基于飞秒激光刻写光纤光栅的研究进展
发布时间：2021-11-19 20:04
光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可塑性强、体积小、质量轻、与光纤系统天然兼容等特点,已被广泛应用于光纤传感、光纤通信、光纤激光器等领域,并发挥了重要作用。目前,常见的光纤光栅制作方法主要有紫外曝光法、CO2激光刻写和飞秒激光刻写。飞秒激光刻写技术的出现大大简化了光纤光栅制作流程,由于其成栅机理不同于常见的紫外曝光法,无需对光纤进行载氢处理,非常有利于在超大芯径光纤上制备高性能光栅。根据是否使用相位模板,基于飞秒的光栅制备总体分为直写和相位模板辅助刻写两种方式。本文从刻写方式的角度对国内外基于飞秒激光的光纤光栅研制情况进行了全面综述,详细总结分析了各种刻写方式的特点与光栅的应用场合,指出其在分布式光纤传感、光纤通信波分复用、多波长激光器、大功率光纤激光器等方面具有潜在的重要应用价值和广泛应用前景。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
2 不同方法刻写的CFBG。（a）逐点刻写；（b）纤芯扫描；（c）改进型纤芯扫描；（d）逐点刻写CFBG的光谱；（e）纤芯扫描刻写CFBG的光谱；（f）改进纤芯扫描刻写CFBG的光谱[37]
早在1999年，Kondo等[15]首次提出了飞秒激光逐点刻写（PBP）技术，他们通过波长为800nm、重复频率为200kHz、脉宽为120fs的飞秒激光在单模光纤上刻写了LPG，这一工作，开启了光纤光栅刻写的新纪元，光纤光栅的刻写不再受到相位模板的限制，不同谐振波长的光栅只需要调整平移台的位移速度即可实现。2004年，Aston大学的Martinez等[16]实现了飞秒激光逐点刻写FBG，他们利用波长为800nm、重复频率为1kHz、脉宽为150fs的红外飞秒激光在非增敏的普通单模光纤上分别刻写了在C波段实现一阶、二阶、三阶谐振的FBG。目前，国内外有许多课题组在逐点刻写光纤光栅上进行了非常深入的探索，由于刻写的灵活性，改变刻写的条件能够方便的调控模式耦合。2008年，悉尼大学的Mattias与澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作，从实验上揭示了利用逐点刻写的type II型光栅的损耗机理，光栅谐振峰短波处的损耗是由于米氏散射，抑制这一损耗可以通过改变光栅调制区域与纤芯的交叠程度来实现[17]。2010年，耶拿大学的Thomas和澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作，从理论和实验上研究了逐点刻写的type II型光栅的纤芯模与包层模耦合特性，理论研究表明，在图1中，红色的点组成的包络为纤芯模与角量子数为1的电场分量占主导的混合（HE）模的耦合，蓝色的点为角量子数为1的磁场分量占主导的混合（EH）模，绿色的点为角量子数为2的HE模[18]。2012年，Withford课题组研究了逐点刻写的FBG散射损耗对整体的反射率的影响，他们从实验上探究了刻写FBG的单脉冲能量对耦合系数κ与散射损耗系数α的比（κ/α）的影响[19]，这一工作对逐点刻写的FBG应用于光纤激光器中具有重要的意义。在国内，以深圳大学王义平教授课题组为代表，对飞秒逐点刻写有非常深入的研究。2016年，该课题组利用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光逐点刻写了采样光纤布拉格光栅（SFBG），为了有效地抑制纤芯基模和包层模的耦合，单脉冲能量为200 nJ，实验结果表明，该SFBG在1000℃高温退火8h后，除了温度带来的光栅谐振波长漂移，其光谱形状没有发生任何改变，该光栅具有很高的温度稳定性[20]。