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技術文章

在細如髮絲的光纖上“起舞”╃••╃╃:飛秒鐳射解鎖刻柵新工藝

技術文章

光纖光柵

光纖Bragg光柵(FBG)是在光纖纖芯中引入週期性折射率調製而形成的窄帶濾波器件·•₪✘•,其週期為幾百奈米到幾微米✘·。FBG能對特定的波長進行反射·•₪✘•,該特定波長滿足Bragg諧振條件·•₪✘•,與光柵的折射率調製量及週期成正比·•₪✘•,被稱為Bragg中心波長✘·。FBG是光資訊領域的重要器件·•₪✘•,在光纖通訊(濾波器☁↟₪₪、色散補償器)☁↟₪₪、光纖感測(溫度☁↟₪₪、應變☁↟₪₪、壓力☁↟₪₪、振動感測器)和光纖鐳射器(反射腔鏡☁↟₪₪、分佈反饋腔☁↟₪₪、脈衝展寬/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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光纖光柵製備技術發展歷程

Technology Development History

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第一支FBG於1978年由加拿大通訊研究中心的K.O.Hill研製✘·。Hill發現了摻鍺石英光纖中的光敏性·•₪✘•,並採用駐波法制備出FBG作為氬離子鐳射器的反射鏡✘·。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·•₪✘•,此外鐳射直接誘導的纖芯折射率變化量較小·•₪✘•,需要製備幾十釐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·•₪✘•,幾乎能製備任意中心波長的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製備和應用奠定了堅實的基礎✘·。


另外·•₪✘•,隨著超快鐳射器的進步·•₪✘•,人們獲得了具有超高峰值功率的材料加工利器——飛秒鐳射器·•₪✘•,並很快被應用到了光纖光柵的製備中✘·。


1999年·•₪✘•,日本科學家第一次將飛秒鐳射器用於長週期光纖光柵的刻寫·•₪✘•,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·•₪✘•,並受到越來越多科研院所的關注✘·。近年來·•₪✘•,隨著飛秒鐳射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)飛秒鐳射相位掩模法·•₪✘•,(右)飛秒鐳射直寫法 ▲


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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✘·。


紫外刻柵採用的光源是納秒脈衝的準分子或固體鐳射器·•₪✘•,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·•₪✘•,纖芯被紫外光照後會發生線性吸收·•₪✘•,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℃的高溫下並不穩定·•₪✘•,會逐漸被漂白失去效果✘·。


飛秒刻柵一般採用近紅外的飛秒鐳射器·•₪✘•,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·•₪✘•,但飛秒脈衝具有超高的峰值功率·•₪✘•,經過透鏡聚焦後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✘·。當入射脈衝能量較低時·•₪✘•,非線性吸收使材料區域性迅速熔化並凝固產生折射率改變·•₪✘•,由此形成的光柵並不具備高溫穩定性·•₪✘•,被稱為Type I型光柵;當脈衝能量較高·•₪✘•,超過材料損傷閾值後·•₪✘•,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·•₪✘•,對於石英光纖約1000℃·•₪✘•,對於藍寶石光纖為2050℃✘·。

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飛秒鐳射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


相對於紫外光柵·•₪✘•,飛秒光柵具備如下優勢╃••╃╃:

光柵結構更穩定·•₪✘•,耐高溫☁↟₪₪、耐輻射·•₪✘•,適用於特殊環境應用

製備工藝更簡單·•₪✘•,光纖不需要敏化處理·•₪✘•,也不用去除塗覆層·•₪✘•,飛秒鐳射可直接透過丙烯酸酯或聚醯亞胺塗層刻寫·•₪✘•,成柵後的機械強度高☁↟₪₪、可靠性好

光纖型別更多樣·•₪✘•,除了普通石英光纖·•₪✘•,飛秒鐳射還可在純石英光纖☁↟₪₪、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




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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並實現了商業化量產·•₪✘•,如加拿大的TeraXion公司·•₪✘•,其生產的飛秒光柵已應用於高功率光纖鐳射器中·•₪✘•,德國的FBGS公司和FemtoFiberTec公司·•₪✘•,可為特殊環境光纖感測提供飛秒光柵產品✘·。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☁↟₪₪、北京資訊科技大學大學☁↟₪₪、西安交通大學等等✘·。


對於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·•₪✘•,特別是藉助於飛秒鐳射的三維加工特性·•₪✘•,可實現複雜結構及新型光柵的刻寫✘·。透過位移臺的精密移動·•₪✘•,能在光纖的任意位置刻寫任意週期和任意結構的光柵·•₪✘•,如並行整合FBG☁↟₪₪、多芯整合FBG☁↟₪₪、取樣FBG☁↟₪₪、啁啾FBG☁↟₪₪、螺旋FBG等✘·。新結構新材料光纖光柵的製備是目前的研究熱點·•₪✘•,也為飛秒刻柵開闢了新的應用方向✘·。

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並行整合飛秒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▲




飛秒刻柵

解決方案

針對飛秒刻柵新的需求·•₪✘•,凌雲光公司結合自身在光資訊領域多年的積累和對產品的認識·•₪✘•,可為客戶提供定製化的飛秒刻柵解決方案✘·。

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點選檢視大圖▲


方案特點╃••╃╃:

  • 支援直寫法與相位掩模法刻柵

  • 任意週期任意結構光柵刻寫

  • 高溫穩定光柵製備

  • 塗覆層免剝除刻柵

  • 藍寶石光纖☁↟₪₪、微結構光纖☁↟₪₪、中紅外光纖等特種光纖刻柵

  • 鐳射功率與偏振控制

  • 自動纖芯對焦·•₪✘•,加速製備過程

系統引數╃••╃╃:

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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


本方案主要由飛秒鐳射器☁↟₪₪、高精度位移臺☁↟₪₪、振鏡系統☁↟₪₪、光路系統☁↟₪₪、成像系統以及加工軟體等組成·•₪✘•,並能根據客戶要求靈活選配·•₪✘•,同時具備擴充套件和升級的能力以適應新的需求✘·。歡迎感興趣的朋友聯絡我們~


參考文獻

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[5] Itoh K, Watanabe W, Nolte S, et al. Ultrafast processes for bulk modification of transparent materials[J]. MRS Bulletin, 2006, 31(8): 620–625

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