作者
呂瑞東,陳濤,范春松,司金海,侯洵
西安交通大學電子與信息學部電子科學與工程學院，陜西省信息光子技術重點實驗室
光纖Bragg光柵(FBG)是構成全光纖激光器的關鍵器件，主要用作激光反饋腔鏡和濾波器。
目前FBG主要是利用紫外連續或準分子激光在光敏光纖上刻寫。然而傳統紫外激光制備的光纖布拉格光柵熱穩定性差，高溫條件下易被擦除，需要繁瑣的光纖載氫預處理，不適用于高溫環境。而飛秒激光微納加工技術由于具有無熱效應影響、加工材料范圍廣、突破衍射極限的加工精度以及能夠在透明材料內實現三維加工等優點，被用于玻璃、晶體、金屬等各類材料的微納加工。同時光纖光柵飛秒激光制備技術也引起了廣泛關注。
那么，飛秒激光制備FBG的方法有哪些優勢和特點？該技術面臨哪些挑戰？未來發展趨勢如何？下面我們簡單給大家介紹一下。
一
FBG飛秒激光制備技術
飛秒激光具有極窄的脈沖寬度和極高的峰值功率，可用于加工任何材料，同時也適用于制備光纖光柵刻寫技術。光纖光柵飛秒激光刻寫技術具有以下特點:
１) 加工工藝簡單；
２) 對光纖材料沒有限制；
３) 折射率調制度高；
４) 制備的FBG耐溫性好；
５) 刻寫的FBG帶外損耗小；
６) 在光纖內刻寫的光柵位置靈活可控，可調控FBG雙折射及模式耦合特性。
01
FBG飛秒激光刻寫方法
由于飛秒激光脈沖極短，空間長度僅在數十微米，對雙光束干涉裝置穩定性要求極高，因此常用的FBG飛秒激光刻寫方法主要包括相位掩模板法和直寫法兩種。
1）相位掩模板法
利用相位掩模板法刻寫光纖光柵的加工裝置如圖１(a)所示。飛秒激光經柱透鏡聚焦后入射到相位掩模板上，在掩模板后產生零級以及對稱分布的±1級等各級衍射光。由于極少的零級和其他高級衍射光仍然會對±1級的雙光束干涉強度分布產生影響，因此光纖需要離掩模板有一定的距離。此時，±1級衍射光和零級以及其他各級衍射光由于走離效應(walk-offeffect)在時間上分開,形成單純的±1級干涉，從而避免產生塔爾博特(Talbot)效應，如圖１(b)所示。
圖1 飛秒激光相位掩模板法制備FBG原理圖。 (a)刻寫裝置圖；(b)不同衍射級次的走離效應
相位掩模板法光纖光柵刻寫技術，由于±1級干涉光在時間上自然匹配，對于光源的相干性要求較低，且穩定性和重復性好、加工效率高、損耗低，適合于批量化生產。然而，這種方法制備的FBG的布拉格波長依賴于掩模板周期，需根據光纖折射率以及布拉格波長來選擇特定周期的相位掩模板，故其靈活性較差，且掩模板價格非常昂貴。
2）飛秒激光直寫法
飛秒激光直寫法是利用顯微物鏡將飛秒激光聚焦在光纖內部，通過光纖的精密移動逐一寫出FBG的每一個周期結構。其研究過程主要從點到線，再到面的一個過程。
飛秒激光直寫法可以靈活調控刻寫光柵的周期、長度、折射率調制度分布，制備出具有折射率調制以及長度和色散可控的光纖光柵。此外，相對于相位掩模板法，飛秒激光直寫法更容易實現隔涂覆層加工，有效保持光纖的強度和物理完整性。但是該方法對設備穩定性和精度要求較高，目前普遍采用 Aerotech公司的空氣導軌電動平移臺控制光纖移動，價格昂貴。此外，相對于相位掩模板法，該方法制備的光柵容易在短波長處產生較強的永久性損耗，用于激光器中時高功率下容易產生光學損傷。
02
飛秒激光制備光纖光柵的光源
刻寫FBG的飛秒激光光源主要有摻鈦-藍寶石激光器和摻鐿激光器以及各自的倍頻激光。目前報道的飛秒激光刻寫光纖光柵所使用的激光光源波長涵蓋266 nm 到1030 nm。
