光纖光柵具有抗電磁干擾、耐腐蝕、可塑性強、體積小、質(zhì)量輕、與光纖系統(tǒng)天然兼容等特點,已被廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光纖激光器等領(lǐng)域,并發(fā)揮了重要作用。目前,常見的光纖光柵制作方法主要有紫外曝光法、CO2激光刻寫和飛秒激光刻寫。飛秒激光刻寫技術(shù)的出現(xiàn)大大簡化了光纖光柵制作流程,由于其成柵機理不同于常見的紫外曝光法,無需對光纖進行載氫處理,非常有利于在超大芯徑光纖上制備高性能光柵。根據(jù)是否使用相位模板,基于飛秒的光柵制備總體分為直寫和相位模板輔助刻寫兩種方式。本文從刻寫方式的角度對國內(nèi)外基于飛秒激光的光纖光柵研制情況進行了全面綜述,詳細總結(jié)分析了各種刻寫方式的特點與光柵的應(yīng)用場合,指出其在分布式光纖傳感、光纖通信波分復(fù)用、多波長激光器、大功率光纖激光器等方面具有潛在的重要應(yīng)用價值和廣泛應(yīng)用前景。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進展. 2020,57(11)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：18 頁

【部分圖文】：

2 不同方法刻寫的CFBG。（a）逐點刻寫；（b）纖芯掃描；（c）改進型纖芯掃描；（d）逐點刻寫CFBG的光譜；（e）纖芯掃描刻寫CFBG的光譜；（f）改進纖芯掃描刻寫CFBG的光譜[37]

早在1999年，Kondo等[15]首次提出了飛秒激光逐點刻寫（PBP）技術(shù)，他們通過波長為800nm、重復(fù)頻率為200kHz、脈寬為120fs的飛秒激光在單模光纖上刻寫了LPG，這一工作，開啟了光纖光柵刻寫的新紀元，光纖光柵的刻寫不再受到相位模板的限制，不同諧振波長的光柵只需要調(diào)整平移臺的位移速度即可實現(xiàn)。2004年，Aston大學(xué)的Martinez等[16]實現(xiàn)了飛秒激光逐點刻寫FBG，他們利用波長為800nm、重復(fù)頻率為1kHz、脈寬為150fs的紅外飛秒激光在非增敏的普通單模光纖上分別刻寫了在C波段實現(xiàn)一階、二階、三階諧振的FBG。目前，國內(nèi)外有許多課題組在逐點刻寫光纖光柵上進行了非常深入的探索，由于刻寫的靈活性，改變刻寫的條件能夠方便的調(diào)控模式耦合。2008年，悉尼大學(xué)的Mattias與澳大利亞Macquarie大學(xué)的Withford課題組合作，從實驗上揭示了利用逐點刻寫的type II型光柵的損耗機理，光柵諧振峰短波處的損耗是由于米氏散射，抑制這一損耗可以通過改變光柵調(diào)制區(qū)域與纖芯的交疊程度來實現(xiàn)[17]。2010年，耶拿大學(xué)的Thomas和澳大利亞Macquarie大學(xué)的Withford課題組合作，從理論和實驗上研究了逐點刻寫的type II型光柵的纖芯模與包層模耦合特性，理論研究表明，在圖1中，紅色的點組成的包絡(luò)為纖芯模與角量子數(shù)為1的電場分量占主導(dǎo)的混合（HE）模的耦合，藍色的點為角量子數(shù)為1的磁場分量占主導(dǎo)的混合（EH）模，綠色的點為角量子數(shù)為2的HE模[18]。2012年，Withford課題組研究了逐點刻寫的FBG散射損耗對整體的反射率的影響，他們從實驗上探究了刻寫FBG的單脈沖能量對耦合系數(shù)κ與散射損耗系數(shù)α的比（κ/α）的影響[19]，這一工作對逐點刻寫的FBG應(yīng)用于光纖激光器中具有重要的意義。在國內(nèi)，以深圳大學(xué)王義平教授課題組為代表，對飛秒逐點刻寫有非常深入的研究。2016年，該課題組利用波長為800nm、脈寬為100fs、重復(fù)頻率為1kHz的飛秒激光逐點刻寫了采樣光纖布拉格光柵（SFBG），為了有效地抑制纖芯基模和包層模的耦合，單脈沖能量為200 nJ，實驗結(jié)果表明，該SFBG在1000℃高溫退火8h后，除了溫度帶來的光柵諧振波長漂移，其光譜形狀沒有發(fā)生任何改變，該光柵具有很高的溫度穩(wěn)定性[20]。2019年，該課題組創(chuàng)新性地在同一根光纖的纖芯內(nèi)，采用逐點刻寫的方法平行地寫制了多個FBG，實驗示意圖如圖2(a）所示。激光器輸出波長為800nm、脈寬100fs、重復(fù)頻率為1kHz的激光，通過平移臺的移動以及旋轉(zhuǎn)，依次將光柵寫在纖芯不同的位置，圖2(b）所示為不同周期的光柵寫在纖芯不同的位置所得到的反射譜，在實驗中，不同的周期的光柵不會相互影響，由于光柵所處的位置不同，各光柵對彎曲的響應(yīng)也有所差別。圖2(c）為相同周期的光柵寫在不同位置的光譜，隨著不同光柵的刻寫，透射譜的深度增加，且短波的損耗也逐漸增大[21]。當(dāng)利用直寫法刻寫FBG時，透射譜的短波處存在明顯的損耗，其產(chǎn)生原因是飛秒激光刻寫帶來的纖芯折射率變化區(qū)域的米氏散射，為了抑制這一損耗，該課題組在不同芯徑的單模光纖中利用飛秒逐點刻寫了透射深度基本相同的光柵，發(fā)現(xiàn)芯徑越小，短波處的損耗也越低，這是由于在芯徑小的光纖內(nèi)部飛秒激光刻寫帶來的折射率變化與纖芯區(qū)域有較大的交疊，因此米氏散射較小。此外，作者還在纖芯直徑為4.4μm的光纖上依次間隔2mm刻寫了10個不同周期的光柵，實驗發(fā)現(xiàn)由于米氏散射存在，光從光纖的不同端口入射，得到的光譜也是不同的[22]。

