基于飞秒激光刻写光纤光栅的研究进展 
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1 引言
1978年 Hill等[1]利用驻波法研制出第一根光纤光栅后,其制作工艺得到了快速发展。由于光纤光栅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、体积小、质量轻、可塑性好、与光纤系统天然兼容等特点,在光纤传感器[2]、光纤激光器[3]、光通信系统[4]等领域得到了广泛的应用。总的来说,按照光栅周期长度可分为光纤布拉格光栅(FBG)[5]和长周期光纤光栅(LPG)[6],其中FBG能够实现正向传输的模式与反向传输的模式耦合,即可以实现入射光的反射,通常用作高效率反射器;而LPG可以实现同向传输模式之间的耦合,在实际应用中通常利用其透射谱,如用作滤波器。
目前制作光栅的方法主要包括:紫外曝光法、CO2激光刻写和飞秒激光刻写[7]等。其中,紫外曝光法最为成熟,制备的光栅应用最为广泛。紫外曝光法可以实现FBG与LPG的刻写,但需要相位掩模板或者振幅掩模板的辅助,这在很大程度上影响了光栅刻写的灵活性,光栅的谐振波长由模板周期决定,此外光纤必须有光敏性,通常需要对光纤进行载氢处理,这也增加了光栅的刻写流程和难度,尤其是大芯径光纤光栅的刻写。利用紫外曝光法刻写的FBG稳定性较高,常被用于线性腔光纤激光器的反射镜[3]、波分复用器件[8]等。CO2激光器主要用于刻写LPG。早在1998年,Davis等[9]就利用波长为10.6 μm的CO2激光在普通单模光纤上刻写了LPG,由于LPG可实现纤芯模向包层模的转化,其对弯曲、温度等外界物理量十分敏感,可用于光纤传感系统中[10]。近年来,由于模分复用技术的发展,在少模光纤上刻写长周期光栅以实现基模向高阶纤芯模的转化得到了广泛关注[11]。
飞秒激光的出现为光纤光栅的制备提供了一条新途径。由于飞秒脉冲激光具有非常高的峰值功率以及非常短的脉宽,它在与透明介质相互作用时会产生非线性效应(非线性场电离和雪崩电离),从而实现材料的折射率永久性改变。飞秒脉冲激光被广泛用于微纳光学器件[12]、THz波段器件[13]、波导的制作[14],利用飞秒脉冲激光同样能够实现高质量光纤光栅的刻写。由于刻写机理的不同,飞秒激光刻写比紫外曝光法具有更高的灵活性,光纤不需要具有光敏性,因此无需对光纤进行载氢处理,光纤涂敷层也无需去除,且光栅也具有一些独特的性质,如耐高温等。总体而言,基于飞秒激光的光纤光栅制备方法分为两种实现途径:1)利用飞秒激光直接刻写;2)通过相位模板的辅助实现光栅刻写。这两种刻写方式所制作的光纤光栅具有不同的性质,应用场景也有所区别。
本文从光栅刻写方式的角度出发,对国内外基于飞秒激光的光纤光栅研制情况进行了全面综述,详细总结分析了各种刻写方式的特点与光栅的应用场合,指出其在分布式光纤传感、光纤通信波分复用、多波长激光器、大功率光纤激光器等方面具有潜在的重要应用价值和广泛应用前景。
2 飞秒激光直写
2.1 逐点刻写
早在1999年,Kondo等[15]首次提出了飞秒激光逐点刻写(PBP)技术,他们通过波长为800 nm、重复频率为200 kHz、脉宽为120 fs的飞秒激光在单模光纤上刻写了LPG,这一工作,开启了光纤光栅刻写的新纪元,光纤光栅的刻写不再受到相位模板的限制,不同谐振波长的光栅只需要调整平移台的位移速度即可实现。2004年,Aston大学的Martinez等[16]实现了飞秒激光逐点刻写FBG,他们利用波长为800 nm、重复频率为1 kHz、脉宽为150 fs的红外飞秒激光在非增敏的普通单模光纤上分别刻写了在C波段实现一阶、二阶、三阶谐振的FBG。目前,国内外有许多课题组在逐点刻写光纤光栅上进行了非常深入的探索,由于刻写的灵活性,改变刻写的条件能够方便的调控模式耦合。2008年,悉尼大学的Mattias与澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作,从实验上揭示了利用逐点刻写的type II型光栅的损耗机理,光栅谐振峰短波处的损耗是由于米氏散射,抑制这一损耗可以通过改变光栅调制区域与纤芯的交叠程度来实现[17]。2010年,耶拿大学的Thomas和澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组合作,从理论和实验上研究了逐点刻写的type II型光栅的纤芯模与包层模耦合特性,理论研究表明,在
