飞秒激光制备光纤布拉格光栅研究进展.docxVIP

? ? 飞秒激光制备光纤布拉格光栅研究进展 ? ? 丁宝艳，赵 强,，王相飞，司鹏举，付小涵，赵金磊,于 雨, (齐鲁工业大学(山东省科学院) a. 海洋仪器仪表研究所； b. 海洋技术科学学院,山东 青岛 266061) 0 引 言 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是现在光通信网络、光纤激光器和光纤传感等多个领域的核心器件，自1978年 Hill等人[1]在实验中首次发现光纤的光敏性，并通过驻波法在光纤中写入FBG以来已有40多年历史。利用紫外光诱导FBG的方法经过多年发展，在横向全息写入技术[2]、逐点刻写技术[3]和相位掩模板技术[4]等写制技术方面的研究逐渐成熟，FBG的应用范围也不断扩大，但利用这种方法制备FBG时，须对光纤进行载氢增敏处理[5]，导致制备的光栅不能在高温环境下使用。 针对传统紫外光诱导FBG存在的上述问题， Mihailov等人[6]首次使用飞秒激光结合相位掩模板技术，将FBG刻写在标准的掺Ge电信光纤(康宁SMF-28)上，所刻光栅在温度为300 ℃的情况下，两周后依然没有被擦除，表明其具有高温稳定性；2004年，英国Aston大学的Martinez等人[7]在没有经过光敏化的单模光纤中实现了飞秒激光逐点刻写FBG，这种刻写方法具有刻写速度快的优点；2005年，加拿大通讯研究中心的Smelser等人[8]利用飞秒激光结合相位掩模板技术在光纤(SMF-28)上刻写了Ⅰ型(激光能量低于材料损伤阈值)和Ⅱ型(激光能量等于或高于材料损伤阈值)FBG，并对其形成原理进行了对比研究，为两种类型FBG的后续发展奠定了基础；2009年，英国Aston大学的Suo等人[9]利用飞秒激光结合相位掩模板技术在锗酸盐和碲酸盐单芯和多芯光纤中写入二阶和三阶FBG，其中二阶FBG具有较高的温度灵敏度(24.7 pm/℃，10～70 ℃)和应变灵敏度(1.219 pm/με)，为其应用于温度以及应变传感提供了可能；2012年，加拿大拉瓦尔大学的Bernier M等人[10]在未剥除光纤涂覆层条件下，利用飞秒激光结合相位掩模板技术在光纤上成功写制高反射率(90%，100 ℃退火64 min后)的FBG，为全光纤中红外激光光源的发展奠定了基础；2019年，Guo等人[11]利用飞秒激光逐线扫描法在单晶蓝宝石光纤中制备了三阶蓝宝石FBG，温度灵敏度(34.96 pm/℃，1 000～1 600 ℃)和应变灵敏度(1.45 pm/με，1 600 ℃)稳定，在恶劣环境下的结构健康监测中具有潜在的应用价值；2020年，Liu等人[12]通过飞秒激光逐点刻写技术在保偏光纤上刻写FBG，实验测得其温度灵敏度超过14 pm/℃(30～90 ℃)，表明其可用于光纤传感及光纤激光器领域。 相比于紫外激光刻写技术，飞秒激光在刻写FBG时不需对光纤进行增敏处理，可直接对纤芯折射率进行局域化调制，从而获得光栅结构。通过这种方法制备的光纤光栅温度稳定性极好，可在高温下使用。鉴于飞秒激光制备的FBG的突出优势，本文对国内外飞秒激光制备FBG技术及其传感应用进行了全面综述，首先对各种利用飞秒激光制备FBG的方法进行了介绍，其次总结分析了飞秒激光制备FBG在温度、压力(应变)和折射率传感领域的应用，最后对全文进行了总结及展望。 1 飞秒激光制备FBG的方法 飞秒激光有着极窄的脉冲宽度和极高的峰值功率，可以作用在石英和蓝宝石等光纤上实现光纤内的热量累积加工，从而获得较大的折射率调制，形成光纤光栅。目前运用飞秒激光制备FBG的方法主要有3种：相位掩模板法[4]、飞秒激光直写法[11,13]和全息干涉法[13]。 1.1 飞秒激光相位掩模板法 飞秒激光相位掩模板法是将飞秒激光光束经过具有特定周期的相位掩模板后发生衍射，将入射的飞秒激光分成两束光，在两束光的重叠区域形成干涉条纹，从而在光纤中刻写光栅。图1所示为飞秒激光相位掩模板法制备FBG示意图，在实际使用时，需对其零级衍射光进行抑制，通常控制在5%以下[14]，由±1级衍射光参与干涉。最初的装置中相位掩模板的位置是固定的，称之为静态相位掩模板法，但采用这种方法产生的干涉图案长度受到光束直径的限制，且制成的FBG无法全部覆盖纤芯，由此，研究人员提出了一种动态相位掩模板法，又被称为扫描相位掩模板法，Thomas等人[15]采用光纤与掩模板之间位置保持不变，而相对于激光光束一起平移的扫描方法制作了较长的光栅，在刻写FBG时，当光栅长度大于20 mm时，光栅效率将不再变化，这意味着能够延伸光栅长度到带宽极限，因此利用这种方法可以刻写任意长度的FBG。 图1 飞秒激光相位掩模板法制备FBG示意图 相位掩模板法[4]为目前研究和应用最为广泛的一种飞秒激光制备FBG的方法，其具有制备工艺简