飛秒激光刻寫長周期光纖光柵的應變特性

陸君輝， 施解龍， 陳圓圓， 孫偉勝

(上海大學理學院，上海200444)

長周期光纖光柵(long period fiber gratings，LPFGs)在光纖通信和傳感領域中有著廣泛的應用，如帶阻濾波器、增益平坦器及光纖傳感器等.1996年，Vengsarkar等［1］首次使用紫外準分子激光器在光敏光纖中寫入LPFGs，標志著LPFGs時代的到來.在以往的LPFGs制作時，需要在剝去涂覆層，形成裸光纖后，再進行激光寫入.該方法刻寫的LPFGs在環境折射率發生改變時，其諧振波長會出現偏移，同時大大降低了光纖的機械強度，因此，人們嘗試在涂覆層光纖中直接寫入光柵，其中主要的方法是選擇對光源而言透明的材料作為光纖涂覆層［2-3］.但是，該方法增加了光纖的生產成本和工藝難度.

隨著激光器性能的不斷提高，CO2激光器以及飛秒激光器等新型光源被廣泛用于制作LPFGs，得到的光纖光柵在熱穩定性和抗老化性方面均優于紫外激光器刻寫的光纖光柵［4-7］.飛秒激光器具有與材料作用時間短、沒有熱擴散等諸多優點，這使其成為了制備LPFGs的理想工具.1999年，Kondo等［6］首次使用紅外飛秒激光寫入了LPFGs，發現使用該方法刻寫的光纖光柵具有很好的熱穩定性和抗老化性.之后，不同波長的飛秒激光被用于LPFGs的制作，得到了各種不同性能的LPFGs［8］.

本研究采用飛秒激光透過涂覆層在光纖中直接寫入了LPFGs.由飛秒激光導致的透明材料的折射率變化是一個非線性吸收過程，因此，光纖光柵的寫入閾值依賴于激光的功率密度［9］.同樣，涂覆層對激光能量的吸收程度也取決于功率密度的大小.Kondo等［6］嘗試在低倍顯微鏡的情況下，在光纖中直接寫入LPFGs，但大部分的激光能量被涂覆層吸收，導致了涂覆層融化而纖芯的折射率卻沒有改變的結果，原因主要是因為激光能量的聚焦程度不夠.因此，本研究嘗試通過提高飛秒激光的聚焦程度，減少涂覆層吸收的激光能量，從而使激光能量能夠被光纖纖芯有效地吸收.

本研究使用高倍顯微物鏡增強激光的聚焦程度以及焦點的準直定位，在含涂覆層的光纖中用紅外飛秒激光直接寫入LPFGs，并通過理論和實驗，分析了含涂覆層LPFGs的應變特性.結果表明，含涂覆層的LPFGs的抗拉強度大大優于去除了涂覆層的LPFGs，同時，涂覆層的存在也有效地抑制了LPFGs外加應變后的波長漂移.該LPFGs經進一步改進后，可用作帶阻濾波器、增益平坦器或溫度傳感器，其器件的機械可靠性及波長穩定性將大大增強.

1 實驗原理

本實驗裝置如圖1所示.實驗用的光纖為標準通信光纖(Corning SMF-28e)，纖芯直徑為8.3 μm，包層直徑為125 μm，涂覆層的直徑為242 μm.飛秒激光脈沖由摻鈦藍寶石固體激光器產生，其脈沖寬度為120 fs，波長為800 nm，重復頻率為1 kHz.激光輸出功率可通過中性密度濾波器來調節.本實驗中，光纖被置于計算機控制的高精度三維移動臺上(移動精度可達0.1 μm).激光光束通過光路被導入顯微鏡系統，通過100倍的顯微物鏡(物鏡數值孔徑為0.9)聚焦到纖芯中.在光纖光柵的刻寫過程中，LPFGs透射譜可由一個寬帶光源(1 250～1 600 nm)和一個安捷倫光譜儀(HP86142B型)實時監控.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of the experimental setup

首先，本研究分析了激光在光纖處的聚焦情況.激光聚焦的幾何圖形［9］如圖2所示，其中本研究將激光焦點近似為圓形.根據光斑直徑與激光波長、物鏡數值孔徑的關系，在100倍顯微物鏡聚焦后，激光焦點照射在纖芯端面的束斑直徑ω0約為1 μm.涂覆層外表面a區和內表面b區的束斑直徑分別約為60和30 μm.由此可知，涂覆層外表面ωa和內表面ωb的激光功率密度分別約為激光焦點處的1/3 600和1/900.纖芯和涂覆層之間的激光功率密度相差非常大，因此，涂覆層對于激光能量的吸收將大大減小，激光能量能夠更有效地聚焦到纖芯，使纖芯的折射率發生改變，使得在含涂覆層光纖中直接寫入LPFGs成為可能.

