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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能對特定的波長進(jìn)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(bǔ)償器）、光纖傳感（溫度、應(yīng)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(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(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的光柵提高反射率，影響了FBG的實(shí)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(jìn)行光柵刻寫，實(shí)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(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(jìn)一步成熟，飛秒刻柵也開始步入實(shí)用化開發(fā)和應(yīng)用階段。
(左)飛秒激光相位掩模法，(右)飛秒激光直寫法 ▲
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飛秒刻柵和紫外刻柵對比
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。
紫外刻柵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)過載氫或重?fù)诫s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(yīng)。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(gè)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(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，被稱為Type I型光柵；當(dāng)脈沖能量較高，超過材料損傷閾值后，能產(chǎn)生等離子形成長久性的折射率改變，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(dá)到光纖的軟化溫度，對于石英光纖約1000℃，對于藍(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，適用于特殊環(huán)境應(yīng)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(jī)械強(qiáng)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(lán)寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、聚合物光纖、光纖等光纖中刻寫光柵
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飛秒刻柵研究進(jìn)展
Femtosecond Fiber Grating
目前，國外的飛秒刻柵技術(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。國內(nèi)的飛秒刻柵應(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(shí)現(xiàn)復(fù)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(diǎn)，也為飛秒刻柵開辟了新的應(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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飛秒刻柵
解決方案
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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(rèn)識，可為客戶提供定制化的飛秒刻柵解決方案。
點(diǎn)擊查看大圖▲
方案特點(diǎn)：
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(lán)寶石光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、光纖等光纖刻柵
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(diǎn)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(shí)具備擴(kuò)展和升級的能力以適應(yīng)新的需求。歡迎感興趣的朋友聯(lián)系我們~
參考文獻(xiàn)
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