具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如前述背景技术中所描述的，传统的体衍射光栅和光纤衍射光栅将复色光在空间上分成不同衍射角的单色光后，还需要一个聚焦透镜将各个不同衍射角的单色光进行聚焦，使得系统的体积更加庞大，成本更高。

基于此，本发明希望提供一种新的方案，以解决前述所记载的技术问题，其具体构成将在后续实施例中得以详细阐述。

需要说明的是，本发明提到的倾斜光纤光栅倾角是指倾斜光纤光栅内的若干个倾斜光栅条纹与纤芯方向的夹角；周期是指相邻倾斜光栅条纹之间的距离。

可先参照图1，为本发明一实施例所提供的自聚焦光纤衍射光栅的技术原理框图。该自聚焦光纤衍射光栅包括光纤纤芯1，及包裹在光纤纤芯1外侧的光纤包层2，光纤包层2用于将传输光束缚在光纤纤芯1中传播。

其中，光纤纤芯2中设有倾斜光纤光栅3，该倾斜光纤光栅3可优选设置在光纤纤芯2的中段。倾斜光纤光栅3经周期、倾角或弯曲调制后，用于将光纤纤芯2的传输光以波长相关的衍射角衍射到自聚焦光纤衍射光栅外的自由空间中，使得每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。最终使得同一波长的不同衍射角的出射光在空间上汇聚至一焦点，实现自聚焦功能。并且不同波长的出射光在空间上汇聚在不同的焦点上。

具体地，对倾斜光纤光栅进行周期调制的工艺为：在倾斜光纤光栅3的制作过程中，使均匀倾角的倾斜光纤光栅3每个位置的周期不同，使得每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。对倾斜光纤光栅3进行倾角调制的工艺为：在倾斜光纤光栅的制作过程中，使均匀周期的倾斜光纤光栅3每个位置的倾角不同，使得每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。对倾斜光纤光栅3进行弯曲调制的工艺为：使已经制作完成的均匀周期和倾角的倾斜光纤光栅3每个位置曲率不同，使得每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。

进一步地，本实施例提供的自聚焦光纤衍射光栅还包括保护层6，保护层6包裹在光纤包层1的外侧，该保护层6为与光纤包层1折射率近似的弹性涂料，对光纤包层1和光纤纤芯2起到保护作用。

本实施例提供的自聚焦光纤衍射光栅，通过对其内的倾斜光纤光栅进行周期、倾角或弯曲调制，改变倾斜光纤光栅上不同位置处的倾角或周期，从而改变不同位置处的出射光衍射角，使得每个位置的同一波长的出射光衍射角不同，进而使得同一波长的不同衍射角的出射光在空间上汇聚至一焦点，实现自聚焦功能。相比于传统的体衍射光栅和光纤衍射光栅衍射光栅，无需额外增加一个聚焦透镜，具有体积小、制造成本低的优点。

在一个具体实施例中，可参照图2，为本发明提供的经周期调制后的自聚焦光纤衍射光栅的结构示意图，由图2可知，该自聚焦光纤衍射光栅包括光纤包层1、光纤纤芯2、和倾角均匀但周期不均匀的倾斜光纤光栅3。

其中，光纤包层1包覆在光纤纤芯2的外侧，用于将传输光束缚在光纤纤芯2中传播。倾角均匀但周期不均匀的倾斜光纤光栅3用于将光纤纤芯2的传输光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中，且每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。最终同一波长的不同衍射角的出射光在空间某一处汇聚，实现自聚焦功能。并且不同波长的出射光在空间上最终汇聚的位置不同。

优选地，本实施例中的倾斜光纤光栅3的倾角为0～67°，该范围内出射光具有波长相关的衍射特性。

在一个具体实施例中，可参照图3，为本发明提供的经倾角调制后的自聚焦光纤衍射光栅的结构示意图，由图3可知，该自聚焦光纤衍射光栅包括光纤包层1、光纤纤芯2、和倾角不均匀但周期均匀的倾斜光纤光栅4。

其中，光纤包层1包覆在光纤纤芯2的外侧，用于将传输光束缚在光纤纤芯2中传播。倾角不均匀但周期均匀的倾斜光纤光栅4用于将光纤纤芯2的传输光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中，且每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。最终同一波长的不同衍射角的出射光在空间某一处汇聚，实现自聚焦功能。并且不同波长的出射光在空间上最终汇聚的位置不同。

优选地，本实施例中的倾斜光纤光栅4的出射光中心波长与周期关系为：

λ_c＝2Λn₀cos(δ) (1)

式(1)中，λ_c为出射光中心波长，n₀为纤芯折射率，δ为光栅倾角。

参照图4，为本发明提供的经周期或倾角调制后的自聚焦光纤衍射光栅的焦距计算示意图，经周期或倾角调制后的所述自聚焦光纤衍射光栅的焦距为：

式(2)中，r为光斑到光纤的距离；θ(λ,z)为出射光的衍射角，是波长λ和光栅位置z的函数，可表示：

式(3)中，β(λ)为光纤传播常数，为波长λ的函数，由光纤本征值方程得到；

Kg(z)为倾斜光纤光栅矢量，可表示为：

式(4)中，Λ(z)为不同位置z处的周期，δ(z)为不同位置z处的倾角。

在一个实施例中，参照图5，为本发明提供的经弯曲调制后的自聚焦光纤衍射光栅的结构示意图。该自聚焦光纤衍射光栅包括光纤包层1、光纤纤芯2、和倾角均匀且周期均匀的倾斜光纤光栅5。

其中，光纤包层1包覆在光纤纤芯2的外侧，用于将传输光束缚在光纤纤芯2中传播。倾角均匀且周期均匀的倾斜光纤光栅5用于将光纤纤芯2的传输光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中。

具体地，均匀周期和倾角的倾斜光纤光栅5在空间上进行弯曲，导致每个位置的同一波长的出射光衍射角不同。最终同一波长的不同衍射角的出射光在空间某一处汇聚，实现自聚焦功能。并且不同波长的出射光在空间上最终汇聚的位置不同。

弯曲调制后的自聚焦光纤衍射光栅的焦距与倾斜光纤光栅5的曲率半径相等。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种微型化光谱仪，包括线阵探测器和前述的自聚焦光纤衍射光栅。

为更清楚地说明本发明提供的微型化光谱仪，可参照图6，为本发明提供的一实施例中微型化光谱仪的结构示意图。该微型化光谱仪包括光纤包层1、光纤纤芯2、倾角均匀且周期均匀的倾斜光纤光栅5、和线阵探测器7。

其中，倾角均匀且周期均匀的倾斜光纤光栅5用于将光纤纤芯2的传输光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中，并且同一波长的不同衍射角的出射光在线阵探测器7的某一像素位置处聚焦，不同波长的出射光对应线阵探测器7上不同的像素点。

本实施例提供的微型化光谱仪，采用自聚焦光纤衍射光栅，通过自聚焦光纤衍射光栅将同一波长的不同衍射角的出射光在线阵探测器的某一像素位置处聚焦，省去了传统光谱仪在空间光路上设置的透镜组，具有更小体积、更高集成度以及更低制造成本的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。