鈦寶石激光器的應用最為廣泛，其輸出波長約為800 nm，通過二倍頻和三倍頻可以產生400 nm和266 nm左右波長的飛秒激光。相比于800 nm激光，通過400 nm波長的飛秒激光曝光可以得到具有更高溫度穩定性的高反射II型光柵；而266 nm深紫外飛秒激光曝光由于波長短，多光子吸收過程中所需的光子數量減少，因此刻寫閾值更低，制備的光柵強度增長效率相比于800 nm 和400 nm更高。
摻鐿飛秒激光放大器輸出波長約為1030 nm。由于光纖對該波長激光的吸收低于800 nm飛秒激光，因此以摻鐿飛秒激光放大器為光源刻寫FBG的工作效率相對較低。為了提高FBG的刻寫效率，更多的是利用摻鐿飛秒激光放大器輸出激光的倍頻和三倍頻激光刻寫FBG，特別是在利用相位掩模板法制備FBG中。
目前，刻寫布拉格光柵的飛秒激光主要采用高斯光束。在制備體布拉格光柵等一些大尺寸的器件時，利用貝塞爾光束相比于高斯光束有更快的布拉格光柵刻寫速度，能夠大大提高制備效率。對飛秒激光光束進行時空調控，可以實現不同規模和需求的布拉格光柵制備，同時在精度和靈活性方面也有提高。
除了飛秒激光，皮秒激光也可作為加工光源刻寫光纖光柵。最近研究人員利用1064 nm的皮秒激光結合逐點刻寫法制備了FBG，并將其作為高溫傳感器應用在液態鈉處理的工業管道溫度監測中。相對飛秒激光,利用皮秒激光刻寫FBG的研究較少，但是皮秒激光器具有價格低、穩定性好等優點，在產品應用中具有優勢。
二
飛秒激光制備光纖光柵的應用
光纖激光器的輸出波長覆蓋了近紅外(摻雜鉺、鐿、鉺鐿共摻等)和中紅外波長(摻雜銩、鈥、鏑、鉺等)。由于石英光纖在2 μm以上損耗較大，因此主要用于2 μm以下光纖激光器。從光纖纖芯直徑、模式來看，目前光纖激光器所用的FBG主要有小纖芯直徑的單模光纖、多模光纖和大模場光纖，其中大模場光纖主要用于高功率激光器。
光纖材料、摻雜離子是決定刻寫FBG機制和性能的關鍵因素，而光纖材料基本上決定了光纖激光器輸出波長的范圍。下面將以光纖激光器的工作波長以及光纖直徑作為分類，探討飛秒激光刻寫FBG技術在光纖激光器領域的應用。
01
近紅外單模光纖激光器
近紅外光纖主要采用石英光纖作為基質，而利用飛秒激光刻寫FBG最早也是在石英光纖上實現的。因此，近紅外光纖激光器成為FBG飛秒激光制備研究最廣泛的方向。近紅外光纖激光器主要以摻鉺、摻鐿和鉺鐿共摻有源光纖為增益光纖，輸出波段分別在C＋L波段和1030-1100 μm。至今為止，利用飛秒激光已經在摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻等各類有源光纖中刻寫FBG實現了近紅外激光輸出。
在各類單模光纖激光器中，單縱模光纖激光器由于線寬窄(一般為 kHz量級)、相干性好,在干涉檢測、海洋通信、光纖水聽器、引力波探測以及雷達與勘探等領域表現出廣闊的應用前景和市場潛力。
飛秒激光制備FBG的偏振依賴特性、高階光譜響應特性等也引起了研究人員極大的興趣。飛秒激光經聚焦后誘導結構改變的局域性及非對稱性，使得FBG具有強雙折射特性，特別是飛秒激光逐點寫入法制備的FBG。線偏振光纖激光器在非線性變頻和共聚焦光束組合等方面具有重要的應用價值。
圖2 基于FBG的線偏振光纖激光器裝置及其輸出特性。(a)激光器裝置圖；(b)光纖激光輸出光譜；(c)不同偏振態的輸出功率與抽運功率關系圖
02
中紅外波段光纖激光器
中紅外激光器在相干多普勒激光雷達以及傳感等領域應用極為廣泛。近年來，中紅外波段光纖激光器結合功率放大技術實現的高功率窄線寬光纖激光器成為下一代激光干涉引力波探測器的首選光源。中紅外波段的光纖器件成本較高，在制作工藝成熟度方面不及近紅外波段器件，因此中紅外波段FBG對中紅外光纖激光器簡化工藝、減小損耗、降低成本具有重要意義。
