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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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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*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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