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采用飞秒激光器刻写布拉格光纤光栅原理


飞秒激光器一个显著的特点在于其超短脉冲(飞秒量级),微焦级的能量在如此短的时间内释放出来,其峰值功率非常高(可达2GW),可以对各种材料包括石英进行切削和加工,光栅的刻写正是利用了飞秒激光器这一特点来实现的。

通过精确的光路设计,使激光透过涂敷层和包层,直接聚焦在纤芯上,通过控制激光的能量阈值,可以使激光对涂敷层和包层不造成影响,而仅仅对纤芯进行蚀刻。如下图所示:

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图一   超快激光聚焦于纤芯示意图


有了聚焦于纤芯的激光点之后,接下来重要的问题就是如何沿光轴方向形成周期性的蚀刻点,以形成光栅。一般来讲,有如下三种方法来实现。

A、 移动光纤法;即激光光束以及光路不变,采用精度非常高的位移台沿着轴的方向以一定的速度移动光纤,同时调整激光器,以一固定频率释放光脉冲。如此则能够在光纤纤芯上形成特定周期的蚀刻点,从而形成光栅。如图二所示。


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图二移动光纤法刻写光栅


B、 相位掩模版发;此种方法和准分子激光器蚀刻方法类似,把飞秒激光作为类似于准分子激光的光源,通过相位掩模版形成固定周期的干涉条纹,以此来对光纤进行蚀刻。可以参照采用准分子激光器刻写光栅技术,在此不做累述。

C、 投影法;此种方法的原理是,制作一均匀周期的光阑,激光光斑打在光阑上,被光阑进行分割,相当于多个发光点;然后通过成像技术,把此光阑成像为缩小的实相,投影到光纤的纤芯,以此来完成对光纤的周期性蚀刻。


采用飞秒激光进行光栅刻写增加了一种蚀刻方法,同时也带来了其非常特别的特点:

(1)高强度;由于飞秒激光透过涂敷层和包层直接对纤芯进行蚀刻,所以不需要对涂敷层进行剥除,由此带来一个非常重要的特点,光栅的强度很高,可以达到光纤的本征力学性能指标。

(2)射率且在一定的情况下(比如高温)可以恢复,而飞秒激光可以对纤芯造成一定程度的结构性改变而不可恢复。所以飞秒刻写的光栅可以在很高温度下使用,只要光纤本身能够容忍即可。

(3)容易形成短光栅阵列;飞秒刻写光栅可以进行精确的栅长控制、光栅之间的间隔控制,栅长和间隔的控制精度可以达到微米量级。所以可以非常方便的刻写OFDR解调的高密度光栅。

(4)灵活的带宽和反射率控制;通过工艺调整,可以刻写从200皮米到5nm左右任意宽度的光栅,反射率可以随意根据需求任意调整。


但是,飞秒直写光栅有一个缺点,其刻写的光栅插入损耗比较高,对于大体量(单根光纤刻写大量的光栅)的应用,可能是一个很难跨越的难点。另外,采用飞秒刻写方法也很难应对非常大的体量应用,其技术特点决定了很难进行高效率的刻写。


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