在細(xì)如發(fā)絲的光纖上“起舞”：飛秒激光解鎖刻?hào)判鹿に?/h2>

閱讀：1653      發(fā)布時(shí)間：2022-6-14

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光纖光柵

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光纖Bragg光柵（FBG）是在光纖纖芯中引入周期性折射率調(diào)制而形成的窄帶濾波器件，其周期為幾百納米到幾微米。FBG能對(duì)特定的波長(zhǎng)進(jìn)行反射，該特定波長(zhǎng)滿足Bragg諧振條件，與光柵的折射率調(diào)制量及周期成正比，被稱(chēng)為Bragg中心波長(zhǎng)。FBG是光信息領(lǐng)域的重要器件，在光纖通信（濾波器、色散補(bǔ)償器）、光纖傳感（溫度、應(yīng)變、壓力、振動(dòng)傳感器）和光纖激光器（反射腔鏡、分布反饋腔、脈沖展寬/壓縮器）中得到了廣泛應(yīng)用。

光纖Bragg光柵原理示意圖▲

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光纖光柵制備技術(shù)發(fā)展歷程

Technology Development History

支FBG于1978年由加拿大通信研究中心的K.O.Hill研制。Hill發(fā)現(xiàn)了摻鍺石英光纖中的光敏性，并采用駐波法制備出FBG作為氬離子激光器的反射鏡。駐波法制備光柵的中心波長(zhǎng)與光源的波長(zhǎng)相等，不能靈活選擇需要的反射波長(zhǎng)，此外激光直接誘導(dǎo)的纖芯折射率變化量較小，需要制備幾十厘米甚至米量級(jí)的光柵提高反射率，影響了FBG的實(shí)用化。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，到1993年，人們逐步開(kāi)發(fā)了全息干涉法、相位掩模法和直寫(xiě)法進(jìn)行光柵刻寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了靈活的波長(zhǎng)選擇，幾乎能制備任意中心波長(zhǎng)的FBG；同時(shí)也發(fā)展了纖芯重?fù)芥N和高壓載氫等紫外增敏技術(shù)，提高了柵區(qū)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(guī)模制備和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，隨著超快激光器的進(jìn)步，人們獲得了具有超高峰值功率的材料加工利器——飛秒激光器，并很快被應(yīng)用到了光纖光柵的制備中。

1999年，日本科學(xué)家次將飛秒激光器用于長(zhǎng)周期光纖光柵的刻寫(xiě)，開(kāi)啟了飛秒刻?hào)诺拇箝T(mén)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，到2004年，飛秒直寫(xiě)法和飛秒相位掩模法制備光纖光柵技術(shù)逐步完善，并受到越來(lái)越多科研院所的關(guān)注。近年來(lái)，隨著飛秒激光器和飛秒刻?hào)偶夹g(shù)的進(jìn)一步成熟，飛秒刻?hào)乓查_(kāi)始步入實(shí)用化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用階段。

(左)飛秒激光相位掩模法，(右)飛秒激光直寫(xiě)法 ▲

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飛秒刻?hào)藕妥贤饪號(hào)艑?duì)比

Comparative Advantages

兩者最大的區(qū)別是形成柵區(qū)折射率變化的機(jī)制*不同。

紫外刻?hào)?/strong>采用的光源是納秒脈沖的準(zhǔn)分子或固體激光器，光纖需要經(jīng)過(guò)載氫或重?fù)诫s形成色心能級(jí)以提高紫外光敏性，纖芯被紫外光照后會(huì)發(fā)生線性吸收，引起折射率變化，被稱(chēng)為光折變效應(yīng)。紫外光折變形成的柵區(qū)結(jié)構(gòu)在超過(guò)300℃的高溫下并不穩(wěn)定，會(huì)逐漸被漂白失去效果。

飛秒刻?hào)?/strong>一般采用近紅外的飛秒激光器，光纖也不需要特殊處理。雖然單個(gè)紅外光子能量比紫外光子能量低得多，無(wú)法在光纖內(nèi)誘發(fā)線性吸收過(guò)程，但飛秒脈沖具有超高的峰值功率，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后能量密度進(jìn)一步提升，很容易在光纖內(nèi)引起非線性吸收，即同時(shí)吸收多個(gè)光子發(fā)生能級(jí)躍遷，形成折射率變化。當(dāng)入射脈沖能量較低時(shí)，非線性吸收使材料局部迅速熔化并凝固產(chǎn)生折射率改變，由此形成的光柵并不具備高溫穩(wěn)定性，被稱(chēng)為T(mén)ype I型光柵；當(dāng)脈沖能量較高，超過(guò)材料損傷閾值后，能產(chǎn)生等離子形成長(zhǎng)久性的折射率改變，使光柵結(jié)構(gòu)具備長(zhǎng)期的高溫穩(wěn)定性，被稱(chēng)為T(mén)ype II型光柵，其能承受的溫度上限可達(dá)到光纖的軟化溫度，對(duì)于石英光纖約1000℃，對(duì)于藍(lán)寶石光纖為2050℃。

