作者
呂瑞東,陳濤,范春松,司金海,侯洵
西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
光纖Bragg光柵(FBG)是構(gòu)成全光纖激光器的關(guān)鍵器件，主要用作激光反饋腔鏡和濾波器。
目前FBG主要是利用紫外連續(xù)或準(zhǔn)分子激光在光敏光纖上刻寫(xiě)。然而傳統(tǒng)紫外激光制備的光纖布拉格光柵熱穩(wěn)定性差，高溫條件下易被擦除，需要繁瑣的光纖載氫預(yù)處理，不適用于高溫環(huán)境。而飛秒激光微納加工技術(shù)由于具有無(wú)熱效應(yīng)影響、加工材料范圍廣、突破衍射極限的加工精度以及能夠在透明材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維加工等優(yōu)點(diǎn)，被用于玻璃、晶體、金屬等各類(lèi)材料的微納加工。同時(shí)光纖光柵飛秒激光制備技術(shù)也引起了廣泛關(guān)注。
那么，飛秒激光制備FBG的方法有哪些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)？該技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如何？下面我們簡(jiǎn)單給大家介紹一下。
一
FBG飛秒激光制備技術(shù)
飛秒激光具有極窄的脈沖寬度和極高的峰值功率，可用于加工任何材料，同時(shí)也適用于制備光纖光柵刻寫(xiě)技術(shù)。光纖光柵飛秒激光刻寫(xiě)技術(shù)具有以下特點(diǎn):
１) 加工工藝簡(jiǎn)單；
２) 對(duì)光纖材料沒(méi)有限制；
３) 折射率調(diào)制度高；
４) 制備的FBG耐溫性好；
５) 刻寫(xiě)的FBG帶外損耗??；
６) 在光纖內(nèi)刻寫(xiě)的光柵位置靈活可控，可調(diào)控FBG雙折射及模式耦合特性。
01
FBG飛秒激光刻寫(xiě)方法
由于飛秒激光脈沖極短，空間長(zhǎng)度僅在數(shù)十微米，對(duì)雙光束干涉裝置穩(wěn)定性要求極高，因此常用的FBG飛秒激光刻寫(xiě)方法主要包括相位掩模板法和直寫(xiě)法兩種。
1）相位掩模板法
利用相位掩模板法刻寫(xiě)光纖光柵的加工裝置如圖１(a)所示。飛秒激光經(jīng)柱透鏡聚焦后入射到相位掩模板上，在掩模板后產(chǎn)生零級(jí)以及對(duì)稱(chēng)分布的±1級(jí)等各級(jí)衍射光。由于極少的零級(jí)和其他高級(jí)衍射光仍然會(huì)對(duì)±1級(jí)的雙光束干涉強(qiáng)度分布產(chǎn)生影響，因此光纖需要離掩模板有一定的距離。此時(shí)，±1級(jí)衍射光和零級(jí)以及其他各級(jí)衍射光由于走離效應(yīng)(walk-offeffect)在時(shí)間上分開(kāi),形成單純的±1級(jí)干涉，從而避免產(chǎn)生塔爾博特(Talbot)效應(yīng)，如圖１(b)所示。
圖1 飛秒激光相位掩模板法制備FBG原理圖。 (a)刻寫(xiě)裝置圖；(b)不同衍射級(jí)次的走離效應(yīng)
相位掩模板法光纖光柵刻寫(xiě)技術(shù)，由于±1級(jí)干涉光在時(shí)間上自然匹配，對(duì)于光源的相干性要求較低，且穩(wěn)定性和重復(fù)性好、加工效率高、損耗低，適合于批量化生產(chǎn)。然而，這種方法制備的FBG的布拉格波長(zhǎng)依賴于掩模板周期，需根據(jù)光纖折射率以及布拉格波長(zhǎng)來(lái)選擇特定周期的相位掩模板，故其靈活性較差，且掩模板價(jià)格非常昂貴。
2）飛秒激光直寫(xiě)法
飛秒激光直寫(xiě)法是利用顯微物鏡將飛秒激光聚焦在光纖內(nèi)部，通過(guò)光纖的精密移動(dòng)逐一寫(xiě)出FBG的每一個(gè)周期結(jié)構(gòu)。其研究過(guò)程主要從點(diǎn)到線，再到面的一個(gè)過(guò)程。
