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技术文章

在细如发丝的光纤上“起舞”:飞秒激光解锁刻栅新工艺

技术文章

光纤光栅

光纤Bragg光栅(FBG)是在光纤纤芯中引入周期性折射率调制而形成的窄带滤波器件,其周期为几百纳米到几微米。FBG能对特定的波长进行反射,该特定波长满足Bragg谐振条件,与光栅的折射率调制量及周期成正比,被称为Bragg中心波长。FBG是光信息领域的重要器件,在光纤通信(滤波器、色散补偿器)、光纤传感(温度、应变、压力、振动传感器)和光纤激光器(反射腔镜、分布反馈腔、脉冲展宽/压缩器)中得到了广泛应用。

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光纤Bragg光栅原理示意图▲

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光纤光栅制备技术发展历程

Technology Development History

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第一支FBG于1978年由加拿大通信研究中心的K.O.Hill研制。Hill发现了掺锗石英光纤中的光敏性,并采用驻波法制备出FBG作为氩离子激光器的反射镜。驻波法制备光栅的中心波长与光源的波长相等,不能灵活选择需要的反射波长,此外激光直接诱导的纤芯折射率变化量较小,需要制备几十厘米甚至米量级的光栅提高反射率,影响了FBG的实用化。经过十多年的发展,到1993年,人们逐步开发了全息干涉法、相位掩模法和直写法进行光栅刻写,实现了灵活的波长选择,几乎能制备任意中心波长的FBG;同时也发展了纤芯重掺锗和高压载氢等紫外增敏技术,提高了栅区的折射率变化量,使FBG的反射率灵活可控,为光纤光栅的大规模制备和应用奠定了坚实的基础。


另外,随着超快激光器的进步,人们获得了具有超高峰值功率的材料加工利器——飞秒激光器,并很快被应用到了光纤光栅的制备中。


1999年,日本科学家第一次将飞秒激光器用于长周期光纤光栅的刻写,开启了飞秒刻栅的大门。经过数年的发展,到2004年,飞秒直写法和飞秒相位掩模法制备光纤光栅技术逐步完善,并受到越来越多科研院所的关注。近年来,随着飞秒激光器和飞秒刻栅技术的进一步成熟,飞秒刻栅也开始步入实用化开发和应用阶段。

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(左)飞秒激光相位掩模法,(右)飞秒激光直写法 ▲


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飞秒刻栅和紫外刻栅对比

Comparative Advantages

两者最大的区别是形成栅区折射率变化的机制完全不同。


紫外刻栅采用的光源是纳秒脉冲的准分子或固体激光器,光纤需要经过载氢或重掺杂形成色心能级以提高紫外光敏性,纤芯被紫外光照后会发生线性吸收,引起折射率变化,被称为光折变效应。紫外光折变形成的栅区结构在超过300℃的高温下并不稳定,会逐渐被漂白失去效果。


飞秒刻栅一般采用近红外的飞秒激光器,光纤也不需要特殊处理。虽然单个红外光子能量比紫外光子能量低得多,无法在光纤内诱发线性吸收过程,但飞秒脉冲具有超高的峰值功率,经过透镜聚焦后能量密度进一步提升,很容易在光纤内引起非线性吸收,即同时吸收多个光子发生能级跃迁,形成折射率变化。当入射脉冲能量较低时,非线性吸收使材料局部迅速熔化并凝固产生折射率改变,由此形成的光栅并不具备高温稳定性,被称为Type I型光栅;当脉冲能量较高,超过材料损伤阈值后,能产生等离子爆炸形成长久性的折射率改变,使光栅结构具备长期的高温稳定性,被称为Type II型光栅,其能承受的温度上限可达到光纤的软化温度,对于石英光纤约1000℃,对于蓝宝石光纤为2050℃。

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飞秒激光诱导透明介质折射率变化机制▲


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Type I型和Type II型飞秒光栅透射谱及显微结构图


相对于紫外光栅,飞秒光栅具备如下优势:

光栅结构更稳定,耐高温、耐辐射,适用于特殊环境应用

制备工艺更简单,光纤不需要敏化处理,也不用去除涂覆层,飞秒激光可直接透过丙烯酸酯或聚酰亚胺涂层刻写,成栅后的机械强度高、可靠性好

光纤类型更多样,除了普通石英光纤,飞秒激光还可在纯石英光纤、蓝宝石光纤、微结构光纤、聚合物光纤、中红外光纤等特种光纤中刻写光栅




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飞秒刻栅研究进展

Femtosecond Fiber Grating

目前,国外的飞秒刻栅技术较为成熟并实现了商业化量产,如加拿大的TeraXion公司,其生产的飞秒光栅已应用于高功率光纤激光器中,德国的FBGS公司和FemtoFiberTec公司,可为特殊环境光纤传感提供飞秒光栅产品。国内的飞秒刻栅应用以高校研究为主,相关的科研单位包括吉林大学、深圳大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京信息科技大学大学、西安交通大学等等。


对于常用的两种飞秒刻栅手段,即飞秒直写法和飞秒相位掩模法,虽然前者对加工平台的稳定性和精度要求更高,但其具有更好的灵活性,特别是借助于飞秒激光的三维加工特性,可实现复杂结构及新型光栅的刻写。通过位移台的精密移动,能在光纤的任意位置刻写任意周期和任意结构的光栅,如并行集成FBG、多芯集成FBG、取样FBG、啁啾FBG、螺旋FBG等。新结构新材料光纤光栅的制备是目前的研究热点,也为飞秒刻栅开辟了新的应用方向。

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并行集成飞秒FBG


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取样飞秒FBG


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啁啾飞秒FBG


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螺旋蓝宝石飞秒FBG▲




飞秒刻栅

解决方案

针对飞秒刻栅新的需求,凌云光公司结合自身在光信息领域多年的积累和对产品的认识,可为客户提供定制化的飞秒刻栅解决方案。

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点击查看大图▲


方案特点:

  • 支持直写法与相位掩模法刻栅

  • 任意周期任意结构光栅刻写

  • 高温稳定光栅制备

  • 涂覆层免剥除刻栅

  • 蓝宝石光纤、微结构光纤、中红外光纤等特种光纤刻栅

  • 激光功率与偏振控制

  • 自动纤芯对焦,加速制备过程

系统参数:

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加工效果展示:

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逐点刻写FBG显微镜图

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逐线刻写FBG显微镜图

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飞秒FBG的反射光谱图


本方案主要由飞秒激光器、高精度位移台、振镜系统、光路系统、成像系统以及加工软件等组成,并能根据客户要求灵活选配,同时具备扩展和升级的能力以适应新的需求。欢迎感兴趣的朋友联系我们~


参考文献

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[4] 陈超. 耐高温光纤光栅的飞秒激光制备及其应用研究[D]. 长春: 吉林大学电子科学与工程学院,2014

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[6] He J, Xu B, Xu X, Liao C, Wang Y. Review of femtosecond-laser-inscribed fiber Bragg gratings: fabrication technologies and sensing applications[J]. Photonic Sensors, 2021, 11(2): 203–226

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