简单，可以在光栅刻写过程中实时监控，但是刻写周期长；实施例二为推荐系统方案，光路一但确定不用改动，重复性和稳定性好，刻写周期短，容易实现工业化生产。

综上所述，本发明针对均匀相位掩模板的普通光栅刻写系统，设计了动态光学遮蔽板切趾光栅二次曝光制作系统，给出了遮蔽板的控制原理和运动函数，能够实现控制精度为0.5μm的任意切趾光栅刻写，光栅长度在紫外光源长度内可以任意选择。该系统改进成本低廉、系统结构简单、精度可控、易于调节、控制灵活、重复性好、效率高、易于工业化生产，也可以刻写任意长度的普通光纤光栅。

本发明可以定制任意切趾函数的切趾光栅，不同的切趾光栅在半波线宽(FWHM)、边模抑制比(SMSR)和边模滚降特性(SLSR)具有各自的特点。本实用新型给出了表格1中的四种切趾函数：均匀光栅函数(Uniform)，线性切趾函数(Line)，高斯切趾函数(Gaussian)，塔尔切趾函数(Nuttall)。其中，L为光栅长度，a为切趾幅度，b为高斯系数。图6给出了表格1对应的几种切趾函数在反射率为90％时对应的一次曝光和二次补偿后的反射谱理论分析图。由图6(a)可以看出，一次切趾函数导致左边模抑制比在高透射率情况下急剧恶化，而且基本与切趾函数无关；右边模抑制比基本与切趾函数特性有关，切趾特性好的切趾函数右边摸抑制程度高。图6(b)为不同切趾光栅透射率为10dB完全补偿后的反射谱，其中，线性切趾函数切趾效果最低，但基本上能够保证有10dB以上的系统提升，高斯函数切趾效果适中，Nuttall切趾函数是迄今发现的最好的切趾函数，边模抑制比理论上能达到90dB以上。同时，随着切趾深度增加，半波线宽逐渐增加。

表一

表1切趾光栅函数

本发明可以定制以上四种光栅，但是并不限于这四种光栅，应该还包括余弦切趾函数、升余弦切趾函数、超高斯切趾函数等其他任何能改善光栅旁瓣特性的切趾光栅。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统，其特征在于，所述切趾光栅二次曝光制作系统包括：紫外准分子激光器、一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜、均匀相位掩模板、二次曝光光学补偿板以及二次曝光光学补偿板控制器；其中，所述紫外准分子激光器发射出的紫外光沿x轴方向，去除涂敷层的待制备切趾光栅的氢载光纤沿z轴放置；所述一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜和均匀相位掩模板构成一次曝光单元，所述一次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，所述一次曝光光学遮蔽板电学连接至一次曝光光学遮蔽板控制器，所述平凸柱面镜和均匀相位掩模板沿x轴依次设置在一次曝光光学遮蔽板前；所述二次曝光光学补偿板、二次曝光光学补偿板控制器和平凸柱面镜构成二次补偿单元，所述二次补偿单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，所述二次曝光光学补偿板电学连接至二次曝光光学补偿板控制器，所述平凸柱面镜沿x轴设置在二次曝光光学补偿板前；所述一次曝光光学遮蔽板和二次曝光光学补偿板上的挡板中心开设有开孔，二者所在的平面为yz平面，所述二次曝光光学补偿板上的开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数；一次曝光光学遮蔽板控制器控制一次曝光光学遮蔽板沿y轴运动，二次曝光光学补偿板控制器控制二次曝光光学补偿板沿y轴运动；紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，使得折射率分布按切趾函数变化，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；紫外准分子激光器激射出的紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿，从而得到切趾光栅；所述一次曝光光学遮蔽板的挡板中心的开孔为中心对称结构，开孔的形状为顶角为θ的等腰三角形，所述等腰三角形的高沿y轴；所述切趾光栅二次曝光制作系统包括两种曝光方式：分布补偿方式和同时补偿方式。

2.如权利要求1所述的切趾光栅二次曝光制作系统，其特征在于，所述在分布补偿方式中，在紫外准分子激光器与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、二次曝光光学补偿板、平凸柱面镜和均匀相位掩模板；移去二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；移去一次曝光光学遮蔽板和均匀相位掩模板，设置二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器激射出的紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

3.如权利要求1所述的切趾光栅二次曝光制作系统，其特征在于，所述在同时补偿方式中，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，由分光器分成两束，在第一束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、第一平凸柱面镜和均匀相位掩模板，在第二束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置二次曝光光学补偿板和第二平凸柱面镜；第一束紫外光经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过第一平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；同时，第二束紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

4.一种如权利要求1所述的基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

1)光纤预处理，得到待制备光栅的氢载光纤；

2)光路设置：

一次曝光光学遮蔽板、一次曝光光学遮蔽板控制器、平凸柱面镜和均匀相位掩模板构成一次曝光单元，一次曝光单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，一次曝光光学遮蔽板电学连接至一次曝光光学遮蔽板控制器，平凸柱面镜和均匀相位掩模板沿x轴依次设置在一次曝光光学遮蔽板前；二次曝光光学补偿板、二次曝光光学补偿板控制器和平凸柱面镜构成二次补偿单元，二次补偿单元设置在紫外准分子激光器与氢载光纤之间的光路上，二次补偿光学补偿板电学连接至二次曝光光学补偿板控制器，平凸柱面镜沿x轴设置在二次曝光光学补偿板前；