飛秒激光直寫(xiě)法可以靈活調(diào)控刻寫(xiě)光柵的周期、長(zhǎng)度、折射率調(diào)制度分布，制備出具有折射率調(diào)制以及長(zhǎng)度和色散可控的光纖光柵。此外，相對(duì)于相位掩模板法，飛秒激光直寫(xiě)法更容易實(shí)現(xiàn)隔涂覆層加工，有效保持光纖的強(qiáng)度和物理完整性。但是該方法對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性和精度要求較高，目前普遍采用 Aerotech公司的空氣導(dǎo)軌電動(dòng)平移臺(tái)控制光纖移動(dòng)，價(jià)格昂貴。此外，相對(duì)于相位掩模板法，該方法制備的光柵容易在短波長(zhǎng)處產(chǎn)生較強(qiáng)的永久性損耗，用于激光器中時(shí)高功率下容易產(chǎn)生光學(xué)損傷。
02
飛秒激光制備光纖光柵的光源
刻寫(xiě)FBG的飛秒激光光源主要有摻鈦-藍(lán)寶石激光器和摻鐿激光器以及各自的倍頻激光。目前報(bào)道的飛秒激光刻寫(xiě)光纖光柵所使用的激光光源波長(zhǎng)涵蓋266 nm 到1030 nm。
鈦寶石激光器的應(yīng)用最為廣泛，其輸出波長(zhǎng)約為800 nm，通過(guò)二倍頻和三倍頻可以產(chǎn)生400 nm和266 nm左右波長(zhǎng)的飛秒激光。相比于800 nm激光，通過(guò)400 nm波長(zhǎng)的飛秒激光曝光可以得到具有更高溫度穩(wěn)定性的高反射II型光柵；而266 nm深紫外飛秒激光曝光由于波長(zhǎng)短，多光子吸收過(guò)程中所需的光子數(shù)量減少，因此刻寫(xiě)閾值更低，制備的光柵強(qiáng)度增長(zhǎng)效率相比于800 nm 和400 nm更高。
摻鐿飛秒激光放大器輸出波長(zhǎng)約為1030 nm。由于光纖對(duì)該波長(zhǎng)激光的吸收低于800 nm飛秒激光，因此以摻鐿飛秒激光放大器為光源刻寫(xiě)FBG的工作效率相對(duì)較低。為了提高FBG的刻寫(xiě)效率，更多的是利用摻鐿飛秒激光放大器輸出激光的倍頻和三倍頻激光刻寫(xiě)FBG，特別是在利用相位掩模板法制備FBG中。
目前，刻寫(xiě)布拉格光柵的飛秒激光主要采用高斯光束。在制備體布拉格光柵等一些大尺寸的器件時(shí)，利用貝塞爾光束相比于高斯光束有更快的布拉格光柵刻寫(xiě)速度，能夠大大提高制備效率。對(duì)飛秒激光光束進(jìn)行時(shí)空調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模和需求的布拉格光柵制備，同時(shí)在精度和靈活性方面也有提高。
除了飛秒激光，皮秒激光也可作為加工光源刻寫(xiě)光纖光柵。最近研究人員利用1064 nm的皮秒激光結(jié)合逐點(diǎn)刻寫(xiě)法制備了FBG，并將其作為高溫傳感器應(yīng)用在液態(tài)鈉處理的工業(yè)管道溫度監(jiān)測(cè)中。相對(duì)飛秒激光,利用皮秒激光刻寫(xiě)FBG的研究較少，但是皮秒激光器具有價(jià)格低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。
二
飛秒激光制備光纖光柵的應(yīng)用
光纖激光器的輸出波長(zhǎng)覆蓋了近紅外(摻雜鉺、鐿、鉺鐿共摻等)和中紅外波長(zhǎng)(摻雜銩、鈥、鏑、鉺等)。由于石英光纖在2 μm以上損耗較大，因此主要用于2 μm以下光纖激光器。從光纖纖芯直徑、模式來(lái)看，目前光纖激光器所用的FBG主要有小纖芯直徑的單模光纖、多模光纖和大模場(chǎng)光纖，其中大模場(chǎng)光纖主要用于高功率激光器。
光纖材料、摻雜離子是決定刻寫(xiě)FBG機(jī)制和性能的關(guān)鍵因素，而光纖材料基本上決定了光纖激光器輸出波長(zhǎng)的范圍。下面將以光纖激光器的工作波長(zhǎng)以及光纖直徑作為分類(lèi)，探討飛秒激光刻寫(xiě)FBG技術(shù)在光纖激光器領(lǐng)域的應(yīng)用。