圖2 激光在光纖處的聚焦圖形Fig.2 Geometric figure of beam focusing

2 實驗與分析

在100倍顯微物鏡的聚焦條件下，本研究使用飛秒激光在含涂覆層光纖中逐點刻寫了LPFGs，其中LPFGs的長度為20 mm，光柵周期為500 μm，逐點曝光時間為4 s，激光功率設為2 mW.用同樣的方法在50倍顯微物鏡下寫入含涂覆層的LPFGs.圖3所示為在50倍和100倍顯微物鏡下寫入光柵后，在20倍顯微物鏡下觀察到的光纖涂覆層的損傷情況.由圖3(a)可以看出，在50倍顯微物鏡的聚焦下，涂覆層出現了融化的現象，說明激光能量的聚焦程度不夠，而圖3(b)中的光纖涂覆層則保存完好.之后，本研究通過100倍顯微物鏡在裸光纖中寫入了LPFGs.該光柵的長度同樣為20 mm，光柵周期為500 μm.考慮到沒有涂覆層對能量的吸收損耗，此時的激光功率相對較弱［9］.圖4所示為實驗中刻寫的兩種LPFGs的透射譜.可見，去除了涂覆層后的LPFGs透射譜的光柵的最大附加損耗約為-2.5 dB，在1 360 nm附近有一個-18 dB的諧振峰，在1 480與1 600 nm附近有約-5 dB的諧振峰;含涂覆層的LPFGs透射譜的光柵的最大附加損耗約為-3 dB，在1 330 nm附近有一個-17 dB的諧振峰，在1 430與1 550 nm附近有約-5 dB的諧振峰，譜線的形狀與前者大致相同.但研究發現，圖4中含涂覆層的LPFGs的諧振波長出現了向短波長偏移的情況.這是因為LPFGs的諧振波長位置容易受到環境折射率的影響，當包層外物質折射率接近包層折射率時，光柵諧振波長的偏移較為明顯［10］.由于涂覆層的折射率接近包層折射率，因此，涂覆層的存在會使諧振波長產生一定的偏移.

圖3 顯微物鏡聚焦下寫入的含涂覆層的LPFGsFig.3 Coated LPFGs written under microscope objectives

在成功地制備了含涂覆層的LPFGs后，本研究通過理論和實驗，分析了含涂覆層的LPFGs的應變特性，并與去除了涂覆層的LPFGs進行比較.理論上，LPFGs的諧振波長隨應變的漂移量主要是由纖芯包層的彈光效應以及光纖光柵的彈性形變共同決定的.諧振波長 λres和光柵周期 Λ的相位匹配條件［11］可表示為

圖4 去除涂覆層和含涂覆層的LPFGs的透射譜Fig.4 Transmission spectrum of uncoated and coated LPFGs

因此，外加應變Δεg諧振波長的變化量為

圖5為實驗測得的含涂覆層和去除涂覆層的LPFGs諧振波長漂移量隨外加軸向應變的變化.實驗中選用的含涂覆層和去除涂覆層的LPFGs的周期均為500 μm，光柵長度為20 mm，實驗觀察的諧振波長選在1 350 nm附近.由圖5可知，在一定的應變范圍內，這兩類LPFGs的峰值波長漂移都具有良好的線性響應特性，其中去除涂覆層的LPFGs所能承受的最大應變約為5 400 με，含涂覆層的LPFGs斷裂時所受的最大應變約為11 000 με.由擬合曲線斜率，可以得出去除涂覆層和含涂覆層的LPFGs的應變靈敏系數分別約為-0.468和-0.165 pm/με.

圖5 兩類LPFGs諧振波長漂移量隨軸向應變的變化Fig.5 Shift of the resonant wavelength of uncoated and coated LPFGs with strain

圖5中所示的兩類LPFGs的諧振峰波長隨外加應變都向短波長方向偏移，這一結果和前面的理論分析吻合，但二者的響應曲線有所不同.涂覆層作為光纖的保護緩沖層，它的存在使LPFGs擁有更好的抗拉性，能夠承受裸光纖光柵2倍多的軸向應變，達到11 000 με，這就意味著含涂覆層的LPFGs應用在各類環境中時，比普通LPFGs有著更加高的機械可靠性.

涂覆層的存在不僅增強了LPFGs的機械強度，而且有效地抑制了LPFGs外加應變后的波長漂移.對于含涂覆層的光纖光柵，在外加軸向應變時會出現涂覆層與包層纖芯間的相對位移［12］.圖6所示為含涂覆層的光纖外加應變時，涂覆層與纖芯包層的位移量，其表達式如下：

位移量δm(z)和δg(z)由式(6)得出［12］：

將式(6)代入式(5)，可得

式中，δm(z)為整個光纖(含涂覆層的光纖光柵)外加應變時的位移量，δg(z)為裸光纖光柵的實際位移量，ηp(z)為相對位移量，εm為整個光纖所受到的應變，εg為裸光纖光柵所受到的應變.很明顯，當去除涂覆層的LPFGs外加應變εm時，ηp(z)=0，其裸光纖光柵受到的應變εg=εm;當含涂覆層的LPFGs外加同樣應變εm時，其裸光纖光柵所受到的實際應變εg＜εm.由式(4)可知，在受到外界相同應變的情況下，含涂覆層的LPFGs的諧振波長漂移小于去除涂覆層的LPFGs，理論分析和實驗結果吻合.事實證明，涂覆層的存在有效地抑制了LPFGs外加應變后的波長漂移，經進一步改進后，可用作帶阻濾波器或增益平坦器，器件將具有良好的波長穩定性.此外，含涂覆層的LPFGs用作溫度或扭曲傳感器時，能夠在一定程度上有效地減少由軸向應變造成的交叉干擾信號，具有良好的應變不敏感性.

圖6 涂覆層與裸光纖之間的相對位移Fig.6 Relativedisplacementsbetween coating and glass fiber

3 結束語

在高倍顯微鏡的聚焦下，本研究成功地在含涂覆層光纖中用紅外飛秒激光逐點寫入LPFGs，得到了形狀規則的光柵透射譜.通過理論和實驗分析，研究了含涂覆層的LPFGs的應變特性.實驗結果表明，含涂覆層的LPFGs所能承受的最大應變為11 000 με，約為去除涂覆層的LPFGs的兩倍多.同時，涂覆層的存在有效地抑制了LPFGs外加應變后的波長漂移，成功地將其應變靈敏系數降為0.165 pm/με.這些優勢預示著含涂覆層的LPFGs將在光纖通信和傳感領域中具有廣泛的應用前景.

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