2019年，该课题组创新性地在同一根光纤的纤芯内，采用逐点刻写的方法平行地写制了多个FBG，实验示意图如图2(a）所示。激光器输出波长为800nm、脉宽100fs、重复频率为1kHz的激光，通过平移台的移动以及旋转，依次将光栅写在纤芯不同的位置，图2(b）所示为不同周期的光栅写在纤芯不同的位置所得到的反射谱，在实验中，不同的周期的光栅不会相互影响，由于光栅所处的位置不同，各光栅对弯曲的响应也有所差别。图2(c）为相同周期的光栅写在不同位置的光谱，随着不同光栅的刻写，透射谱的深度增加，且短波的损耗也逐渐增大[21]。当利用直写法刻写FBG时，透射谱的短波处存在明显的损耗，其产生原因是飞秒激光刻写带来的纤芯折射率变化区域的米氏散射，为了抑制这一损耗，该课题组在不同芯径的单模光纤中利用飞秒逐点刻写了透射深度基本相同的光栅，发现芯径越小，短波处的损耗也越低，这是由于在芯径小的光纤内部飞秒激光刻写带来的折射率变化与纤芯区域有较大的交叠，因此米氏散射较小。此外，作者还在纤芯直径为4.4μm的光纤上依次间隔2mm刻写了10个不同周期的光栅，实验发现由于米氏散射存在，光从光纤的不同端口入射，得到的光谱也是不同的[22]。
在国内，以深圳大学王义平教授课题组为代表，对飞秒逐点刻写有非常深入的研究。2016年，该课题组利用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光逐点刻写了采样光纤布拉格光栅（SFBG），为了有效地抑制纤芯基模和包层模的耦合，单脉冲能量为200 nJ，实验结果表明，该SFBG在1000℃高温退火8h后，除了温度带来的光栅谐振波长漂移，其光谱形状没有发生任何改变，该光栅具有很高的温度稳定性[20]。2019年，该课题组创新性地在同一根光纤的纤芯内，采用逐点刻写的方法平行地写制了多个FBG，实验示意图如图2(a）所示。激光器输出波长为800nm、脉宽100fs、重复频率为1kHz的激光，通过平移台的移动以及旋转，依次将光栅写在纤芯不同的位置，图2(b）所示为不同周期的光栅写在纤芯不同的位置所得到的反射谱，在实验中，不同的周期的光栅不会相互影响，由于光栅所处的位置不同，各光栅对弯曲的响应也有所差别。图2(c）为相同周期的光栅写在不同位置的光谱，随着不同光栅的刻写，透射谱的深度增加，且短波的损耗也逐渐增大[21]。当利用直写法刻写FBG时，透射谱的短波处存在明显的损耗，其产生原因是飞秒激光刻写带来的纤芯折射率变化区域的米氏散射，为了抑制这一损耗，该课题组在不同芯径的单模光纤中利用飞秒逐点刻写了透射深度基本相同的光栅，发现芯径越小，短波处的损耗也越低，这是由于在芯径小的光纤内部飞秒激光刻写带来的折射率变化与纤芯区域有较大的交叠，因此米氏散射较小。此外，作者还在纤芯直径为4.4μm的光纤上依次间隔2mm刻写了10个不同周期的光栅，实验发现由于米氏散射存在，光从光纤的不同端口入射，得到的光谱也是不同的[22]。2019年，来自俄罗斯新西伯利亚大学的Wolf等[23]在受扭转的七芯光纤上用1030nm的飞秒激光刻写了FBG，如图3所示，实现了在所有边侧的纤芯轴向刻写谐振波长相同或者不同的FBG阵列，在中间的纤芯或某个特定的边侧的纤芯刻写轴向FBG阵列，以及在某个横向端面的中间纤芯和三个边侧纤芯刻写FBG阵列，在光栅的刻写过程中未去除光纤的涂敷层，刻写出来的光栅阵列可以用于弯曲矢量传感。
【参考文献】：
期刊论文
[1]少模光纤长周期光栅双峰谐振及双参量传感[J]. 郭艳城,刘艳格,王志,姚卓坤. 光学学报. 2018(09)
[2]飞秒激光制备光纤布拉格光栅高温传感器研究[J]. 廖常锐,何俊,王义平. 光学学报. 2018(03)
[3]再生光纤布拉格光栅的研究进展[J]. 薛渊泽,王学锋,罗明明,唐才杰,蓝天. 激光与光电子学进展. 2018(02)
博士论文