3)根据待制备切趾光栅的折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

4)一次曝光：

紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，一次曝光光学遮蔽板沿y轴从光通量最小处移动至光通量最大处，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，使得折射率分布按切趾函数变化，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；

5)二次曝光补偿：

紫外准分子激光器激射出的紫外光，经过二次曝光光学补偿板进行整形，二次曝光光学补偿板沿y轴从光通量最大处移动到光通量最小处，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在步骤1)中，光纤预处理包括以下步骤：

i.光纤载氢：

将光纤置于常温高压下的氢气环境中数天用以提高光纤的光敏性；

ii.光纤去涂敷层：

在待刻写光栅的氢载光纤部分进行去涂敷操作。

6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在步骤2)中，根据待制备切趾光栅的折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数，具体包括以下步骤：

i.根据折射率增加量的分布曲线n(z)确定相对应的切趾函数A(z)，折射率增加量n(z)正比于曝光时间T(z)，n(z)＝MT(z)，M为单位时间内紫外光曝光导致折射率增加量；

ii.将长度为2Z_gratting的氢载光纤均匀分成N小段，每一小段的长度为Δz＝Z_gratting/N；

iii.第i小段内的折射率总增加量为Δn_i，紫外光曝光总时间为ΔT_i，第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板为匀速运动v_i为：

v_i＝Δz/ΔT_i＝Δz/(MΔn_i)

其中，v_i为第i小段对应的一次曝光光学遮蔽板的运动速度，i＝1,…,k,…,N；那么光栅任意位置的总的折射率增加量为该位置之后曝光时间的总和，其中Δt(z)为该位置在第k小段内开始曝光的时间：

iv.根据第一小段对应的运动速度v₁，并根据切趾函数A(z)，其他小段对应的运动速度唯一确定：

其中，ΔA₁为第1小段切趾函数总变化量，ΔA_i为第i小段切趾函数总变化量，得到一次曝光光学遮蔽板的运动函数；

v.二次曝光光学补偿板的挡板中心开孔为一次曝光光学遮蔽板的共轭函数，同样沿垂直于氢载光纤的方向运动，通过二次曝光光学补偿板的运动位移l(t)来控制二次曝光补偿的长度z_comp(t)，二次曝光补偿的原理是将氢载光纤的曝光时间补齐，一次曝光时中心点处曝光时间T_max最长，其他点处为了使光栅的直流折射率为一条直线，需要将曝光时间补偿至T_max，则折射率补偿量n_comp(z)为：

vi.沿与一次曝光光学遮蔽板相同方向运动，由氢载光纤的边缘开始进行折射率补偿，若一次曝光光学遮蔽板的运动速度为v₁,v₂,...,v_N，那么二次曝光补偿板的运动速度为v_N,v_N-1,...,v₁，得到二次曝光光学补偿板的补偿运动函数。

7.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，曝光方式采用分布补偿方式包括以下步骤：

a)光路设置：在紫外准分子激光器与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、二次曝光光学补偿板、平凸柱面镜和均匀相位掩模板；

b)根据折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

c)一次曝光：

移去二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，一次曝光光学遮蔽板沿y轴从光通量最小处移动至光通量最大处，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光；

d)重复步骤b)～c)，记录重复次数和对应的运动速度，直至达到理想的透射率，完成一次曝光；

e)二次曝光补偿：

移去一次曝光光学遮蔽板和均匀相位掩模板，设置二次曝光光学补偿板，紫外准分子激光器激射出的紫外光，经过二次曝光光学补偿板进行整形，二次曝光光学补偿板沿y轴从光通量最大处移动到光通量最小处，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿。

8.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，曝光方式采用同时补偿方式包括以下步骤：

a)光路设置：紫外准分子激光器发射出沿x轴方向的紫外光，由分光器分成两束，在第一束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置一次曝光光学遮蔽板、第一平凸柱面镜和均匀相位掩模板，在第二束紫外光与待制备的氢载光纤的光路之间，沿着x轴依次放置二次曝光光学补偿板和第二平凸柱面镜；

b)根据折射率增加量的分布曲线确定切趾函数，按照切趾函数确定一次曝光光学遮蔽板的运动函数以及二次曝光光学补偿板的运动补偿函数；

c)第一束紫外光经过一次曝光光学遮蔽板进行整形，通过一次曝光光学遮蔽板控制器根据运动函数控制一次曝光光学遮蔽板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光的曝光长度和曝光时间，经过第一平凸柱面镜进行压缩，再经过均匀相位掩模板形成周期性变化的衍射图样，曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成一次曝光，同时，第二束紫外光经过二次曝光光学补偿板进行整形，通过二次曝光光学补偿板控制器根据补偿运动函数控制二次曝光光学补偿板的运动位移和运动速度，从而控制氢载光纤上不同区域的紫外光补偿长度和补偿时间，经过平凸柱面镜进行压缩后直接曝光到去涂敷层的氢载光纤上，完成二次曝光补偿，以实现对切趾光栅的直流折射率补偿；

d)重复步骤b)～c)，记录重复次数和对应的运动速度，直至达到理想的透射率，制备得到切趾光栅。