Návrh a optimalizace technologie zápisu optických vláknových difrakčních struktur pomocí femtosekundového laseru

Abstract

Práce je věnována návrhu a optimalizaci nezbytných částí technologie pro zápis difrakčních struktur pomocí femtosekundového laseru. V úvodní části práce je detailně popsán teoretický základ pro pochopení hlavních principů s pojených s Braggovými vlnovodnými a optovláknovými difrakčními strukturami. Za použití teorie vázaných módů jsou diskutovány veličiny ovlivňující charakter a kvalitu Braggova odrazu. Dále je provedena rešerše představující různé druhy reálných optovláknových Braggových mřížek a technologie jejich výroby. Obzvláště je diskutována technologie ''point by point'' pro zápis Braggovy mřížky a technologie ''plane by plane'' pro zvýšení homogenity struktur zapsaných pomocí femtosekundového laseru. Podstatná část práce je věnována úpravám a optimalizacím vedoucím ke zvýšení opakovatelnosti a kvality zapsaných struktur. Na základě analýz a simulací jsou provedeny úpravy a optimalizace jednotlivých komponent, a dále je ověřena jejich funkčnost. Nedílnou součástí je také optimalizace optiky, optimalizaci algoritmů, justáž a seřízení jednotlivých optických komponent v celém systému. Především díky realizaci podsvitu umožňujícího řízení hloubky ostrosti při zobrazení optického vlákna a díky úpravě algoritmů sloužících pro automatizované nalezení středu optického vlákna je dosaženo bezchybné opakovatelnosti a vysoké přesnosti nalezení středu optického vlákna, což pomohlo zvýšit celkovou opakovatelnost zápisu. Díky optimalizaci zapisovací sestavy využívající dvojice cylindrických čoček pro kompenzaci cylindrické vady optického vlákna a díky úpravě svazku pomocí štěrbiny jsme schopni dosáhnout výrazného zlepšení kvality zapsaných struktur, a také dostačující kvality zápisu mřížek nižších řádů, počínaje 3. řádem. Součástí práce jsou také experimenty dokládající funkčnost jednotlivých úprav a použitých technologií, včetně ověření časové opakovatelnosti zápisu. Dále jsou diskutovány možné návrhy pro další zlepšení opakovatelnosti zápisu pomocí kompenzace posunu ohnisek vlivem proměnlivé tloušťky optického vlákna.

The thesis focuses on the design and optimization of essential components for the technology of diffraction structures inscription using a femtosecond laser. The introductory part provides a detailed theoretical foundation for understanding the core principles associated with Bragg waveguide and fiber-optic diffraction structures. Using the coupled-mode theory, factors affecting the characteristics and quality of Bragg reflection are discussed. Furthermore, the thesis includes a review presenting various types of real-world fiber-optic Bragg gratings and the technologies used in their fabrication. Special attention is given to the "point-by-point" technology for Bragg gratings inscription and the "plane-by-plane" technology for enhancing the homogeneity of structures written with a femtosecond laser. A main part of the work is devoted to adjustments and optimizations aimed at improving the repeatability and quality of the recorded structures. Based on analyses and simulations, individual components are modified and optimized, and their functionality is verified. A key aspect of the thesis is also the optimization of optics, algorithms, alignment, and calibration of individual optical components within the entire system. Notably, by implementing a backlighting system that enables depth-of-field control during the visualization of the optical fiber and refining algorithms for automated fiber core centering, high repeatability and high precision in finding the fiber core were achieved, significantly improving the overall repeatability of the writing process. Thanks to the optimization of the writing setup utilizing a pair of cylindrical lenses to compensate for the cylindrical aberration of the optical fiber and beam shaping using a slit, substantial improvements in the quality of the inscribed structures were achieved. This optimization also ensured sufficient quality in the lower-order gratings inscription, starting from the 3rd order. The thesis includes experiments demonstrating the functionality of individual modifications and technologies used, along with the verification of temporal repeatability in the writing process. The thesis also discusses proposals for improving writing repeatability by compensating for focal shifts caused by variations in optical fiber thickness.