在国内,以深圳大学王义平教授课题组为代表,对飞秒逐点刻写有非常深入的研究。2016年,该课题组利用波长为800 nm、脉宽为100 fs、重复频率为1 kHz的飞秒激光逐点刻写了采样光纤布拉格光栅(SFBG),为了有效地抑制纤芯基模和包层模的耦合,单脉冲能量为200 nJ,实验结果表明,该SFBG在1000 ℃高温退火8 h后,除了温度带来的光栅谐振波长漂移,其光谱形状没有发生任何改变,该光栅具有很高的温度稳定性[20]。2019年,该课题组创新性地在同一根光纤的纤芯内,采用逐点刻写的方法平行地写制了多个FBG,实验示意图如
图 2. 采用逐点刻写的方法制备FBG。 (a)实验装置;(b)刻写在不同位置的不同周期光栅的显微图与光谱;(c)刻写在不同位置相同周期光栅的光谱[21]
Fig. 2. FBG preparation by point-by-point writing. (a)Experimental device; (b) microscope images and reflection spectra of FBGs with different periods written in different positions; (c) spectrum of FBGs with the same period written in different positions[21]
2019年,来自俄罗斯新西伯利亚大学的Wolf等[23]在受扭转的七芯光纤上用1030 nm的飞秒激光刻写了FBG,如
2.2 逐线刻写
利用逐线刻写(LBL)的FBG最早由Aston大学的Zhou等[24]实现,
图 4. 采用逐线刻写的方法制备FBG。 (a)飞秒激光逐线刻写示意图;(b)四阶FBG显微示意图;(c)逐线刻写FBG透射谱[24]
Fig. 4. FBG preparation by line-by-line writing. (a) Schematic of femtosecond laser line-by-line inscription; (b) microscopic of fourth-order FBG; (c) transmission spectrum of line-by-line inscribed FBG[24]
2013年,比利时Mons大学的Chah等利用紫外飞秒激光逐线刻写了高双折射的FBG,其中刻写的单脉冲能量为2 μJ,光栅的线长为20 μm,栅区与纤芯间存在一定的偏移,构成了结构上的不对称性,两个布拉格谐振峰的间距为847 pm,对应的双折射为7.93×10-4。2016年,来自华中科技大学的Huang等[26]利用逐线刻写的方法在普通单模光纤上刻写了π相移光栅,光栅的线长为8 μm,光栅周期为2.144 μm,在C波段对应于光栅的第4阶谐振。
图 5. π相移光栅。(a)光栅在不同偏振态下的透射谱;(b)不同扭转角下,P1-P2的变化曲线[26]
Fig. 5. π phase shift grating. (a) Transmission spectrum of different polarization states; (b) curves of P1-P2 with different twist angles[26]
2017年,深圳大学王义平课题组在预先通过熔接机放电所形成的锥形光纤上采用逐线刻写的方法在锥形区域的两端分别刻写了相同的FBG,形成了相移FBG的效果,飞秒激光器刻写的单脉冲能量为130 nJ,光栅的周期为2.412 μm,光栅的长度为1.07 mm,飞秒激光刻写的线长为15 μm,该结构可进行应变传感,且实验发现锥区越粗对应变越敏感[27]。2019年,该课题组利用逐线刻写长度不同的光栅构成光栅阵列,通过光学后向散射反射计探测不同距离所反射的光,如
图 6. 逐线刻写光栅阵列。(a) FBG阵列编码的3位二进制编码的示意图;(b)编码111的FBG阵列的后向散射[28]
Fig. 6. Line-by-line writing grating array. (a) Schematic diagram of the encoded FBG array with a 3-bit binary coding; (b) backscattering of FBG array with code 111[28]
2.3 逐面刻写
来自塞浦路斯科技大学的Kalli课题组在飞秒激光直写方面有非常深入的探索,该课题组常用的刻写手段为逐面刻写(Pl-B-Pl)。2016年,该课题组尝试在未去涂敷层的单模光纤(SMF28)上利用飞秒激光逐面刻写的方式刻写了周期在2 μm附近、8个不同的谐振波长的光纤光栅阵列[光谱如
