[发明专利]束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅制备技术领域，具体涉及一种束斑优化聚焦的飞秒红外激光逐点刻写光纤光栅系统。

背景技术

光纤Bragg光栅（FBG）是最近十多年来发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。1978年，Hill等人首先用氩离子激光器通过驻波法写出了FBG。1989年，Meltz等人采用全息干涉法，制出第一支Bragg谐振波长位于通信波段的FBG，推动了FBG的巨大发展，开创了FBG应用的里程碑。1993年，Hill等人提出用相位掩模板法写FBG，使FBG的制作技术得到了极大改进和能够大批量生产。1993年，Malo等人提出了利用准分子激光逐点刻写FBG。

一直以来紫外激光是刻写FBG最常用的工具，但它有一定的缺陷。首先，FBG高度依赖于光纤纤芯中掺杂的材料性质；其次，在高温工作时，光栅中的折射率调制很容易被擦除（一般小于200°C）。

近几年的研究显示，当高强度飞秒激光脉冲作用在介质上时，介质材料内局部折射率能够发生改变。1999年，Yuki等人第一次报道了利用飞秒激光脉冲通过逐点写入法制作了长周期光纤光栅。接着利用飞秒激光脉冲制作FBG的方法层出不穷，主要有：全息干涉法、相位掩模板法、直接逐点刻写法。

Mihailov等人第一次利用800nm的红外飞秒激光与特殊的相位掩模板在标准SMF-28通信光纤上制作了高阶FBG。对于800nm飞秒激光，必须制作特殊的相位掩模板，不需要对光纤进行任何增敏，光纤折射率调制能够达到10^-3量级。光栅在高温下长时间退火实验折射率调制没有任何变化。随着入射飞秒脉冲数的增长，反射率线性增长，折射率调制没有饱和。利用光学显微镜观察，发现折射率调制并没有局限于纤芯与包层的分界面，而是扩展到光纤的整个纤芯，同时也能够观察到空气-包层表面的结构调制，这种大的结构改性在高温时非常稳定的，不易退化，因此具有较高的热稳定性。并且制作的光栅呈现低的偏振相关性，光谱质量也好，与标准紫外光刻写的FBG的光谱质量差不多。

Grobnic等人详细地研究了飞秒激光与相位掩模板刻写的FBG(SMF-28光纤)的热稳定性。经过几百小时的高温退火后，FBG仍然很稳定，保持了极高的反射率。当温度达到1050°C或更高时(硅玻璃的转变温度为1050°C)，才观察到光栅中心波长永久漂移，导致波长响应滞后效应的发生，同时伴随光栅强度的剧烈减少，光栅折射率调制被擦除，限制了光栅在1000°C以上的应用。Grobnic等人还利用该方法第一次在多模水晶蓝宝石光纤上制作了FBG，在1500°C高温应用中，没有发现FBG的反射率降低，没有发现布拉格波长的滞后作用，没有观察到光栅强度的退化。实验发现在2000°C左右(蓝宝石光纤的熔化温度为2050°C)光栅仍能正常工作，所以它特别适合于高温传感测量。

Martinez等人在实验上第一次采用红外飞秒激光器在非光敏标准通信光纤和色散位移光纤中直接逐点刻写了一到三阶FBG，刻写的速度达到1mm/s。光栅结构被局限在聚焦区域，由于飞秒激光刻写光栅的物理机制包括非线性吸收和多光子电离，因此刻写的光栅形貌并不是激光光束强度轮廓线的线性再生。用800nm飞秒激光能够产生大小为0.3μm的形貌，超出了衍射极限给出的分辨率，因此飞秒激光加工可以突破光束衍射极限的限制。

Martinez等人还第一次利用红外飞秒激光直接通过光纤的涂覆层(涂覆层不用剥除)逐点刻写FBG，可增加光栅的机械强度，使它能够承受更大的应变。但刻写时需要的脉冲能量近似为相同裸光纤(除掉涂覆层)的两倍，以弥补聚合物涂覆层的功率损耗。

Kaiming Zhou等人提出用飞秒红外激光逐线（line-by-line）刻写光纤光栅。相对于逐点刻写，具有低插入损耗（0.5dB）和低偏振相关损耗，折射率调制达7×10^-3，湮灭温度达800°C。

张玲等人采用聚焦的红外飞秒激光对紫外激光刻写的Ⅰ型光纤布拉格光栅分别进行了单点和扫描式曝光实验，研究了飞秒激光脉冲能量远低于光纤的损伤阈值情况下，脉冲激光对光栅光谱的影响。朱学华等人采用800nm钛宝石飞秒激光器，在Hi1060光纤内写入一支8mm长的布拉格光栅,光纤光栅的周期为2.9μm,这是中心波长为1042nm的8阶光纤布拉格光栅。

国内的华中科技大学和哈尔滨工业大学也对红外飞秒激光刻写FBG作了很多研究。