飞秒激光刻写长周期光纤光栅的应变特性

陆君辉， 施解龙， 陈圆圆， 孙伟胜

(上海大学理学院，上海200444)

长周期光纤光栅(long period fiber gratings，LPFGs)在光纤通信和传感领域中有着广泛的应用，如带阻滤波器、增益平坦器及光纤传感器等.1996年，Vengsarkar等［1］首次使用紫外准分子激光器在光敏光纤中写入LPFGs，标志着LPFGs时代的到来.在以往的LPFGs制作时，需要在剥去涂覆层，形成裸光纤后，再进行激光写入.该方法刻写的LPFGs在环境折射率发生改变时，其谐振波长会出现偏移，同时大大降低了光纤的机械强度，因此，人们尝试在涂覆层光纤中直接写入光栅，其中主要的方法是选择对光源而言透明的材料作为光纤涂覆层［2-3］.但是，该方法增加了光纤的生产成本和工艺难度.

随着激光器性能的不断提高，CO2激光器以及飞秒激光器等新型光源被广泛用于制作LPFGs，得到的光纤光栅在热稳定性和抗老化性方面均优于紫外激光器刻写的光纤光栅［4-7］.飞秒激光器具有与材料作用时间短、没有热扩散等诸多优点，这使其成为了制备LPFGs的理想工具.1999年，Kondo等［6］首次使用红外飞秒激光写入了LPFGs，发现使用该方法刻写的光纤光栅具有很好的热稳定性和抗老化性.之后，不同波长的飞秒激光被用于LPFGs的制作，得到了各种不同性能的LPFGs［8］.

本研究采用飞秒激光透过涂覆层在光纤中直接写入了LPFGs.由飞秒激光导致的透明材料的折射率变化是一个非线性吸收过程，因此，光纤光栅的写入阈值依赖于激光的功率密度［9］.同样，涂覆层对激光能量的吸收程度也取决于功率密度的大小.Kondo等［6］尝试在低倍显微镜的情况下，在光纤中直接写入LPFGs，但大部分的激光能量被涂覆层吸收，导致了涂覆层融化而纤芯的折射率却没有改变的结果，原因主要是因为激光能量的聚焦程度不够.因此，本研究尝试通过提高飞秒激光的聚焦程度，减少涂覆层吸收的激光能量，从而使激光能量能够被光纤纤芯有效地吸收.

本研究使用高倍显微物镜增强激光的聚焦程度以及焦点的准直定位，在含涂覆层的光纤中用红外飞秒激光直接写入LPFGs，并通过理论和实验，分析了含涂覆层LPFGs的应变特性.结果表明，含涂覆层的LPFGs的抗拉强度大大优于去除了涂覆层的LPFGs，同时，涂覆层的存在也有效地抑制了LPFGs外加应变后的波长漂移.该LPFGs经进一步改进后，可用作带阻滤波器、增益平坦器或温度传感器，其器件的机械可靠性及波长稳定性将大大增强.

1 实验原理

本实验装置如图1所示.实验用的光纤为标准通信光纤(Corning SMF-28e)，纤芯直径为8.3 μm，包层直径为125 μm，涂覆层的直径为242 μm.飞秒激光脉冲由掺钛蓝宝石固体激光器产生，其脉冲宽度为120 fs，波长为800 nm，重复频率为1 kHz.激光输出功率可通过中性密度滤波器来调节.本实验中，光纤被置于计算机控制的高精度三维移动台上(移动精度可达0.1 μm).激光光束通过光路被导入显微镜系统，通过100倍的显微物镜(物镜数值孔径为0.9)聚焦到纤芯中.在光纤光栅的刻写过程中，LPFGs透射谱可由一个宽带光源(1 250～1 600 nm)和一个安捷伦光谱仪(HP86142B型)实时监控.

图1 实验装置图Fig.1 Schematic of the experimental setup

首先，本研究分析了激光在光纤处的聚焦情况.激光聚焦的几何图形［9］如图2所示，其中本研究将激光焦点近似为圆形.根据光斑直径与激光波长、物镜数值孔径的关系，在100倍显微物镜聚焦后，激光焦点照射在纤芯端面的束斑直径ω0约为1 μm.涂覆层外表面a区和内表面b区的束斑直径分别约为60和30 μm.由此可知，涂覆层外表面ωa和内表面ωb的激光功率密度分别约为激光焦点处的1/3 600和1/900.纤芯和涂覆层之间的激光功率密度相差非常大，因此，涂覆层对于激光能量的吸收将大大减小，激光能量能够更有效地聚焦到纤芯，使纤芯的折射率发生改变，使得在含涂覆层光纤中直接写入LPFGs成为可能.

