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光纖光柵
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光纖Bragg光柵（FBG）是在光纖纖芯中引入周期性折射率調制而形成的窄帶濾波器件，其周期為幾百納米到幾微米。FBG能對特定的波長(cháng)進(jìn)行反射，該特定波長(cháng)滿(mǎn)足Bragg諧振條件，與光柵的折射率調制量及周期成正比，被稱(chēng)為Bragg中心波長(cháng)。FBG是光信息領(lǐng)域的重要器件，在光纖通信（濾波器、色散補償器）、光纖傳感（溫度、應變、壓力、振動(dòng)傳感器）和光纖激光器（反射腔鏡、分布反饋腔、脈沖展寬/壓縮器）中得到了廣泛應用。
光纖Bragg光柵原理示意圖▲
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光纖光柵制備技術(shù)發(fā)展歷程
Technology Development History
支FBG于1978年由加拿大通信研究中心的K.O.Hill研制。Hill發(fā)現了摻鍺石英光纖中的光敏性，并采用駐波法制備出FBG作為氬離子激光器的反射鏡。駐波法制備光柵的中心波長(cháng)與光源的波長(cháng)相等，不能靈活選擇需要的反射波長(cháng)，此外激光直接誘導的纖芯折射率變化量較小，需要制備幾十厘米甚至米量級的光柵提高反射率，影響了FBG的實(shí)用化。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，到1993年，人們逐步開(kāi)發(fā)了全息干涉法、相位掩模法和直寫(xiě)法進(jìn)行光柵刻寫(xiě)，實(shí)現了靈活的波長(cháng)選擇，幾乎能制備任意中心波長(cháng)的FBG；同時(shí)也發(fā)展了纖芯重摻鍺和高壓載氫等紫外增敏技術(shù)，提高了柵區的折射率變化量，使FBG的反射率靈活可控，為光纖光柵的大規模制備和應用奠定了堅實(shí)的基礎。
另外，隨著(zhù)超快激光器的進(jìn)步，人們獲得了具有超高峰值功率的材料加工利器——飛秒激光器，并很快被應用到了光纖光柵的制備中。
1999年，日本科學(xué)家次將飛秒激光器用于長(cháng)周期光纖光柵的刻寫(xiě)，開(kāi)啟了飛秒刻柵的大門(mén)。經(jīng)過(guò)數年的發(fā)展，到2004年，飛秒直寫(xiě)法和飛秒相位掩模法制備光纖光柵技術(shù)逐步完善，并受到越來(lái)越多科研院所的關(guān)注。近年來(lái)，隨著(zhù)飛秒激光器和飛秒刻柵技術(shù)的進(jìn)一步成熟，飛秒刻柵也開(kāi)始步入實(shí)用化開(kāi)發(fā)和應用階段。
(左)飛秒激光相位掩模法，(右)飛秒激光直寫(xiě)法 ▲
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飛秒刻柵和紫外刻柵對比
Comparative Advantages
兩者最大的區別是形成柵區折射率變化的機制*不同。
紫外刻柵采用的光源是納秒脈沖的準分子或固體激光器，光纖需要經(jīng)過(guò)載氫或重摻雜形成色心能級以提高紫外光敏性，纖芯被紫外光照后會(huì )發(fā)生線(xiàn)性吸收，引起折射率變化，被稱(chēng)為光折變效應。紫外光折變形成的柵區結構在超過(guò)300℃的高溫下并不穩定，會(huì )逐漸被漂白失去效果。
