楔块调整式Talbot干涉仪的光学设计

　　1　引　言

　　由于仅使用一块相位模板,减少了光纤光栅写入系统的复杂性,相位模板法提供了一种可批量生产光纤光栅的有效且稳定的方法。因此,自1993年K. O. Hill首次[1]采用该方法以来,该方法已广泛应用于光纤Bragg光栅的写入[2]。然而,相位模板的周期对应于特定的写入Bragg波长,且昂贵的相位模板难以批量生产,因此人们又致力于研究可改变光纤光栅Bragg波长的方法[3-6]。在楔块调整式Talbot干涉仪[4]中,相位模板不但作为±1级衍射光的分束器,还用于预置Bragg波长的参考值,这是因为相位模板中的±1级衍射光的衍射角是由写入光源的波长决定的,可通过移动楔块来改变光纤光栅写入Bragg波长。本文根据文献[4]提出的楔块调整式Talbot干涉仪,给出了实现该仪器的光学设计。

　　2　楔块调整式Talbot干涉仪的设计原理

　　为了改变光纤光栅的写入Bragg波长,设计了一套楔块调整的Talbot干涉仪[4],其光学设计原理如图1所示。

　　在图1中,从准分子激光器发出的写入光束经相位模板衍射后,在相位模板的近场形成干涉条纹,可用于接触式写入光纤Bragg光栅,其写入周期如下[2]

　　其中,θ/2是±1级衍射角。

　　若在距相位模板l1的位置放置尺寸为Ls×ds的两个平面反射镜,则±1级衍射光束经两平面镜的反射后将在距相位模板l1+ Ls+ l2的位置相成菱形的远场干涉条纹,可用于非接触式写入光纤Bragg光栅,如图1所示,写入周期为[3-4]

　　其中,φ为两干涉光束的交叉半角。

　　同时,图1所示的远场干涉写入法中,可利用的相位模板的长度Lg和写入光栅的最大长度Lf与平面镜的长度和±1级衍射角θ/2有关:

　　从图1所示的光学系统看,尽管光源的空间相干性在光纤光栅的写入过程中起关键作用,但由于无论是经相位模板衍射,还是再经平面镜反射,写入光束的光路是几何对称的,因此紫外写入光源中低的时间相干性并不影响接触式或非接触式写入能力。在该方案中,平面镜的旋转对改变写入Bragg波长的光纤光栅起到了关键性的作用,如图2所示。

　　当平面反射镜的角度改变量为δ时,根据反射原理,反射光束的方向变化Δφ等于2δ,即反射角为θ/2+2δ。因此,替换公式(2)中的φ后,写入周期为[3-4]

　　同时,干涉区的棱脊位移量为[4]

　　3　楔块调整式Talbot干涉仪

　　在图1所示的楔块调整式Talbot干涉仪中,主要的光学元件包括:一个紫外衍射用相位模板和两个紫外反射平面镜,如图3所示。