超短光纖光柵刻寫及其切趾方法研究

李 江,辛璟燾,吳 昊,祝連慶

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室,北京 100192； 2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室,北京 100016)

1 引 言

與傳統(tǒng)的電傳感器相比,FBG傳感器具有許多獨特的優(yōu)勢[1-4],不受電磁干擾、抗輻照、體積小、質(zhì)量輕和準(zhǔn)分布式測量[5-7]，在航空航天和安全監(jiān)測等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

FBG的光譜特性對于其傳感應(yīng)用非常重要,采用光譜重構(gòu)方法進(jìn)行傳感解調(diào)時,高反射率和較窄的光譜為解調(diào)精度提供了便利。為了確保窄光譜寬度和高反射率,FBG的長度應(yīng)達(dá)到厘米的數(shù)量級。但是,光柵長度過長容易使FBG傳感器在封裝時產(chǎn)生啁啾[8-10],引起反射光譜的展寬和分裂[11],從而影響了解調(diào)精度。同時,超短光纖光柵還可提高非均勻場測量的空間分辨率[12]。在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、精密感知等領(lǐng)域,需要有很多毫米級小尺寸部位的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,以及光柵內(nèi)埋的復(fù)合材料損傷識別的需求要對測點位置進(jìn)行精確定位。對比于常規(guī)光纖光柵,超短光纖光柵的反射率低、反射譜寬,旁瓣顯著,光譜覆蓋數(shù)十納米,不利于傳感復(fù)用和解調(diào),因此需要對超短光纖光柵進(jìn)行切趾[13-14]。

2013年,武洪波等人采用二次曝光法進(jìn)行2 mm光柵的切趾,實現(xiàn)了邊模抑制比大于20 dB的光纖光柵制作[15]。2017年,敬世美等采用飛秒激光制作了超短光纖光柵,并完成過了溫度和應(yīng)變傳感特性測試[16]。2018年以來,本課題組研究了毫米量級的超短光纖光柵制作,并將其用于高空間分辨率溫度場的監(jiān)測[17-18]。為了進(jìn)一步減小刻寫光柵的尺寸和抑制反射譜的旁瓣。本文使用光闌遮擋、調(diào)節(jié)光柵與掩模板間距的方法實現(xiàn)了50 μm的超短光纖光柵制作。并通過單縫衍射調(diào)制光束強(qiáng)度分布的方法進(jìn)行光柵切趾,實現(xiàn)了邊模抑制比大于30 dB的0.5 mm光柵的刻寫。

2 超短光纖光柵光譜特性

本文采用傳輸矩陣?yán)碚?對超短光纖光柵的反射光譜進(jìn)行仿真。分別仿真了柵區(qū)長度為0.2 mm、0.5 mm以及柵區(qū)長度為0.05 mm、0.1 mm兩組光纖,在折射率調(diào)制深度為2×10-3的條件下,反射光譜仿真結(jié)果如圖1所示,兩組光纖的反射率分別為57 %、19 %與7 %、2 %,對應(yīng)的3 dB帶寬分別為1.8 nm、4.0 nm與7.4 nm、14.7 nm。從圖1(a)、(b)可以看出均勻超短光纖光柵的光譜有明顯的旁瓣。對光柵進(jìn)行切趾可抑制其旁瓣,如圖2是柵區(qū)長度為0.5 mm、0.2 mm的采用高斯函數(shù)切趾處理的光柵反射譜仿真圖,其反射率分別為22 %、6 %,對應(yīng)的3 dB帶寬分別為2.3 nm、5.5 nm。為了更好地從仿真圖中辨識切趾光柵的邊模抑制,采用對數(shù)光強(qiáng)單位,從圖2可以看出,采用高斯函數(shù)切趾可以實現(xiàn)30 dB的邊模抑制比。

圖1 均勻超短光纖光柵反射光譜仿真圖

圖2 高斯切趾超短光纖光柵反射光譜仿真圖

3 超短光纖光柵刻寫

光纖光柵刻寫系統(tǒng)如圖3所示,準(zhǔn)分子激光器輸出的激光經(jīng)過可調(diào)光闌、空間濾波及整形模塊后形成一個長方形均勻光斑。該光斑再經(jīng)過幅度掩模板后形成與幅度模板形狀一致的光斑,并經(jīng)過柱透鏡聚焦后經(jīng)過相位掩模板,相位掩模板的±1級衍射形成干涉條紋。當(dāng)該干涉條紋輻照具有光敏性的光纖一段時間后,就可以在光纖中形成不同強(qiáng)度的光纖光柵,最終光纖光柵的類型和參數(shù)將決定于光纖和干涉條紋的相對位置關(guān)系、相位掩模板的周期、輻照時間等因素。