中紅外有源光纖摻雜的稀土離子主要包括銩、鈥、鏑、鉺等，基質為石英玻璃的有源光纖，一般只能輸出2 μm左右的中紅外激光。波長2 μm以上的光纖激光器則采用氟化物及硫化物等基質材料的光纖。氟化物光纖對傳統的248 nm紫外激光沒有光敏性，只有摻雜鈰離子之后才能刻寫光纖光柵，而利用飛秒激光可以直接在有源或者無源氟化物光纖中刻寫 FBG。此外，氟化物等光纖質地脆弱易斷，飛秒激光隔涂覆層加工能有效解決這個問題，同時增強了FBG的魯棒性。
目前開展該研究的單位主要有加拿大拉瓦爾大學、澳大利亞悉尼大學等，國內開展相關研究的單位較少。在中紅外光纖激光器發展的推動下，該方向將會吸引更多研究者的關注。
03
大模場光纖激光器
普通單模光纖纖芯直徑一般小于10 μm，所產生的激光由于強束縛極易產生強非線性效應，影響激光功率的提升。采用大模場光纖可以大大減弱光纖激光器中的非線性效應，成為實現高功率光纖激光器的必然選擇。
最新的研究是，Kr?mer等利用飛秒激光在20 μm/400 μm無源光纖中刻寫 FBG，并與摻鐿光纖熔接成激光器，實現了５kW 的激光輸出，其承載功率與傳統紫外激光刻寫的大模場FBG的承載功率相當。同時，他們發現光纖激光器運轉時產生自退火效應可大大減小飛秒激光刻寫FBG時所產生的缺陷，提高激光器的輸出效率。這對利用飛秒激光制備適用于高功率激光器的大模場FBG研究來說具有深遠的意義。
圖3 基于摻鐿大模場 FBG 的光纖激光器實驗裝置及輸出功率特性。(a)激光器裝置示意圖；(b)激光輸出功率與抽運功率的關系
對于大芯徑的少模大模場光纖激光器，模式控制技術非常關鍵。利用飛秒激光能夠靈活控制寫入光纖中光柵的位置及截面折射率分布結構，實現激光橫向模式和偏振的選擇。這為在較大數值孔徑的大模場光纖中實現模式抑制，輸出單模激光提供可能。
三
結 語
FBG飛秒激光制備技術及其在單模近紅外光纖激光器的應用研究已經很多，多模光纖FBG飛秒激光制備技術及其在激光器的應用研究正在興起。利用飛秒激光在氟化物等中紅外光纖中刻寫FBG，并實現中紅外光纖激光器已經成為近期的研究熱點。在大模場FBG方面，利用飛秒激光在有源光纖中直接制備高功率FBG已成為可能。
由于光纖激光器對光纖光柵的損耗和模式具有極高的要求，利用飛秒激光刻寫用于光纖激光器的FBG仍需要解決以下問題：
首先，如何通過控制飛秒激光參數實現飛秒激光誘導光柵結構物性的靶向控制，是實現低損耗高穩定性FBG的關鍵。
其次，光纖的柱形結構導致的像差以及折射，會使飛秒激光在光纖內的焦點位置發生偏折和畸變，影響飛秒激光刻寫FBG結構在光纖截面上的分布位置和均勻性。
最后,飛秒激光誘導FBG所產的色心結構，存在寬帶吸收損耗，不僅帶來光纖激光器諧振腔的損耗，在高功率激光器中更容易使FBG溫度升高，從而導致其布拉格波長偏移甚至破壞。
飛秒激光制備的FBG獨特的物理、化學特性，賦予了它廣闊的應用前景。隨著各類光纖激光器的不斷發展及工業需求，基于FBG的光纖激光器將會在眾多領域大放光彩，為科學、國防、工業及公眾的日常生活增添新的活力。
本文摘編自：呂瑞東,陳濤,范春松等.飛秒激光制備光纖 Bragg光柵在光纖激光器中的應用[J].激光與光電子學進展,2020, 57(11):111426
封面來源：https://cdn.idropnews.com/wp-content/uploads/2018/10/24143634/Fiber-Optic-Internet.jpg
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