该课题组在聚合物光纤光栅方面有过非常多的尝试,2017年,利用飞秒激光逐面刻写的方式在多模环状透明聚合物光纤上刻写了只有一个谐振峰的布拉格光栅,常规的多模光纤里由于存在多个模式,谐振峰很难保证只有一个,利用逐面刻写的方式,在折射率调制区宽度为5 μm、周期数目为300时,反射谱上只有一个明显的谐振峰。为了改善聚合物光纤光栅的传感特性,该课题组采用了不同方法对光纤光栅的温度、应力特性进行了补偿[31];另外他们还利用飞秒逐面刻写的聚合物光纤光栅对温度、应力、扭转三参量进行同时测量[32]。
图 7. 逐面刻写光栅阵列。(a) FBG阵列[29];(b)倾斜角为7°的TFBG光谱[30]
Fig. 7. Plane-by-plane writing grating array. (a) FBGs array[29]; (b) TFBG spectrum with a tilt angle of 7°[30]
利用飞秒激光逐面刻写的光纤光栅同样也可以用于连续或脉冲光纤激光器中。2019年, Kalli团队在铒镱共掺的双包层光纤上刻写了如
图 8. 铒镱共掺的双包层光纤上刻写光栅对。(a)光栅光谱图;(b)振荡器光路;(c)斜率效率[33]
Fig. 8. Grating pair on double-clad fiber co-doped with Er and Yb. (a) Spectrum of FBGs; (b) schematic of oscillator; (c) slope efficiency[33]
2019年,上海大学牟成博团队和Kalli团队合作,在SMF28光纤上刻写了45°倾斜角的布拉格光栅,其结构和光谱、偏振相关损耗如
图 9. 实验结果。(a) 45°倾斜光栅插损与偏振相关损耗;(b)非线性偏振旋转锁模光路;(c)单孤子锁模光谱;(d)单孤子锁模自相关;(e)类噪声锁模光谱;(f)类噪声锁模自相关[34]
Fig. 9. Experimental results. (a) Polarization dependent loss and insertion loss of 45° tilt grating; (b) schematic of NPR mode-locked fiber laser; (c) optical spectrum of single-soliton mode-locked fiber laser; (d) autocorrelation of single-soliton mode-locked fiber laser; (e) optical spectrum of noise-like mode-locked fiber laser; (f) autocorrelation of noise-like mode-locked fiber laser[34]
上述逐面刻写都是通过位移平台的移动来改变聚焦位置实现的,除了这种方法还可以通过改变飞秒激光输出后的光路来实现,如
2.4 纤芯扫描刻写
利用逐点刻写FBG通常存在较大的散射损耗,对于大芯径光纤,逐点刻写带来的折射率调制区域与纤芯的面积相比非常小,因此很难达到比较强的耦合,为此澳大利亚Macquarie大学的Withford课题组与德国耶拿大学的Nolte课题组合作,提出了一种纤芯扫描的技术,来克服逐点刻写带来的散射损耗大、耦合较弱的问题。
图 10. 实验结果。(a)逐面刻写光栅的光路;(b) type I型FBG光谱;(c)改变重复频率实现type I型CFBG刻写; (d) type II型FBG光谱[35]
Fig. 10. Experimental results. (a) Schematic of plane-by-plane inscription; (b) spectrum of type I FBG; (c) spectrum of type I CFBG; (d) spectrum of type II FBG[35]
图 11. 纤芯扫描技术。(a)示意图;(c)纤芯扫描与逐点刻写的FBG光谱对比[36]
Fig. 11. Core-scanning technology. (a) Schematic of core-scanning; (b) FBG spectrum comparison of core-scanning and point-by-point [36]