[1]基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究[D]. 田振男.吉林大学 2017
[2]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
[3]新型长周期光纤光栅特性研究[D]. 王义平.重庆大学 2003
本文编号：3505766
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
2 不同方法刻写的CFBG。（a）逐点刻写；（b）纤芯扫描；（c）改进型纤芯扫描；（d）逐点刻写CFBG的光谱；（e）纤芯扫描刻写CFBG的光谱；（f）改进纤芯扫描刻写CFBG的光谱[37]
早在1999年，Kondo等[15]首次提出了飞秒激光逐点刻写（PBP）技术，他们通过波长为800nm、重复频率为200kHz、脉宽为120fs的飞秒激光在单模光纤上刻写了LPG，这一工作，开启了光纤光栅刻写的新纪元，光纤光栅的刻写不再受到相位模板的限制，不同谐振波长的光栅只需要调整平移台的位移速度即可实现。2004年，Aston大学的Martinez等[16]实现了飞秒激光逐点刻写FBG，他们利用波长为800nm、重复频率为1kHz、脉宽为150fs的红外飞秒激光在非增敏的普通单模光纤上分别刻写了在C波段实现一阶、二阶、三阶谐振的FBG。目前，国内外有许多课题组在逐点刻写光纤光栅上进行了非常深入的探索，由于刻写的灵活性，改变刻写的条件能够方便的调控模式耦合。2008年，悉尼大学的Mattias与澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作，从实验上揭示了利用逐点刻写的type II型光栅的损耗机理，光栅谐振峰短波处的损耗是由于米氏散射，抑制这一损耗可以通过改变光栅调制区域与纤芯的交叠程度来实现[17]。2010年，耶拿大学的Thomas和澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作，从理论和实验上研究了逐点刻写的type II型光栅的纤芯模与包层模耦合特性，理论研究表明，在图1中，红色的点组成的包络为纤芯模与角量子数为1的电场分量占主导的混合（HE）模的耦合，蓝色的点为角量子数为1的磁场分量占主导的混合（EH）模，绿色的点为角量子数为2的HE模[18]。2012年，Withford课题组研究了逐点刻写的FBG散射损耗对整体的反射率的影响，他们从实验上探究了刻写FBG的单脉冲能量对耦合系数κ与散射损耗系数α的比（κ/α）的影响[19]，这一工作对逐点刻写的FBG应用于光纤激光器中具有重要的意义。在国内，以深圳大学王义平教授课题组为代表，对飞秒逐点刻写有非常深入的研究。2016年，该课题组利用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光逐点刻写了采样光纤布拉格光栅（SFBG），为了有效地抑制纤芯基模和包层模的耦合，单脉冲能量为200 nJ，实验结果表明，该SFBG在1000℃高温退火8h后，除了温度带来的光栅谐振波长漂移，其光谱形状没有发生任何改变，该光栅具有很高的温度稳定性[20]。2019年，该课题组创新性地在同一根光纤的纤芯内，采用逐点刻写的方法平行地写制了多个FBG，实验示意图如图2(a）所示。激光器输出波长为800nm、脉宽100fs、重复频率为1kHz的激光，通过平移台的移动以及旋转，依次将光栅写在纤芯不同的位置，图2(b）所示为不同周期的光栅写在纤芯不同的位置所得到的反射谱，在实验中，不同的周期的光栅不会相互影响，由于光栅所处的位置不同，各光栅对弯曲的响应也有所差别。图2(c）为相同周期的光栅写在不同位置的光谱，随着不同光栅的刻写，透射谱的深度增加，且短波的损耗也逐渐增大[21]。