飞秒激光制备光纤Bragg光栅在光纤激光器中的应用
发布时间：2021-01-25 01:03
光纤激光器在光纤通信、激光加工等领域具有广泛的应用。光纤Bragg光栅（FBG）是构成全光纤激光器的关键器件。FBG飞秒激光制备技术适用于各种材料的光纤,具有加工工艺简单、可制备耐高温FBG等优点,在光纤激光器中已取得广泛应用。基于此,介绍了FBG飞秒激光制备技术的方法、特点及其在光纤激光器应用中的优势,展示了FBG飞秒激光制备技术在不同波长范围和类型的光纤激光器中的应用研究进展,最后对未来适用于光纤激光器的FBG飞秒激光刻写技术的发展方向进行展望。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
基于FBG的耐高温光纤激光器及输出激光特性。（a1)DBR光纤激光器结构图；（a2）激光输出波长与温度的关系，插图为不同温度下输出光谱；（a3）不同温度下输出功率的稳定性[56];(b）基于光纤光栅和Sagnac环路的光纤激光器在不同温度下的光谱，插图为加热和冷却过程中激光强度随温度的变化[59]
图8 基于FBG的耐高温光纤激光器及输出激光特性。（a1)DBR光纤激光器结构图；（a2）激光输出波长与温度的关系，插图为不同温度下输出光谱；（a3）不同温度下输出功率的稳定性[56];(b）基于光纤光栅和Sagnac环路的光纤激光器在不同温度下的光谱，插图为加热和冷却过程中激光强度随温度的变化[59]3.2 中红外波段光纤激光器
利用相位掩模板法刻写光纤光栅的加工装置如图1(a）所示[20]。飞秒激光经柱透镜聚焦后入射到相位掩模板上，在掩模板后产生零级以及对称分布的±1级等各级衍射光。刻写光纤光栅所使用的相位掩模板是一种具有一维周期性矩形凹槽的衍射光学元件，一般利用光刻蚀技术在石英玻璃上制备而成。相位掩模板设计时，零级衍射被尽量抑制，衍射效率一般小于6%，±1级衍射效率最高，约为40%[21]。刻写光栅时，光纤放置在掩模板后±1级衍射光的干涉区，±1级衍射光由于双光束干涉形成周期性条纹，从而在光纤内诱导出周期性折射率变化。由于极少的零级和其他高级衍射光仍然会对±1级的双光束干涉强度分布产生影响，因此光纤需要离掩模板有一定的距离。此时，±1级衍射光和零级以及其他各级衍射光由于走离效应（walkoff effect）在时间上分开，形成单纯的±1级干涉，从而避免产生塔尔博特（Talbot）效应，如图1(b）所示。利用相位掩模板法制备的FBG周期ΛG通常为相位掩模板周期ΛP的一半。在刻写Type II FBG时，光纤离掩模板距离相对Type I型要近一些，刻意使零级光参与±1级光的干涉以提高干涉光的强度。加拿大通信研究中心的Mihailov等[22]首先使用飞秒激光相位掩模板法在掺锗的SM-28单模光纤中刻写了波长为1550nm的FBG。目前相位掩模法主要包括静态相位掩模板法和扫描相位掩模板法两类。静态相位掩模板法在刻写FBG时激光、相位掩模板和光纤均保持不动。由于飞秒激光诱导微结构宽度小于纤芯，故该方法无法全部覆盖纤芯。Thomas等[23]提出了扫描相位掩模板法，即在加工时飞秒激光垂直于光纤轴横向扫描，使FBG结构完全覆盖纤芯区域。该方法不仅解决了大模场光纤等纤芯直径大的光纤中刻写FBG的问题，可以通过扫描使光栅覆盖到包层，还可以抑制包层模的响应[17]。此外，由于该方法可以灵活调控FBG在纤芯中的位置和方向，Wang等[24]还发展了一种基于倾斜扫描法制备倾斜布拉格光栅（TFBG）的新技术，所制备的TFBG波长不随倾斜角度的改变而改变。Pham等[25]基于该方法提出平行结构的TFBG，拓展了TFBG的包层模共振光谱范围。Voigtl?nder等[26]通过采用空间光调制器（SLM）对飞秒激光进行波前整形，使用均匀周期的相位掩模板制备了啁啾FBG。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全光纤激光振荡器输出功率突破6 kW[J]. 杨保来,王小林,叶云,曾令筏,张汉伟,奚小明,史尘,王鹏,韩凯,王泽锋,周朴,许晓军,陈金宝. 中国激光. 2020(01)
[2]Ultrashort Bessel beam photoinscription of Bragg grating waveguides and their application as temperature sensors[J]. GUODONG ZHANG,GUANGHUA CHENG,MANOJ K.BHUYAN,CIRO D’AMICO,YISHAN WANG,RAZVAN STOIAN. Photonics Research. 2019(07)
[3]飞秒激光制备异质光纤光栅的温度应变双参数传感器[J]. 曹后俊,司金海,陈涛,王瑞泽,高博,闫理贺,侯洵. 中国激光. 2018(07)
[4]准分布式光纤布拉格光栅高温传感器[J]. 杜勇,司金海,陈涛,李思佳,崔巍,李存霞,侯洵. 激光与光电子学进展. 2016(10)
[5]基于光纤光栅技术的全光纤单纵模激光器研究进展[J]. 许鸥. 激光与光电子学进展. 2015(03)
[6]相位掩模法红外飞秒激光刻写光纤光栅技术[J]. 宋成伟,杨立军,王扬,赵杰,鞠有伦. 红外与激光工程. 2011(07)