01
近紅外單模光纖激光器
近紅外光纖主要采用石英光纖作為基質(zhì)，而利用飛秒激光刻寫(xiě)FBG最早也是在石英光纖上實(shí)現(xiàn)的。因此，近紅外光纖激光器成為FBG飛秒激光制備研究最廣泛的方向。近紅外光纖激光器主要以摻鉺、摻鐿和鉺鐿共摻有源光纖為增益光纖，輸出波段分別在C＋L波段和1030-1100 μm。至今為止，利用飛秒激光已經(jīng)在摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻等各類(lèi)有源光纖中刻寫(xiě)FBG實(shí)現(xiàn)了近紅外激光輸出。
在各類(lèi)單模光纖激光器中，單縱模光纖激光器由于線寬窄(一般為 kHz量級(jí))、相干性好,在干涉檢測(cè)、海洋通信、光纖水聽(tīng)器、引力波探測(cè)以及雷達(dá)與勘探等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。
飛秒激光制備FBG的偏振依賴特性、高階光譜響應(yīng)特性等也引起了研究人員極大的興趣。飛秒激光經(jīng)聚焦后誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變的局域性及非對(duì)稱(chēng)性，使得FBG具有強(qiáng)雙折射特性，特別是飛秒激光逐點(diǎn)寫(xiě)入法制備的FBG。線偏振光纖激光器在非線性變頻和共聚焦光束組合等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖2 基于FBG的線偏振光纖激光器裝置及其輸出特性。(a)激光器裝置圖；(b)光纖激光輸出光譜；(c)不同偏振態(tài)的輸出功率與抽運(yùn)功率關(guān)系圖
02
中紅外波段光纖激光器
中紅外激光器在相干多普勒激光雷達(dá)以及傳感等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。近年來(lái)，中紅外波段光纖激光器結(jié)合功率放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高功率窄線寬光纖激光器成為下一代激光干涉引力波探測(cè)器的首選光源。中紅外波段的光纖器件成本較高，在制作工藝成熟度方面不及近紅外波段器件，因此中紅外波段FBG對(duì)中紅外光纖激光器簡(jiǎn)化工藝、減小損耗、降低成本具有重要意義。
中紅外有源光纖摻雜的稀土離子主要包括銩、鈥、鏑、鉺等，基質(zhì)為石英玻璃的有源光纖，一般只能輸出2 μm左右的中紅外激光。波長(zhǎng)2 μm以上的光纖激光器則采用氟化物及硫化物等基質(zhì)材料的光纖。氟化物光纖對(duì)傳統(tǒng)的248 nm紫外激光沒(méi)有光敏性，只有摻雜鈰離子之后才能刻寫(xiě)光纖光柵，而利用飛秒激光可以直接在有源或者無(wú)源氟化物光纖中刻寫(xiě) FBG。此外，氟化物等光纖質(zhì)地脆弱易斷，飛秒激光隔涂覆層加工能有效解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)增強(qiáng)了FBG的魯棒性。
目前開(kāi)展該研究的單位主要有加拿大拉瓦爾大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)等，國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究的單位較少。在中紅外光纖激光器發(fā)展的推動(dòng)下，該方向?qū)?huì)吸引更多研究者的關(guān)注。
03
大模場(chǎng)光纖激光器
普通單模光纖纖芯直徑一般小于10 μm，所產(chǎn)生的激光由于強(qiáng)束縛極易產(chǎn)生強(qiáng)非線性效應(yīng)，影響激光功率的提升。采用大模場(chǎng)光纖可以大大減弱光纖激光器中的非線性效應(yīng)，成為實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器的必然選擇。
