本發明涉及飛秒激光光刻光纖光柵結構，屬于光纖傳感器。

背景技術：

1、光纖傳感技術憑借其體積小、精度高、抗電磁干擾能力強、環境適應性優異等特點，在高溫、高壓等極端環境下的溫度、壓力和應變等參數測量領域展現出顯著優勢。其中，基于布拉格反射原理的光纖光柵傳感器因其靈敏度高、易于實現多點測量、信號解調相對簡便等優勢而備受關注。通過精確檢測光纖光柵反射譜中心波長的漂移，即可實現物理量的高精度傳感。

2、傳統光纖光柵刻寫技術主要包括駐波法、橫向全息干涉法和相位掩模法等。然而，這些方法在光刻靈活性、刻寫精度、傳感器溫度耐受性以及材料普適性等方面存在一定局限性。為突破這些限制，飛秒激光光刻技術被引入光纖光柵制備領域。該技術不僅能夠實現納米級精度的光柵刻寫，獲得高質量的光柵結構，還可以靈活調控光柵周期、長度、折射率調制深度等參數，實現復雜結構光柵的制備。此外，飛秒激光光刻技術適用于多種材料，包括玻璃、晶體、聚合物等，突破了傳統方法對光敏材料的依賴。更重要的是，飛秒激光與材料作用時間極短，熱影響區小，可有效避免熱效應帶來的材料損傷，提高傳感器的溫度耐受性。

3、根據加工方式的不同，飛秒激光刻柵技術主要包括飛秒激光相位掩模板法、飛秒激光全息干涉法和飛秒激光直寫法。其中飛秒激光相位掩模板法利用相位掩模產生干涉條紋，在光纖內部形成周期性折射率調制。該方法具有工藝簡單、重復性好、成品率高等優點。但其光柵周期受限于相位掩模板，需根據光纖折射率和目標波長定制掩模板，光柵位置難以靈活控制，掩模板成本高，難以刻寫復雜結構光柵。飛秒激光全息干涉法利用兩束相干飛秒激光的干涉條紋在光纖中形成周期性折射率調制。該方法無需剝除光纖涂覆層，光柵機械強度高，通過調整激光角度可靈活調控光柵周期。但飛秒激光脈寬極窄，兩束光的空間匹配難度大，對設備重復性和精度要求極高，且刻寫效率較低下。

4、飛秒激光直寫法利用聚焦的飛秒激光束在光纖內部誘導材料改性，形成光柵結構。根據寫入路徑的不同，可分為逐點、逐線和逐面刻寫技術。逐點刻寫采用高數值孔徑顯微鏡聚焦飛秒激光，通過點對點掃描靈活刻寫光柵結構。該方法靈活性高，但刻寫效率較低。逐線刻寫將飛秒激光沿光纖軸向垂直方向掃描，形成貫穿纖芯的光柵結構。該方法在一定程度上提高了刻寫效率，但靈活性受限。逐面刻寫在光纖截面上進行二維掃描，一定程度上改善了了逐點和逐線刻寫中光纖纖芯對準的難題。然而，該方法需要在光纖內部進行二維掃描，靈活性差，柵區均勻性控制難度較大。

5、綜上分析，現有光纖光柵刻寫方法還存在一些不足，主要包括：

6、1、光柵長度受限：需借助高精度三維位移臺輔助，僅能實現有限長度的光柵刻寫；

7、2、刻寫均勻性難以保證：飛秒激光與光纖之間的非線性相互作用，容易導致刻寫深度和形狀的不均勻，影響光柵性能；

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種基于逐環飛秒激光光刻的環形光纖光柵高效處理方法，包括以下步驟：

2、1)將光纖裝配在飛秒激光光刻系統的光纖夾送系統上。

3、所述處理系統包括飛秒激光器、凹面反射鏡、球面反射鏡、光纖夾送系統、平面反射鏡、和拋物面反射鏡。

4、所述凹面反射鏡具有中心孔i；

5、飛秒激光器輸出的光束穿過中心孔i后，經過球面反射鏡反射，然后傳輸至凹面反射鏡，被凹面反射鏡的反射面i反射后形成環形飛秒激光束；

6、光束被凹面反射鏡反射成環形的光束后，向前到達平面反射鏡；

7、所述平面反射鏡傾斜設置，其中心具有供環形光纖穿過的中心孔ii。環形的光束被平面反射鏡反射到上方的拋物面反射鏡。所述拋物面反射鏡的中心具有供環形光纖穿過的中心孔iii。