圖3 光柵刻寫系統(tǒng)原理圖

裝置示意圖如圖4所示,4個焦距為100 mm的柱面鏡,在柱面鏡1和柱面鏡2中心處放置50 μm的水平狹縫,在柱面鏡3和柱面鏡4中心處放置50 μm豎直狹縫,經(jīng)過上述4f系統(tǒng),出射光束為矩形光束,其空間相干性和均勻性均大幅提高。

圖4 基于柱面鏡的4f系統(tǒng)濾波擴(kuò)束裝置

為了實現(xiàn)超短光柵的刻寫,在距離掩模板前表面1 mm處,放置寬度分別為500 μm、200 μm的狹縫,并通過調(diào)節(jié)光纖與掩模板之間的距離,來縮小光纖上的有效曝光長度。其原理如圖5所示,光束經(jīng)過掩模板后的衍射關(guān)系可用光柵方程式(1)表示:

dsinθ=mλ

(1)

其中,d為狹縫間距;m為整數(shù);θ為光束衍射角;λ為光束的波長。本文中d=1070.3 nm,m=1,λ=248 nm。當(dāng)光纖距離掩模板距離為D時,根據(jù)圖4的幾何關(guān)系,可以求得,刻寫光柵的有效柵區(qū)長度Leff由式(2)計算為:

(2)

其中,L是入射到掩模板激光束的長度。實驗中L分別設(shè)定為0.5 mm、0.2 mm,使用不同類型的光纖進(jìn)行光柵刻寫。如圖6是不同光纖在激光脈沖能量50 mJ、重復(fù)頻率為25 Hz、曝光時間為200 s的情況下,刻寫的不同柵區(qū)長度的超短光纖光柵的反射光譜。隨著光柵長度的縮短,光柵的反射率降低、光譜帶寬增加。相比于Corning SMF-28e光纖,在相同的曝光參數(shù)下,Corning HI106FLEX光纖刻寫的FBG具有更高的反射率。因此本文采用Corning HI106FLEX進(jìn)行超短光纖光柵的刻寫。

圖5 調(diào)節(jié)光纖-掩模板距離的方法刻寫超短光柵原理圖

圖6 超短光纖光柵的反射光譜圖

4 超短光纖光柵切趾

目前常用的光柵切趾方法有逐點刻寫法、二次曝光法等。其中二次曝光法具有操作靈活,邊模抑制比高等優(yōu)點,是目前大批量生產(chǎn)切趾光柵的常用方法。上述切趾方法適用于柵區(qū)長度較長的光柵切趾。對于柵區(qū)長度為1 mm以下的光柵,上述方法并不適用。本文提出一種利用單縫衍射調(diào)制紫外激光強(qiáng)度分布的超短光柵切趾方法。采用商用掩模板和光闌等裝置實現(xiàn)了邊摸抑制比大于30 dB的光柵切趾。單縫衍射的光強(qiáng)分布呈現(xiàn)sinc2函數(shù),可將其主峰用于切趾光柵的刻寫。通過角譜衍射理論數(shù)值模擬尋找主峰寬度為0.5 mm的單縫衍射光路結(jié)構(gòu)。最終確定光束經(jīng)過0.2 mm直徑的狹縫后,在距離其20 mm位置上的主峰寬度為0.5 mm,光強(qiáng)分布如圖7所示,其強(qiáng)度分布近似為sinc2函數(shù)。通過在相位掩模板前增加0.5 mm寬度光闌的方法,消除sinc2函數(shù)光場的旁瓣,再進(jìn)行光柵的刻寫。

圖8是超短光柵的反射光譜圖,圖8(a)為柵區(qū)長度為0.5 mm的反射光譜圖,其邊模抑制比大于25 dB。通過調(diào)節(jié)衍射狹縫與掩模板間距將刻寫光柵的有效長度調(diào)節(jié)至0.2 mm,圖8(b)為柵區(qū)長度為0.2 mm的反射光譜圖,其邊模抑制比大于15 dB。隨著光纖與衍射狹縫距離的進(jìn)一步增加,光柵切趾效果顯著下降。

圖7 經(jīng)過單縫衍射后的光強(qiáng)分布

圖8 sinc2切趾超短光纖光柵仿真反射光譜圖

5 結(jié) 論

本文采用準(zhǔn)分子激光和相位掩膜板等裝置制作超短光纖光柵,通過設(shè)置狹縫光闌和調(diào)節(jié)掩模板與光纖距離的方法控制刻寫光柵的有效長度,適用于百微米量級光纖光柵的刻寫,實現(xiàn)了光柵長度為50 μm、3 dB帶寬為14 nm的超短光纖光柵刻寫。通過單縫衍射的方法控制光束強(qiáng)度的分布,從而對光柵進(jìn)行切趾,此方法可以實現(xiàn)邊模抑制比大于30 dB、長度為0.5 mm的光柵刻寫。本文研究的超短光纖光柵的刻寫與切趾方法,為超短光纖光柵在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了重要支持。