当利用直写法刻写FBG时，透射谱的短波处存在明显的损耗，其产生原因是飞秒激光刻写带来的纤芯折射率变化区域的米氏散射，为了抑制这一损耗，该课题组在不同芯径的单模光纤中利用飞秒逐点刻写了透射深度基本相同的光栅，发现芯径越小，短波处的损耗也越低，这是由于在芯径小的光纤内部飞秒激光刻写带来的折射率变化与纤芯区域有较大的交叠，因此米氏散射较小。此外，作者还在纤芯直径为4.4μm的光纤上依次间隔2mm刻写了10个不同周期的光栅，实验发现由于米氏散射存在，光从光纤的不同端口入射，得到的光谱也是不同的[22]。
在国内，以深圳大学王义平教授课题组为代表，对飞秒逐点刻写有非常深入的研究。2016年，该课题组利用波长为800nm、脉宽为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光逐点刻写了采样光纤布拉格光栅（SFBG），为了有效地抑制纤芯基模和包层模的耦合，单脉冲能量为200 nJ，实验结果表明，该SFBG在1000℃高温退火8h后，除了温度带来的光栅谐振波长漂移，其光谱形状没有发生任何改变，该光栅具有很高的温度稳定性[20]。2019年，该课题组创新性地在同一根光纤的纤芯内，采用逐点刻写的方法平行地写制了多个FBG，实验示意图如图2(a）所示。激光器输出波长为800nm、脉宽100fs、重复频率为1kHz的激光，通过平移台的移动以及旋转，依次将光栅写在纤芯不同的位置，图2(b）所示为不同周期的光栅写在纤芯不同的位置所得到的反射谱，在实验中，不同的周期的光栅不会相互影响，由于光栅所处的位置不同，各光栅对弯曲的响应也有所差别。图2(c）为相同周期的光栅写在不同位置的光谱，随着不同光栅的刻写，透射谱的深度增加，且短波的损耗也逐渐增大[21]。当利用直写法刻写FBG时，透射谱的短波处存在明显的损耗，其产生原因是飞秒激光刻写带来的纤芯折射率变化区域的米氏散射，为了抑制这一损耗，该课题组在不同芯径的单模光纤中利用飞秒逐点刻写了透射深度基本相同的光栅，发现芯径越小，短波处的损耗也越低，这是由于在芯径小的光纤内部飞秒激光刻写带来的折射率变化与纤芯区域有较大的交叠，因此米氏散射较小。此外，作者还在纤芯直径为4.4μm的光纤上依次间隔2mm刻写了10个不同周期的光栅，实验发现由于米氏散射存在，光从光纤的不同端口入射，得到的光谱也是不同的[22]。2019年，来自俄罗斯新西伯利亚大学的Wolf等[23]在受扭转的七芯光纤上用1030nm的飞秒激光刻写了FBG，如图3所示，实现了在所有边侧的纤芯轴向刻写谐振波长相同或者不同的FBG阵列，在中间的纤芯或某个特定的边侧的纤芯刻写轴向FBG阵列，以及在某个横向端面的中间纤芯和三个边侧纤芯刻写FBG阵列，在光栅的刻写过程中未去除光纤的涂敷层，刻写出来的光栅阵列可以用于弯曲矢量传感。
【参考文献】：
期刊论文
[1]少模光纤长周期光栅双峰谐振及双参量传感[J]. 郭艳城,刘艳格,王志,姚卓坤. 光学学报. 2018(09)
[2]飞秒激光制备光纤布拉格光栅高温传感器研究[J]. 廖常锐,何俊,王义平. 光学学报. 2018(03)
[3]再生光纤布拉格光栅的研究进展[J]. 薛渊泽,王学锋,罗明明,唐才杰,蓝天. 激光与光电子学进展. 2018(02)
博士论文
[1]基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究[D]. 田振男.吉林大学 2017
[2]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
[3]新型长周期光纤光栅特性研究[D]. 王义平.重庆大学 2003
本文编号：3505766
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