Withford课题组于2016年对逐点刻写、纤芯扫描以及一种改进的纤芯扫描刻写的CFBG进行了对比,这三种方法刻写带来的折射率变化示意图如
图 12. 不同方法刻写的CFBG。(a)逐点刻写;(b)纤芯扫描;(c)改进型纤芯扫描;(d)逐点刻写CFBG的光谱;(e)纤芯扫描刻写CFBG的光谱;(f)改进纤芯扫描刻写CFBG的光谱[37]
Fig. 12. CFBG written by different methods. (a) Point-by-point; (b) core-scanning; (c) modified core-scanning spectrum of CFBG by point-by-point; (d) spectrum of CFBG by core-scanning; (e) spectrum of CFBG by modified core-scanning[37]
2.5 飞秒激光直写方式的对比
如上所述,目前常见的飞秒直写的刻写光纤光栅的方式主要包括逐点刻写、逐线刻写、逐面刻写以及纤芯扫描技术,刻写光栅所需要的能量通常都在百nJ的量级,由于激光直接和纤芯介质作用,直写带来的插损通常比较大,且容易发生包层模耦合,通过逐面刻写可以在很大程度上抑制这些问题。飞秒直写通常需要比较严格的对准,但刻写方式相对灵
活,能够比较方便的刻写出新型光纤光栅,在新概念传感领域拥有应用前景;逐点刻写的type II型光栅能够承受高温,适用于超高温度传感;通过飞秒激光直写,能够方便地制作光栅阵列,应用到准分布式传感中。刻写性质较为稳定的光栅需要通过逐面刻写的方式。目前针对纤芯扫描这种直写方式的报道较少,其刻写带来的插损较低且能抑制包层模耦合,相信未来会有更多应用。
表 1. 不同飞秒激光直写方式的对比
Table 1. Comparison of various femtosecond laser direct inscribing methods
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3 飞秒激光与相位模板结合刻写
2003年加拿大通信研究中心的Mihailov等[38]首次提出了飞秒激光和相位模板结合刻写FBG,在未载氢的光纤上,利用该方法刻写的FBG折射率调制高达1.9×10-3,且该光栅在300 ℃的环境下放置两周,光栅特性稳定没有被擦除。2004年,该机构的Grobnic等[39]改进了这一技术,通过飞秒激光聚焦点的垂直扫描,扩大了FBG折射率的调制范围,有效地抑制了纤芯模向包层模耦合。此后利用飞秒激光与相位模板技术结合的研究大量涌现,目前主要分为相位模板的静态刻写与动态刻写两大类,刻写出来的光栅在传感与激光器系统中都得到了应用。
3.1 静态刻写
2016年,深圳大学王义平课题组利用800 nm的飞秒激光与周期为1070 nm的相位模板刻写了不同性质的光栅。单脉冲能量为267 μJ,曝光时间为600 s时,可以可写出带宽为5.02 nm的宽带FBG。另外,单脉冲能量为220 μJ时,预先曝光60 s后,再次用相同的能量曝光180 s可以刻写出偏振相关的相移FBG,实验发现其光谱在电矢量平行于入射面(TM)偏振下才表现出相移的特性,而电矢量垂直于入射面(TE)偏振下不存在这一特性,并且这种光栅具有负折射率调制的特性,随着温度的升高,光谱的中心波长发生蓝移[40]。2017年,该课题组利用800 nm的飞秒激光器与周期为1070 nm、0级衍射低于4%的相位模板在双芯少模光纤中的一个纤芯上刻写了FBG,如
图 13. 双芯少模光栅。(a)实验光路;(b)局部放大图[41]
Fig. 13. Twin-core FMFBG. (a) Experimental optical path; (b) partial enlarged view[41]
吉林大学孙洪波课题组通过800 nm、重复频率为100 Hz的飞秒激光以及周期为3.33 μm的相位模板,通过调整光纤与模板之间的距离,实现了±1级衍射光干涉干涉诱导的主光栅结构与0级衍射光辅助诱导光栅的叠加,该“复合叠印光栅”在很宽的光谱范围上交错出现这两类衍射所形成的高阶谐振。当单脉冲能量高于0.5 mJ时,0级衍射所形成的光栅谐振非常明显,并且偶数阶的谐振会与±1级衍射所形成的光栅高阶谐振重叠,该光栅结构具有很好的高温特性,可用于超高温度传感,此外还能用于轴向应力以及压力传感。利用该方法同样可以实现高阶倾斜光栅,由于光谱上存在很多纤芯模与包层模的谐振,该光栅结构可用于折射率传感,以及温度、应变传感[43]。