在國內(nèi)，以深圳大學(xué)王義平教授課題組為代表，對飛秒逐點刻寫有非常深入的研究。2016年，該課題組利用波長為800nm、脈寬為100fs、重復(fù)頻率為1kHz的飛秒激光逐點刻寫了采樣光纖布拉格光柵（SFBG），為了有效地抑制纖芯基模和包層模的耦合，單脈沖能量為200 nJ，實驗結(jié)果表明，該SFBG在1000℃高溫退火8h后，除了溫度帶來的光柵諧振波長漂移，其光譜形狀沒有發(fā)生任何改變，該光柵具有很高的溫度穩(wěn)定性[20]。2019年，該課題組創(chuàng)新性地在同一根光纖的纖芯內(nèi)，采用逐點刻寫的方法平行地寫制了多個FBG，實驗示意圖如圖2(a）所示。激光器輸出波長為800nm、脈寬100fs、重復(fù)頻率為1kHz的激光，通過平移臺的移動以及旋轉(zhuǎn)，依次將光柵寫在纖芯不同的位置，圖2(b）所示為不同周期的光柵寫在纖芯不同的位置所得到的反射譜，在實驗中，不同的周期的光柵不會相互影響，由于光柵所處的位置不同，各光柵對彎曲的響應(yīng)也有所差別。圖2(c）為相同周期的光柵寫在不同位置的光譜，隨著不同光柵的刻寫，透射譜的深度增加，且短波的損耗也逐漸增大[21]。當(dāng)利用直寫法刻寫FBG時，透射譜的短波處存在明顯的損耗，其產(chǎn)生原因是飛秒激光刻寫帶來的纖芯折射率變化區(qū)域的米氏散射，為了抑制這一損耗，該課題組在不同芯徑的單模光纖中利用飛秒逐點刻寫了透射深度基本相同的光柵，發(fā)現(xiàn)芯徑越小，短波處的損耗也越低，這是由于在芯徑小的光纖內(nèi)部飛秒激光刻寫帶來的折射率變化與纖芯區(qū)域有較大的交疊，因此米氏散射較小。此外，作者還在纖芯直徑為4.4μm的光纖上依次間隔2mm刻寫了10個不同周期的光柵，實驗發(fā)現(xiàn)由于米氏散射存在，光從光纖的不同端口入射，得到的光譜也是不同的[22]。2019年，來自俄羅斯新西伯利亞大學(xué)的Wolf等[23]在受扭轉(zhuǎn)的七芯光纖上用1030nm的飛秒激光刻寫了FBG，如圖3所示，實現(xiàn)了在所有邊側(cè)的纖芯軸向刻寫諧振波長相同或者不同的FBG陣列，在中間的纖芯或某個特定的邊側(cè)的纖芯刻寫軸向FBG陣列，以及在某個橫向端面的中間纖芯和三個邊側(cè)纖芯刻寫FBG陣列，在光柵的刻寫過程中未去除光纖的涂敷層，刻寫出來的光柵陣列可以用于彎曲矢量傳感。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]少模光纖長周期光柵雙峰諧振及雙參量傳感[J]. 郭艷城,劉艷格,王志,姚卓坤.  光學(xué)學(xué)報. 2018(09)
[2]飛秒激光制備光纖布拉格光柵高溫傳感器研究[J]. 廖常銳,何俊,王義平.  光學(xué)學(xué)報. 2018(03)
[3]再生光纖布拉格光柵的研究進展[J]. 薛淵澤,王學(xué)鋒,羅明明,唐才杰,藍天.  激光與光電子學(xué)進展. 2018(02)

博士論文
[1]基于飛秒激光直寫微光學(xué)元件的設(shè)計與制備研究[D]. 田振男.吉林大學(xué) 2017
[2]耐高溫光纖光柵的飛秒激光制備及其應(yīng)用研究[D]. 陳超.吉林大學(xué) 2014
[3]新型長周期光纖光柵特性研究[D]. 王義平.重慶大學(xué) 2003



本文編號：3505766