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：

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。

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。