基于波片棱镜组合能量调节的切趾光纤光栅
发布时间：2021-06-19 11:49
为提高飞秒激光制备高反射率FBG（Fiber Bragg Grating）的边模抑制比,提出了一种基于组合二分之一波片和格兰棱镜调节激光能量的加工方法,制备出了高反射率和高边模抑制比的切趾光纤光栅。通过上位机输入切趾函数模型,实时精确调节步进电机速度,机械旋转二分之一波片位置,实现激光能量沿光纤方向呈切趾函数分布,从而在光纤纤芯中折射率调制区域呈切趾函数分布,获得参数可调的切趾光纤光栅。实验表明,该方法制备的切趾光栅在1 550 nm处反射率可达70%,边模抑制比超过20 dB,半高峰宽度0.35 nm。对其温度和应力传感特性研究显示,其温度灵敏度为1.529×10-2nm/K,应力灵敏度为1.61 nm/N。该种方法制备的高反射率切趾光纤光栅有望应用于大功率、窄线宽的光纤激光器以及高速精确传感解调系统中。
【文章来源】：吉林大学学报(信息科学版). 2020,38(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
逐点刻写技术制备切趾光纤光栅的装置示意图
为清晰看出切趾与未切趾光栅的区别，分别制备出了长度为55μm的切趾和未切趾的FBG，显微照片对比如图2所示，可观察到超高峰值功率密度的飞秒脉冲聚焦到纤芯内部形成了周期性、局域化和损伤性的折射率调制。图2a中未切趾的FBG，相同激光能量对纤芯折射率调制部分呈均匀周期分布。图2b中的切趾FBG，由于在机械旋转二分之一波片过程中，激光能量呈类高斯函数分布，中间能量最高，由中间向两侧能量逐渐变低，作用在纤芯中的脉冲能量呈现类高斯函数分布，即沿光纤周期方向上的折射率调制强度类高斯函数分布。由图2b可观察到在长度55μm的切趾FBG两端折射率调制弱于中间，切趾FBG两端折射率调制深度最低，而中间区域调制深度最大，光栅对比度最明显。切趾前后的FBG光谱如图3所示。加工时设定的FBG谐振波长在1 550 nm处，由于光纤夹具对光纤具有轻微拉伸作用，制备完成后应力释放，引起FBG谐振波长轻微漂移，最终得到的λB在1 549.15 nm处。由图3可看出，制备相同反射率的光栅，采用该方法获得的切趾FBG边模抑制比远大于未经切趾的FBG，切趾后边模抑制比达到23 d B，半高峰宽度为0.35 nm，反射率为70%，同时在1 550 nm附近的插入损耗仍小于1 d B，这表明该切趾方法制备高反射率光栅时未引入大的插入损耗。
对制备的切趾FBG分别进行温度和应力的传感特性研究。首先进行高温退火过程，将切趾FBG放置于高温炉中，从室温升高至800℃并维持2 h，然后冷却至室温，该过程是为了消除切趾FBG制备过程中不稳定结构以及残余应力。退火后的反射峰强度会有轻微减小，主要是由于退火过程擦除了一部分低折射率调制深度的不稳定的光栅，最后保留了稳定的Ⅱ型耐高温光栅。然后以10℃/min的速率进行升温，每升高100℃，恒温15 min，并记录一次光谱数据，直至升温到800℃。在室温25～800℃范围内，一共记录了9个光谱数据，切趾FBG谐振波长λB随温度变化的漂移曲线如图4所示。由图4a可见，随着温度升高，由于光纤的热膨胀效应和热光效应，光纤光栅周期和纤芯有效折射率发生变化，切趾FBG的谐振波长λB向长波方向漂移，其温度灵敏度为1.529×10-2nm/K (R2=0.999 7)。结果表明该切趾FBG可以在800℃的高温环境中稳定工作，具有很好的温度灵敏度和稳定性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿井下分布式光纤定位精度及感测距离研究[J]. 郭继坤,陈司晗. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(05)
[2]相位掩模板干涉场及其对光纤光栅损耗的影响[J]. 王迪,李璇,皮浩洋,杨飞,叶青,蔡海文. 光学学报. 2018(08)
[3]干涉型光纤预警系统入侵信号的调制解调技术[J]. 张叶浩,衣文索,崔光磊,王家宁. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(01)
[4]基于多次曝光法啁啾光纤光栅的研究[J]. 唐晓辉,张文,莫禾胜. 光通信技术. 2009(08)
