光纖光柵

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能對特定的波長進行反射，該特定波長滿足Bragg諧振條件，與光柵的折射率調(diào)制量及周期成正比，被稱為Bragg中心波長。FBG是光信息領(lǐng)域的重要器件，在光纖通信（濾波器、色散補償器）、光纖傳感（溫度、應變、壓力、振動傳感器）和光纖激光器（反射腔鏡、分布反饋腔、脈沖展寬/壓縮器）中得到了廣泛應用。

光纖Bragg光柵原理示意圖

光纖光柵制備技術(shù)發(fā)展歷程

第一支FBG于1978年由加拿大通信研究中心的K.O.Hill研制。Hill首次發(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與光源的波長相等，不能靈活選擇需要的反射波長，此外激光直接誘導的纖芯折射率變化量較小，需要制備幾十厘米甚至米量級的光柵提高反射率，影響了FBG的實用化。經(jīng)過十多年的發(fā)展，到1993年，人們逐步開發(fā)了全息干涉法、相位掩模法和直寫法進行光柵刻寫，實現(xiàn)了靈活的波長選擇，幾乎能制備任意中心波長的FBG；同時也發(fā)展了纖芯重摻鍺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)模制備和應用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
另外，隨著超快激光器的進步，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，并很快被應用到了光纖光柵的制備中。
1999年，日本科學家第一次將飛秒激光器用于長周期光纖光柵的刻寫，開啟了飛秒刻柵的大門。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，到2004年，飛秒直寫法和飛秒相位掩模法制備光纖光柵技術(shù)逐步完善，并受到越來越多科研院所的關(guān)注。近年來，隨著飛秒激光器和飛秒刻柵技術(shù)的進一步成熟，飛秒刻柵也開始步入實用化開發(fā)和應用階段。

飛秒激光相位掩模法

飛秒激光直寫法

飛秒刻柵和紫外刻柵對比

兩者最大的區(qū)別是形成柵區(qū)折射率變化的機制完全不同。

紫外刻柵采用的光源是納秒脈沖的準分子或固體激光器，光纖需要經(jīng)過載氫或重摻雜形成色心能級以提高紫外光敏性，纖芯被紫外光照后會發(fā)生線性吸收，引起折射率變化，被稱為光折變效應。紫外光折變形成的柵區(qū)結(jié)構(gòu)在超過300℃的高溫下并不穩(wěn)定，會逐漸被漂白失去效果。
飛秒刻柵一般采用近紅外的飛秒激光器，光纖也不需要特殊處理。雖然單個紅外光子能量比紫外光子能量低得多，無法在光纖內(nèi)誘發(fā)線性吸收過程，但飛秒脈沖具有超高的峰值功率，經(jīng)過透鏡聚焦后能量密度進一步提升，很容易在光纖內(nèi)引起非線性吸收，即同時吸收多個光子發(fā)生能級躍遷，形成折射率變化。當入射脈沖能量較低時，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，被稱為Type I型光柵；當脈沖能量較高，超過材料損傷閾值后，能產(chǎn)生等離子爆炸形成永久性的折射率改變，使光柵結(jié)構(gòu)具備長期的高溫穩(wěn)定性，被稱為Type II型光柵，其能承受的溫度上限可達到光纖的軟化溫度，對于石英光纖約1000℃，對于藍寶石光纖為2050℃。

飛秒激光誘導透明介質(zhì)折射率變化機制

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

相對于紫外光柵，飛秒光柵具備如下優(yōu)勢：
光柵結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，耐高溫、耐輻射，適用于極端環(huán)境應用
制備工藝更簡單，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丙烯酸酯或聚酰亞胺涂層刻寫，成柵后的機械強度高、可靠性好
光纖類型更多樣，除了普通石英光纖，飛秒激光還可在純石英光纖、藍寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、聚合物光纖、中紅外光纖等特種光纖中刻寫光柵

飛秒刻柵研究進展

目前，國外的飛秒刻柵技術(shù)較為成熟并實現(xiàn)了商業(yè)化量產(chǎn)，如加拿大的TeraXion公司，其生產(chǎn)的飛秒光柵已應用于高功率光纖激光器中，德國的FBGS公司和FemtoFiberTec公司，可為極端環(huán)境光纖傳感提供飛秒光柵產(chǎn)品。國內(nèi)的飛秒刻柵應用以高校研究為主，相關(guān)的科研單位包括吉林大學、深圳大學、華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京信息科技大學大學、西安交通大學等等。

對于常用的兩種飛秒刻柵手段，即飛秒直寫法和飛秒相位掩模法，雖然前者對加工平臺的穩(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，可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)及新型光柵的刻寫。通過位移臺的精密移動，能在光纖的任意位置刻寫任意周期和任意結(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，也為飛秒刻柵開辟了新的應用方向。

并行集成飛秒FBG

取樣飛秒FBG

啁啾飛秒FBG

螺旋藍寶石飛秒FBG

飛秒刻柵解決方案

針對飛秒刻柵新的需求，凌云光公司結(jié)合自身在光信息領(lǐng)域多年的積累和對產(chǎn)品的認識，可為客戶提供定制化的飛秒刻柵解決方案。

方案特點：
支持直寫法與相位掩模法刻柵
任意周期任意結(jié)構(gòu)光柵刻寫
高溫穩(wěn)定光柵制備
涂覆層免剝除刻柵
藍寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、中紅外光纖等特種光纖刻柵
激光功率與偏振控制
自動纖芯對焦，加速制備過程
系統(tǒng)參數(shù)：

加工效果展示：

逐點刻寫FBG顯微鏡圖

逐線刻寫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、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，同時具備擴展和升級的能力以適應新的需求。歡迎感興趣的朋友聯(lián)系我們：400 829 1996~
參考文獻
[1] Hill K O, Fujii Y, Johnson D C, et al. Photosensitivity on optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication[J]. Applied Physics Letters, 1978, 32(10):647-649
[2] Mihailov S J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments[J]. Sensors, 2012, 12(2): 1898-1918
[3] Smelser C W, Mihailov S J, Grobnic D, et al. Formation of type I-IR and type II-IR gratings with an ultrafast IR laser and a phase mask[J]. Optics Express. 2006, 13(14): 5377-5386
[4] 陳超. 耐高溫光纖光柵的飛秒激光制備及其應用研究[D]. 長春: 吉林大學電子科學與工程學院，2014
[5] Itoh K, Watanabe W, Nolte S, et al. Ultrafast processes for bulk modification of transparent materials[J]. MRS Bulletin, 2006, 31(8): 620–625
[6] He J, Xu B, Xu X, Liao C, Wang Y. Review of femtosecond-laser-inscribed fiber Bragg gratings: fabrication technologies and sensing applications[J]. Photonic Sensors, 2021, 11(2): 203–226
[7] Zhang C, Yang Y, Wang C, Liao C, Wang Y. Femtosecond-laser-inscribed sampled fiber Bragg grating with ultrahigh thermal stability[J]. Optics Express, 2016, 24(4): 3981–3988
[8] Pan X, Guo Q, Wu Y, Liu S, Wang B, Yu Y, Sun H. Femtosecond laser inscribed chirped fiber Bragg gratings[J]. Optics Letters, 2021, 46(9):2059–2062
[9] Guo Q, Liu S, Pan X, Wang B, Tian Z, Chen C, Chen Q, Yu Y, Sun H. Femtosecond laser inscribed helical sapphire fiber Bragg gratings[J]. Optics Letters, 2021, 46(19):4836–4839