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    技術文章

    在細如發絲的光纖上“起舞”:飛秒激光解鎖刻柵新工藝

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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能對特定的波長進行反射,該特定波長滿足Bragg諧振條件,與光柵的折射率調制量及周期成正比,被稱為Bragg中心波長。FBG是光信息領域的重要器件,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。

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    光纖Bragg光柵原理示意圖▲

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    光纖光柵制備技術發展歷程

    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發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與光源的波長相等,不能靈活選擇需要的反射波長,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的實用化。經過十多年的發展,到1993年,人們逐步開發了全息干涉法、相位掩模法和直寫法進行光柵刻寫,實現了靈活的波長選擇,幾乎能制備任意中心波長的FBG;同時也發展了纖芯重摻鍺和高壓載氫等紫外增敏技術,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的基礎。


    另外,隨著超快激光器的進步,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,日本科學家第一次將飛秒激光器用于長周期光纖光柵的刻寫,開啟了飛秒刻柵的大門。經過數年的發展,到2004年,飛秒直寫法和飛秒相位掩模法制備光纖光柵技術逐步完善,并受到越來越多科研院所的關注。近年來,隨著飛秒激光器和飛秒刻柵技術的進一步成熟,飛秒刻柵也開始步入實用化開發和應用階段。

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    (左)飛秒激光相位掩模法,(右)飛秒激光直寫法 ▲


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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完全不同。


    紫外刻柵采用的光源是納秒脈沖的準分子或固體激光器,光纖需要經過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發生線性吸收,引起折射率變化,被稱為光折變效應。紫外光折變形成的柵區結構在超過300℃的高溫下并不穩定,會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。雖然單個紅外光子能量比紫外光子能量低得多,無法在光纖內誘發線性吸收過程,但飛秒脈沖具有超高的峰值功率,經過透鏡聚焦后能量密度進一步提升,很容易在光纖內引起非線性吸收,即同時吸收多個光子發生能級躍遷,形成折射率變化。當入射脈沖能量較低時,非線性吸收使材料局部迅速熔化并凝固產生折射率改變,由此形成的光柵并不具備高溫穩定性,被稱為Type I型光柵;當脈沖能量較高,超過材料損傷閾值后,能產生等離子爆炸形成長久性的折射率改變,使光柵結構具備長期的高溫穩定性,被稱為Type 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℃。

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    飛秒激光誘導透明介質折射率變化機制▲


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    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勢:

    光柵結構更穩定,耐高溫、耐輻射,適用于特殊環境應用

    制備工藝更簡單,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丙烯酸酯或聚酰亞胺涂層刻寫,成柵后的機械強度高、可靠性好

    光纖類型更多樣,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光柵




    1

    飛秒刻柵研究進展

    Femtosecond Fiber Grating

    目前,國外的飛秒刻柵技術較為成熟并實現了商業化量產,如加拿大的TeraXion公司,其生產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,可為特殊環境光纖傳感提供飛秒光柵產品。國內的飛秒刻柵應用以高校研究為主,相關的科研單位包括吉林大學、深圳大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學、北京信息科技大學大學、西安交通大學等等。


    對于常用的兩種飛秒刻柵手段,即飛秒直寫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,可實現復雜結構及新型光柵的刻寫。通過位移臺的精密移動,能在光纖的任意位置刻寫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,也為飛秒刻柵開辟了新的應用方向。

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    并行集成飛秒FBG


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    取樣飛秒FBG


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    啁啾飛秒FBG


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    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域多年的積累和對產品的認識,可為客戶提供定制化的飛秒刻柵解決方案。

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    點擊查看大圖▲


    方案特點:

    • 支持直寫法與相位掩模法刻柵

    • 任意周期任意結構光柵刻寫

    • 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

    • 自動纖芯對焦,加速制備過程

    系統參數:

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    加工效果展示:

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    逐點刻寫FBG顯微鏡圖

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    逐線刻寫FBG顯微鏡圖

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    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,并能根據客戶要求靈活選配,同時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系我們~


    參考文獻

    [1] Hill K O, Fujii Y, Johnson D C, et al. Photosensitivity on optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication[J]. Applied Physics Letters, 1978, 32(10):647-649

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