2017年,西北工业大学的赵建林课题组利用800 nm的飞秒激光与周期为2.142 μm的相位模板在直径为20 μm的少模光纤上刻写了长度为8 mm的FBG,除了基模与LP11模各自的自耦合,还出现了纤芯模与包层模的耦合,该结构可以进行折射率、温度、应变的传感[44]。2019年,该课题组利用同样的方式在少模光纤上刻写了二模光纤布拉格光栅(TMFBG),如
图 14. TMFBG。(a)刻写TMFBG示意图;(b)TMFBG光谱图[45]
Fig. 14. TMFBG. (a) Schematic of TMFBG inscription; (b) spectrum of TMFBG[45]
由于空气孔的影响以及非线性吸收过程,利用紫外光很难在光子晶体光纤的纤芯中刻写FBG,但是通过飞秒激光可有效的避免这些问题。2018年,来自比利时布鲁塞尔自由大学的 Baghdasaryan等[46]利用波长为1030 nm、脉宽为190 fs、重复频率为100 Hz的飞秒激光与周期为2.175 μm的相位模板,通过调整光纤的朝向,在六边形晶格的光子晶体光纤中刻写了透射深度为4 dB的FBG。
2019年,以色列本古里安大学的Montz等[47]利用800 nm的飞秒激光进行三倍频处理得到266 nm的紫外飞秒激光,通过该紫外飞秒激光与周期为1074.2 nm的相位模板分别在去除涂敷层和保留涂敷层的SMF28光纤上刻写了反射率为0.75%的FBG[光谱如
图 15. 实验结果。(a)保留涂敷层(蓝)与去除涂敷层(黑)的光谱;(b)斜率效率与实验光路[47]
Fig. 15. Experimental results. (a) Spectrum of FBG (blue is with coating, black is without coating);(b) slope efficiency and schematic of oscillator[47]
静态刻写的光栅通常长度受到飞秒激光的光斑大小的限制,为了解决这一问题,2019年,加拿大国家研究委员会的Mihailov课题组通过对飞秒激光扩束并与相位模板结合刻写了长度为15 mm的FBG,实验中所用的飞秒激光的波长为800 nm,重复频率为1 kHz,脉宽为80 fs,在刻写过程中TE偏振与TM偏振的光的单脉冲能量分别为0.87 mJ与1.1 mJ,该光栅纤芯模和各包层模的耦合深度超过30 dB,光谱范围达到250 nm,此外该光栅在1000 ℃的环境下,光谱不会发生退化[48]。
3.2 动态刻写
通过静态刻写的光栅在光纤的径向分布与轴向分布都比较受限,为了让光栅折射率调制区域与纤芯的模式有较大的交叠,飞秒激光在纤芯中的聚焦位置需要改变以提高折射率区域的面积,如果需要刻写较长的光栅如啁啾光栅,必须通过相位模板扫描技术。
2019年,以色列本古里安大学的Halstuch等[49]利用如
飞秒激光相位模板扫描技术最早于2006年,由耶拿大学提出,如
图 16. 在未去涂敷层的光纤上刻写FBG。(a)刻写光栅光路;(b)重复频率为1 kHz,曝光时间为5 min的光谱;(c)重复频率为500 Hz,曝光时间为10 min的光谱[49]
Fig. 16. Writing FBG on the optical fiber without decoating. (a) Schematic of FBG inscription; (b) spectrum of FBG with repetition rate 1 kHz and exposure time 5 min; (c) spectrum of FBG with repetition rate 500 Hz and exposure time 10 min[49]
图 17. 飞秒激光相位模板扫描技术。(a)相位模板扫描刻写示意图;(b)光栅透射谱以及透射深度随光栅长度的变化[50]
Fig. 17. Femtosecond laser phase template scanning technology. (a) Schematic of phase mask scanning technology; (b) transmission spectra and transmission over length[50]
同年,该课题组利用相位模板扫描技术在掺铒光纤(EDF)上刻写了FBG,实现了连续激光的输出。所用的模板的周期为2.15 μm,单脉冲能量为600 μJ,移动速度v=4 mm/min,其透射谱如