飛秒刻柵一般采用近紅外的飛秒激光器，光纖也不需要特殊處理。雖然單個(gè)紅外光子能量比紫外光子能量低得多，無(wú)法在光纖內誘發(fā)線(xiàn)性吸收過(guò)程，但飛秒脈沖具有超高的峰值功率，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后能量密度進(jìn)一步提升，很容易在光纖內引起非線(xiàn)性吸收，即同時(shí)吸收多個(gè)光子發(fā)生能級躍遷，形成折射率變化。當入射脈沖能量較低時(shí)，非線(xiàn)性吸收使材料局部迅速熔化并凝固產(chǎn)生折射率改變，由此形成的光柵并不具備高溫穩定性，被稱(chēng)為T(mén)ype I型光柵；當脈沖能量較高，超過(guò)材料損傷閾值后，能產(chǎn)生等離子爆炸形成長(cháng)久性的折射率改變，使光柵結構具備長(cháng)期的高溫穩定性，被稱(chēng)為T(mén)ype II型光柵，其能承受的溫度上限可達到光纖的軟化溫度，對于石英光纖約1000℃，對于藍寶石光纖為2050℃。
飛秒激光誘導透明介質(zhì)折射率變化機制▲
Type I型和Type II型飛秒光柵透射譜及顯微結構圖▲
相對于紫外光柵，飛秒光柵具備如下優(yōu)勢：
光柵結構更穩定，耐高溫、耐輻射，適用于特殊環(huán)境應用
制備工藝更簡(jiǎn)單，光纖不需要敏化處理，也不用去除涂覆層，飛秒激光可直接透過(guò)丙烯酸酯或聚酰亞胺涂層刻寫(xiě)，成柵后的機械強度高、可靠性好
光纖類(lèi)型更多樣，除了普通石英光纖，飛秒激光還可在純石英光纖、藍寶石光纖、微結構光纖、聚合物光纖、中紅外光纖等特種光纖中刻寫(xiě)光柵
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飛秒刻柵研究進(jìn)展
Femtosecond Fiber Grating
目前，國外的飛秒刻柵技術(shù)較為成熟并實(shí)現了商業(yè)化量產(chǎn)，如加拿大的TeraXion公司，其生產(chǎn)的飛秒光柵已應用于高功率光纖激光器中，德國的FBGS公司和FemtoFiberTec公司，可為特殊環(huán)境光纖傳感提供飛秒光柵產(chǎn)品。國內的飛秒刻柵應用以高校研究為主，相關(guān)的科研單位包括吉林大學(xué)、深圳大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京信息科技大學(xué)大學(xué)、西安交通大學(xué)等等。
對于常用的兩種飛秒刻柵手段，即飛秒直寫(xiě)法和飛秒相位掩模法，雖然前者對加工平臺的穩定性和精度要求更高，但其具有更好的靈活性，特別是借助于飛秒激光的三維加工特性，可實(shí)現復雜結構及新型光柵的刻寫(xiě)。通過(guò)位移臺的精密移動(dòng)，能在光纖的任意位置刻寫(xiě)任意周期和任意結構的光柵，如并行集成FBG、多芯集成FBG、取樣FBG、啁啾FBG、螺旋FBG等。新結構新材料光纖光柵的制備是目前的研究熱點(diǎn)，也為飛秒刻柵開(kāi)辟了新的應用方向。
并行集成飛秒FBG▲
取樣飛秒FBG▲
啁啾飛秒FBG▲
螺旋藍寶石飛秒FBG▲
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飛秒刻柵
解決方案
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針對飛秒刻柵新的需求，凌云光公司結合自身在光信息領(lǐng)域多年的積累和對產(chǎn)品的認識，可為客戶(hù)提供定制化的飛秒刻柵解決方案。
點(diǎn)擊查看大圖▲
方案特點(diǎn)：
支持直寫(xiě)法與相位掩模法刻柵
任意周期任意結構光柵刻寫(xiě)
高溫穩定光柵制備
涂覆層免剝除刻柵
藍寶石光纖、微結構光纖、中紅外光纖等特種光纖刻柵
激光功率與偏振控制
自動(dòng)纖芯對焦，加速制備過(guò)程
系統參數：
加工效果展示：
逐點(diǎn)刻寫(xiě)FBG顯微鏡圖▲
逐線(xiàn)刻寫(xiě)FBG顯微鏡圖▲
飛秒FBG的反射光譜圖▲
本方案主要由飛秒激光器、高精度位移臺、振鏡系統、光路系統、成像系統以及加工軟件等組成，并能根據客戶(hù)要求靈活選配，同時(shí)具備擴展和升級的能力以適應新的需求。歡迎感興趣的朋友聯(lián)系我們~
參考文獻
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