飛秒激光誘導(dǎo)透明介質(zhì)折射率變化機(jī)制▲

Type I型和Type II型飛秒光柵透射譜及顯微結(jié)構(gòu)圖▲

相對(duì)于紫外光柵，飛秒光柵具備如下優(yōu)勢(shì)：

光柵結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，耐高溫、耐輻射，適用于特殊環(huán)境應(yīng)用

制備工藝更簡(jiǎn)單，光纖不需要敏化處理，也不用去除涂覆層，飛秒激光可直接透過(guò)丙烯酸酯或聚酰亞胺涂層刻寫(xiě)，成柵后的機(jī)械強(qiáng)度高、可靠性好

光纖類(lèi)型更多樣，除了普通石英光纖，飛秒激光還可在純石英光纖、藍(lán)寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、聚合物光纖、光纖等光纖中刻寫(xiě)光柵

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飛秒刻?hào)叛芯窟M(jìn)展

Femtosecond Fiber Grating

目前，國(guó)外的飛秒刻?hào)偶夹g(shù)較為成熟并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化量產(chǎn)，如加拿大的TeraXion公司，其生產(chǎn)的飛秒光柵已應(yīng)用于高功率光纖激光器中，德國(guó)的FBGS公司和FemtoFiberTec公司，可為特殊環(huán)境光纖傳感提供飛秒光柵產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的飛秒刻?hào)艖?yīng)用以高校研究為主，相關(guān)的科研單位包括吉林大學(xué)、深圳大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京信息科技大學(xué)大學(xué)、西安交通大學(xué)等等。

對(duì)于常用的兩種飛秒刻?hào)攀侄危达w秒直寫(xiě)法和飛秒相位掩模法，雖然前者對(duì)加工平臺(tái)的穩(wěn)定性和精度要求更高，但其具有更好的靈活性，特別是借助于飛秒激光的三維加工特性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及新型光柵的刻寫(xiě)。通過(guò)位移臺(tái)的精密移動(dòng)，能在光纖的任意位置刻寫(xiě)任意周期和任意結(jié)構(gòu)的光柵，如并行集成FBG、多芯集成FBG、取樣FBG、啁啾FBG、螺旋FBG等。新結(jié)構(gòu)新材料光纖光柵的制備是目前的研究熱點(diǎn)，也為飛秒刻?hào)砰_(kāi)辟了新的應(yīng)用方向。

并行集成飛秒FBG▲

取樣飛秒FBG▲

啁啾飛秒FBG▲

螺旋藍(lán)寶石飛秒FBG▲

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飛秒刻?hào)?/strong>

解決方案

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針對(duì)飛秒刻?hào)判碌男枨?，凌云光公司結(jié)合自身在光信息領(lǐng)域多年的積累和對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)，可為客戶提供定制化的飛秒刻?hào)沤鉀Q方案。

點(diǎn)擊查看大圖▲

方案特點(diǎn)：

• 支持直寫(xiě)法與相位掩模法刻?hào)?/p>

• 任意周期任意結(jié)構(gòu)光柵刻寫(xiě)

• 高溫穩(wěn)定光柵制備

• 涂覆層免剝除刻?hào)?/p>

• 藍(lán)寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、光纖等光纖刻?hào)?/p>

• 激光功率與偏振控制

• 自動(dòng)纖芯對(duì)焦，加速制備過(guò)程

系統(tǒng)參數(shù)：

加工效果展示：

逐點(diǎn)刻寫(xiě)FBG顯微鏡圖▲

逐線刻寫(xiě)FBG顯微鏡圖▲

飛秒FBG的反射光譜圖▲

本方案主要由飛秒激光器、高精度位移臺(tái)、振鏡系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、成像系統(tǒng)以及加工軟件等組成，并能根據(jù)客戶要求靈活選配，同時(shí)具備擴(kuò)展和升級(jí)的能力以適應(yīng)新的需求。歡迎感興趣的朋友聯(lián)系我們~

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