2013年,该课题组利用800 nm波段、脉宽为120 fs的飞秒激光与相位模板扫描技术结合实现了大模场掺镱光纤(20/400)的FBG刻写,FBG的中心波长为1078.7 nm、反射率为96%、半峰全宽(FWHM)为0.8 nm,通过976 nm的泵浦源对掺镱光纤进行泵浦,可以实现斜率效率为78%,受到泵浦源最大功率的限制,激光器最大输出功率为514 W,由于温度效应的影响,激光器的中心波长为1080.5 nm,带宽为220 pm[52]。2019年,该课题组利用中心波长为1.473 μm、啁啾率为2.3 nm/cm的相位模板与飞秒激光在20/400大模场掺镱光纤上刻写了带宽为5 nm、中心波长为1070 nm的CFBG,其光谱如
图 18. 相位模板扫描技术。(a)掺铒光纤刻写FBG透射谱;(b)激光器示意图;(c)斜率效率[51]
Fig. 18. Phase mask scanning technology. (a) Transmission spectrum of FBG in EDF; (b) laser experiment setup; (c) slope efficiency[51]
除了作为激光器的腔镜,飞秒激光与相位模板扫描技术刻写的光栅还能用于泵浦反射镜。2019年,加拿大拉瓦尔大学的Talbot等[54]利用BBO晶体对806 nm的飞秒激光倍频,得到403 nm、脉宽为40 fs的飞秒激光,然后通过与中心波长为674 nm的啁啾相位模板,在双包层掺铒光纤的内包层刻写了啁啾布拉格光栅,其光谱如
图 19. 实验结果。(a) CFBG光谱;(b)激光器光路;(c)高功率激光器斜率效率[53]
Fig. 19. Experimental results. (a) Spectrum of CFBG; (b) laser experiment setup; (c) slope efficiency[53]
3.3 飞秒激光相位模板刻写技术对比
相位模板动态刻写技术是对相位模板静态刻写技术的升级。由于飞秒激光器输出的光斑大小有限,如果只通过静态刻写,很难实现啁啾光纤光栅等删区长度要求比较大的光栅的制备,这也限制了飞秒激光与相位模板结合刻写的光栅的应用,相位模板动态刻写技术能够有效的解决这一问题。目前绝大多数通过相位模板动态刻写的光栅都应用于光纤激光器中,而通过静态刻写方式的光栅通常用于传感领域。
图 20. 实验结果。(a)内包层CFBG光谱;(b)激光器光路[54]
Fig. 20. Experimental results. (a) Spectrum of inner-cladding CFBG; (b) laser experiment setup[54]
表 2. 相位模板刻写技术的对比
Table 2. Comparison between phase mask writing methods
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表 3. 国内外飞秒激光刻写光纤光栅的进展情况
Table 3. Development of fiber gratings inscribed by using femtosecond laser
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表 4. 飞秒激光直写与相位模板辅助刻写技术的对比
Table 4. Comparison between direct inscribing and phase mask assisted writing
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4 结束语
飞秒激光技术的发展为光纤光栅的刻写来了极大的便利,大大促进了光纤光栅的发展。
基于对飞秒激光刻写的光纤光栅进展情况的总结分析,我们认为在未来飞秒激光刻写光纤光栅会朝以下几个主要方向发展:1)利用直写技术刻写长距离或者阵列型的FBG和LPG,以进行分布式或准分布式的光纤传感;2)飞秒激光和相位模板结合刻写控制模式与耐高功率的光纤光栅,并在大功率激光器中得到应用;3)利用飞秒激光器制作光栅、波导等高度集成的光纤器件用于高速光通信系统。我们相信,随着飞秒激光技术和刻写工艺的不断发展,基于飞秒激光刻写的光纤光栅在各实际工程系统中得到越来越多的应用,必将大大推动光纤光栅及其应用的快速发展。
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