[7]飞秒激光空间选择性诱导玻璃微结构及应用[J]. 邱建荣,钱国栋,Kazuyuki Hirao. 材料研究学报. 2003(01)
博士论文
[1]耐高温光纤光栅的飞秒激光制备及其应用研究[D]. 陈超.吉林大学 2014
本文编号：2998246
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
基于FBG的耐高温光纤激光器及输出激光特性。（a1)DBR光纤激光器结构图；（a2）激光输出波长与温度的关系，插图为不同温度下输出光谱；（a3）不同温度下输出功率的稳定性[56];(b）基于光纤光栅和Sagnac环路的光纤激光器在不同温度下的光谱，插图为加热和冷却过程中激光强度随温度的变化[59]
图8 基于FBG的耐高温光纤激光器及输出激光特性。（a1)DBR光纤激光器结构图；（a2）激光输出波长与温度的关系，插图为不同温度下输出光谱；（a3）不同温度下输出功率的稳定性[56];(b）基于光纤光栅和Sagnac环路的光纤激光器在不同温度下的光谱，插图为加热和冷却过程中激光强度随温度的变化[59]3.2 中红外波段光纤激光器
利用相位掩模板法刻写光纤光栅的加工装置如图1(a）所示[20]。飞秒激光经柱透镜聚焦后入射到相位掩模板上，在掩模板后产生零级以及对称分布的±1级等各级衍射光。刻写光纤光栅所使用的相位掩模板是一种具有一维周期性矩形凹槽的衍射光学元件，一般利用光刻蚀技术在石英玻璃上制备而成。相位掩模板设计时，零级衍射被尽量抑制，衍射效率一般小于6%，±1级衍射效率最高，约为40%[21]。刻写光栅时，光纤放置在掩模板后±1级衍射光的干涉区，±1级衍射光由于双光束干涉形成周期性条纹，从而在光纤内诱导出周期性折射率变化。由于极少的零级和其他高级衍射光仍然会对±1级的双光束干涉强度分布产生影响，因此光纤需要离掩模板有一定的距离。此时，±1级衍射光和零级以及其他各级衍射光由于走离效应（walkoff effect）在时间上分开，形成单纯的±1级干涉，从而避免产生塔尔博特（Talbot）效应，如图1(b）所示。利用相位掩模板法制备的FBG周期ΛG通常为相位掩模板周期ΛP的一半。在刻写Type II FBG时，光纤离掩模板距离相对Type I型要近一些，刻意使零级光参与±1级光的干涉以提高干涉光的强度。加拿大通信研究中心的Mihailov等[22]首先使用飞秒激光相位掩模板法在掺锗的SM-28单模光纤中刻写了波长为1550nm的FBG。目前相位掩模法主要包括静态相位掩模板法和扫描相位掩模板法两类。静态相位掩模板法在刻写FBG时激光、相位掩模板和光纤均保持不动。由于飞秒激光诱导微结构宽度小于纤芯，故该方法无法全部覆盖纤芯。Thomas等[23]提出了扫描相位掩模板法，即在加工时飞秒激光垂直于光纤轴横向扫描，使FBG结构完全覆盖纤芯区域。该方法不仅解决了大模场光纤等纤芯直径大的光纤中刻写FBG的问题，可以通过扫描使光栅覆盖到包层，还可以抑制包层模的响应[17]。此外，由于该方法可以灵活调控FBG在纤芯中的位置和方向，Wang等[24]还发展了一种基于倾斜扫描法制备倾斜布拉格光栅（TFBG）的新技术，所制备的TFBG波长不随倾斜角度的改变而改变。Pham等[25]基于该方法提出平行结构的TFBG，拓展了TFBG的包层模共振光谱范围。Voigtl?nder等[26]通过采用空间光调制器（SLM）对飞秒激光进行波前整形，使用均匀周期的相位掩模板制备了啁啾FBG。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全光纤激光振荡器输出功率突破6 kW[J]. 杨保来,王小林,叶云,曾令筏,张汉伟,奚小明,史尘,王鹏,韩凯,王泽锋,周朴,许晓军,陈金宝. 中国激光. 2020(01)
[2]Ultrashort Bessel beam photoinscription of Bragg grating waveguides and their application as temperature sensors[J]. GUODONG ZHANG,GUANGHUA CHENG,MANOJ K.BHUYAN,CIRO D’AMICO,YISHAN WANG,RAZVAN STOIAN. Photonics Research. 2019(07)
[3]飞秒激光制备异质光纤光栅的温度应变双参数传感器[J]. 曹后俊,司金海,陈涛,王瑞泽,高博,闫理贺,侯洵. 中国激光. 2018(07)
[4]准分布式光纤布拉格光栅高温传感器[J]. 杜勇,司金海,陈涛,李思佳,崔巍,李存霞,侯洵. 激光与光电子学进展. 2016(10)
[5]基于光纤光栅技术的全光纤单纵模激光器研究进展[J]. 许鸥. 激光与光电子学进展. 2015(03)
[6]相位掩模法红外飞秒激光刻写光纤光栅技术[J]. 宋成伟,杨立军,王扬,赵杰,鞠有伦. 红外与激光工程. 2011(07)
[7]飞秒激光空间选择性诱导玻璃微结构及应用[J]. 邱建荣,钱国栋,Kazuyuki Hirao. 材料研究学报. 2003(01)
博士论文
[1]耐高温光纤光栅的飞秒激光制备及其应用研究[D]. 陈超.吉林大学 2014
本文编号：2998246
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