8、所述光纖夾送系統用于拉伸光纖，包括位于拋物面反射鏡上方的上夾具和平面反射鏡下方的下夾具。光纖被夾持在上夾具和下夾具之間，并穿過中心孔ii和中心孔iii。

9、經過拋物面反射鏡反射的環形飛秒激光束聚焦在平面反射鏡和拋物面反射鏡之間的光纖內部。

10、2)啟動光纖夾送系統，將光纖向一端拉伸。

11、在拉伸過程中，飛秒激光器向外輸出飛秒激光束。

12、飛秒激光束由處理系統轉換為環形飛秒激光束，然后聚焦在位于平面反射鏡和拋物面反射鏡之間的光纖內部，從而對光纖內部進行光刻處理，形成環形光纖光柵。所述環形光纖光柵至少包括由外至內的未被光刻的光纖外圍區域、環形光纖光柵區域、未被光刻的內部纖芯；

13、環形光纖光柵的周期由光纖夾送系統的拉伸速度和飛秒激光的重復頻率之間的定量關系決定。

14、進一步，光纖夾送系統的拉伸速度和飛秒激光的重復頻率之間的定量關系如下所示：

15、

16、式中，c為環形光纖光柵的周期；v為光纖夾送系統的拉伸速度；f為飛秒激光的重復頻率。

17、進一步，環形光纖光柵的長度由光刻時間和拉伸速度共同確定。

18、進一步，環形光柵的光柵厚度由光刻系統中球面反射鏡和凹面反射鏡之間的距離控制。

19、進一步，所述飛秒激光光刻系統還包括水平位移控制系統。

20、球面反射鏡安裝在水平位移控制系統上的滑塊上。

21、通過控制滑塊調整球面反射鏡與凹面反射鏡之間的距離，進而調控經凹面反射鏡反射后的環形飛秒激光束的直徑和寬度。

22、進一步，環形光柵單元寬度由飛秒激光的聚焦光斑尺寸決定。

23、進一步，所述飛秒激光光刻系統還包括整型擴束系統。

24、所述整型擴束系統設置在飛秒激光器前方，用于調控飛秒激光器輸出的飛秒激光束發散角，進而實現環形飛秒激光束尺寸的調控。

25、進一步，所述飛秒激光光刻系統還包括平板狀的鏡架。所述球面反射鏡安裝在鏡架的中心。

26、所述鏡架具有環形的光學窗口。所述凹面反射鏡反射的環形的光束經過光學窗口后，傳輸至平面反射鏡。

27、進一步，步驟2)中，光刻處理完成后，還對環形光纖光柵進行高溫退火。

28、進一步，飛秒激光束由處理系統轉換為環形飛秒激光束的過程為：

29、飛秒激光器輸出的光束穿過中心孔i后，經過球面反射鏡反射，然后傳輸至凹面反射鏡，被凹面反射鏡的反射面i反射后形成環形飛秒激光束；

30、光束被凹面反射鏡反射成環形的光束后，向前到達平面反射鏡；

31、環形飛秒激光束傳輸至平面反射鏡后，被平面反射鏡反射到上方的拋物面反射鏡；

32、拋物面反射鏡對環形飛秒激光束進行反射，使環形飛秒激光束聚焦在位于平面反射鏡和拋物面反射鏡之間的光纖內部。

33、進一步，所述光纖包括單晶光纖、石英光纖。

34、當光纖為單晶光纖時，所述環形光纖光柵包括由外至內的未被光刻的光纖外圍區域、光纖包層區域、環形光纖光柵區域、未被光刻的內部纖芯；光纖包層區域、環形光纖光柵區域通過光刻得到。

35、當光纖為石英光纖時，所述未被光刻的光纖外圍區域為光纖包層。

36、值得注意的是，采用飛秒激光器替代激光加熱基座生長系統中的co2激光器，并利用整形擴束系統和球面反射鏡位置調節實現環形光斑直徑和寬度的精確控制。該環形光斑經光路系統聚焦至光纖內部，與特定區域相互作用誘導材料改性。通過優化飛秒激光重復頻率與拉伸系統速度的匹配關系，可實現光纖內高效率、長距離、均勻折射率分布的環形光柵結構制備。

37、本發明的優點包括：

38、1、采用高精度拉伸系統代替傳統技術中的高精度三維位移臺，滿足任意長度光柵的刻寫需求；

39、2、利用能量均勻分布的環形飛秒激光束光刻光柵結構，可提升光纖光柵結構的刻寫效率和折射率分布均勻性。