[5]偏振控制法紫外写入Bragg光纤光栅的特性分析[J]. 饶明辉,何振江,杨冠玲,艾锦云. 激光技术. 2004(01)
[6]切趾光纤光栅技术及其研究进展[J]. 洪从胜,徐新华,吕昌贵,徐春祥,崔一平. 光电子技术与信息. 2002(03)
[7]啁啾和切趾函数可调的光纤光栅的扫描写入法[J]. 李栩辉,夏历,刘晶雯,王建萍,谢世钟. 半导体光电. 2001(01)
本文编号：3237754
【文章来源】：吉林大学学报(信息科学版). 2020,38(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
逐点刻写技术制备切趾光纤光栅的装置示意图
为清晰看出切趾与未切趾光栅的区别，分别制备出了长度为55μm的切趾和未切趾的FBG，显微照片对比如图2所示，可观察到超高峰值功率密度的飞秒脉冲聚焦到纤芯内部形成了周期性、局域化和损伤性的折射率调制。图2a中未切趾的FBG，相同激光能量对纤芯折射率调制部分呈均匀周期分布。图2b中的切趾FBG，由于在机械旋转二分之一波片过程中，激光能量呈类高斯函数分布，中间能量最高，由中间向两侧能量逐渐变低，作用在纤芯中的脉冲能量呈现类高斯函数分布，即沿光纤周期方向上的折射率调制强度类高斯函数分布。由图2b可观察到在长度55μm的切趾FBG两端折射率调制弱于中间，切趾FBG两端折射率调制深度最低，而中间区域调制深度最大，光栅对比度最明显。切趾前后的FBG光谱如图3所示。加工时设定的FBG谐振波长在1 550 nm处，由于光纤夹具对光纤具有轻微拉伸作用，制备完成后应力释放，引起FBG谐振波长轻微漂移，最终得到的λB在1 549.15 nm处。由图3可看出，制备相同反射率的光栅，采用该方法获得的切趾FBG边模抑制比远大于未经切趾的FBG，切趾后边模抑制比达到23 d B，半高峰宽度为0.35 nm，反射率为70%，同时在1 550 nm附近的插入损耗仍小于1 d B，这表明该切趾方法制备高反射率光栅时未引入大的插入损耗。
对制备的切趾FBG分别进行温度和应力的传感特性研究。首先进行高温退火过程，将切趾FBG放置于高温炉中，从室温升高至800℃并维持2 h，然后冷却至室温，该过程是为了消除切趾FBG制备过程中不稳定结构以及残余应力。退火后的反射峰强度会有轻微减小，主要是由于退火过程擦除了一部分低折射率调制深度的不稳定的光栅，最后保留了稳定的Ⅱ型耐高温光栅。然后以10℃/min的速率进行升温，每升高100℃，恒温15 min，并记录一次光谱数据，直至升温到800℃。在室温25～800℃范围内，一共记录了9个光谱数据，切趾FBG谐振波长λB随温度变化的漂移曲线如图4所示。由图4a可见，随着温度升高，由于光纤的热膨胀效应和热光效应，光纤光栅周期和纤芯有效折射率发生变化，切趾FBG的谐振波长λB向长波方向漂移，其温度灵敏度为1.529×10-2nm/K (R2=0.999 7)。结果表明该切趾FBG可以在800℃的高温环境中稳定工作，具有很好的温度灵敏度和稳定性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]矿井下分布式光纤定位精度及感测距离研究[J]. 郭继坤,陈司晗. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(05)
[2]相位掩模板干涉场及其对光纤光栅损耗的影响[J]. 王迪,李璇,皮浩洋,杨飞,叶青,蔡海文. 光学学报. 2018(08)
[3]干涉型光纤预警系统入侵信号的调制解调技术[J]. 张叶浩,衣文索,崔光磊,王家宁. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(01)
[4]基于多次曝光法啁啾光纤光栅的研究[J]. 唐晓辉,张文,莫禾胜. 光通信技术. 2009(08)
[5]偏振控制法紫外写入Bragg光纤光栅的特性分析[J]. 饶明辉,何振江,杨冠玲,艾锦云. 激光技术. 2004(01)
[6]切趾光纤光栅技术及其研究进展[J]. 洪从胜,徐新华,吕昌贵,徐春祥,崔一平. 光电子技术与信息. 2002(03)
[7]啁啾和切趾函数可调的光纤光栅的扫描写入法[J]. 李栩辉,夏历,刘晶雯,王建萍,谢世钟. 半导体光电. 2001(01)
本文编号：3237754
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