最新的研究是，Kr?mer等利用飛秒激光在20 μm/400 μm無(wú)源光纖中刻寫(xiě) FBG，并與摻鐿光纖熔接成激光器，實(shí)現(xiàn)了５kW 的激光輸出，其承載功率與傳統(tǒng)紫外激光刻寫(xiě)的大模場(chǎng)FBG的承載功率相當(dāng)。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生自退火效應(yīng)可大大減小飛秒激光刻寫(xiě)FBG時(shí)所產(chǎn)生的缺陷，提高激光器的輸出效率。這對(duì)利用飛秒激光制備適用于高功率激光器的大模場(chǎng)FBG研究來(lái)說(shuō)具有深遠(yuǎn)的意義。
圖3 基于摻鐿大模場(chǎng) FBG 的光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置及輸出功率特性。(a)激光器裝置示意圖；(b)激光輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系
對(duì)于大芯徑的少模大模場(chǎng)光纖激光器，模式控制技術(shù)非常關(guān)鍵。利用飛秒激光能夠靈活控制寫(xiě)入光纖中光柵的位置及截面折射率分布結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)激光橫向模式和偏振的選擇。這為在較大數(shù)值孔徑的大模場(chǎng)光纖中實(shí)現(xiàn)模式抑制，輸出單模激光提供可能。
三
結(jié) 語(yǔ)
FBG飛秒激光制備技術(shù)及其在單模近紅外光纖激光器的應(yīng)用研究已經(jīng)很多，多模光纖FBG飛秒激光制備技術(shù)及其在激光器的應(yīng)用研究正在興起。利用飛秒激光在氟化物等中紅外光纖中刻寫(xiě)FBG，并實(shí)現(xiàn)中紅外光纖激光器已經(jīng)成為近期的研究熱點(diǎn)。在大模場(chǎng)FBG方面，利用飛秒激光在有源光纖中直接制備高功率FBG已成為可能。
由于光纖激光器對(duì)光纖光柵的損耗和模式具有極高的要求，利用飛秒激光刻寫(xiě)用于光纖激光器的FBG仍需要解決以下問(wèn)題：
首先，如何通過(guò)控制飛秒激光參數(shù)實(shí)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)物性的靶向控制，是實(shí)現(xiàn)低損耗高穩(wěn)定性FBG的關(guān)鍵。
其次，光纖的柱形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的像差以及折射，會(huì)使飛秒激光在光纖內(nèi)的焦點(diǎn)位置發(fā)生偏折和畸變，影響飛秒激光刻寫(xiě)FBG結(jié)構(gòu)在光纖截面上的分布位置和均勻性。
最后,飛秒激光誘導(dǎo)FBG所產(chǎn)的色心結(jié)構(gòu)，存在寬帶吸收損耗，不僅帶來(lái)光纖激光器諧振腔的損耗，在高功率激光器中更容易使FBG溫度升高，從而導(dǎo)致其布拉格波長(zhǎng)偏移甚至破壞。
飛秒激光制備的FBG獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，賦予了它廣闊的應(yīng)用前景。隨著各類(lèi)光纖激光器的不斷發(fā)展及工業(yè)需求，基于FBG的光纖激光器將會(huì)在眾多領(lǐng)域大放光彩，為科學(xué)、國(guó)防、工業(yè)及公眾的日常生活增添新的活力。
本文摘編自：呂瑞東,陳濤,范春松等.飛秒激光制備光纖 Bragg光柵在光纖激光器中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2020, 57(11):111426
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