图2 激光在光纤处的聚焦图形Fig.2 Geometric figure of beam focusing

2 实验与分析

在100倍显微物镜的聚焦条件下，本研究使用飞秒激光在含涂覆层光纤中逐点刻写了LPFGs，其中LPFGs的长度为20 mm，光栅周期为500 μm，逐点曝光时间为4 s，激光功率设为2 mW.用同样的方法在50倍显微物镜下写入含涂覆层的LPFGs.图3所示为在50倍和100倍显微物镜下写入光栅后，在20倍显微物镜下观察到的光纤涂覆层的损伤情况.由图3(a)可以看出，在50倍显微物镜的聚焦下，涂覆层出现了融化的现象，说明激光能量的聚焦程度不够，而图3(b)中的光纤涂覆层则保存完好.之后，本研究通过100倍显微物镜在裸光纤中写入了LPFGs.该光栅的长度同样为20 mm，光栅周期为500 μm.考虑到没有涂覆层对能量的吸收损耗，此时的激光功率相对较弱［9］.图4所示为实验中刻写的两种LPFGs的透射谱.可见，去除了涂覆层后的LPFGs透射谱的光栅的最大附加损耗约为-2.5 dB，在1 360 nm附近有一个-18 dB的谐振峰，在1 480与1 600 nm附近有约-5 dB的谐振峰;含涂覆层的LPFGs透射谱的光栅的最大附加损耗约为-3 dB，在1 330 nm附近有一个-17 dB的谐振峰，在1 430与1 550 nm附近有约-5 dB的谐振峰，谱线的形状与前者大致相同.但研究发现，图4中含涂覆层的LPFGs的谐振波长出现了向短波长偏移的情况.这是因为LPFGs的谐振波长位置容易受到环境折射率的影响，当包层外物质折射率接近包层折射率时，光栅谐振波长的偏移较为明显［10］.由于涂覆层的折射率接近包层折射率，因此，涂覆层的存在会使谐振波长产生一定的偏移.

图3 显微物镜聚焦下写入的含涂覆层的LPFGsFig.3 Coated LPFGs written under microscope objectives

在成功地制备了含涂覆层的LPFGs后，本研究通过理论和实验，分析了含涂覆层的LPFGs的应变特性，并与去除了涂覆层的LPFGs进行比较.理论上，LPFGs的谐振波长随应变的漂移量主要是由纤芯包层的弹光效应以及光纤光栅的弹性形变共同决定的.谐振波长 λres和光栅周期 Λ的相位匹配条件［11］可表示为

图4 去除涂覆层和含涂覆层的LPFGs的透射谱Fig.4 Transmission spectrum of uncoated and coated LPFGs

因此，外加应变Δεg谐振波长的变化量为

图5为实验测得的含涂覆层和去除涂覆层的LPFGs谐振波长漂移量随外加轴向应变的变化.实验中选用的含涂覆层和去除涂覆层的LPFGs的周期均为500 μm，光栅长度为20 mm，实验观察的谐振波长选在1 350 nm附近.由图5可知，在一定的应变范围内，这两类LPFGs的峰值波长漂移都具有良好的线性响应特性，其中去除涂覆层的LPFGs所能承受的最大应变约为5 400 με，含涂覆层的LPFGs断裂时所受的最大应变约为11 000 με.由拟合曲线斜率，可以得出去除涂覆层和含涂覆层的LPFGs的应变灵敏系数分别约为-0.468和-0.165 pm/με.

图5 两类LPFGs谐振波长漂移量随轴向应变的变化Fig.5 Shift of the resonant wavelength of uncoated and coated LPFGs with strain

图5中所示的两类LPFGs的谐振峰波长随外加应变都向短波长方向偏移，这一结果和前面的理论分析吻合，但二者的响应曲线有所不同.涂覆层作为光纤的保护缓冲层，它的存在使LPFGs拥有更好的抗拉性，能够承受裸光纤光栅2倍多的轴向应变，达到11 000 με，这就意味着含涂覆层的LPFGs应用在各类环境中时，比普通LPFGs有着更加高的机械可靠性.

涂覆层的存在不仅增强了LPFGs的机械强度，而且有效地抑制了LPFGs外加应变后的波长漂移.对于含涂覆层的光纤光栅，在外加轴向应变时会出现涂覆层与包层纤芯间的相对位移［12］.图6所示为含涂覆层的光纤外加应变时，涂覆层与纤芯包层的位移量，其表达式如下：

位移量δm(z)和δg(z)由式(6)得出［12］：

将式(6)代入式(5)，可得

式中，δm(z)为整个光纤(含涂覆层的光纤光栅)外加应变时的位移量，δg(z)为裸光纤光栅的实际位移量，ηp(z)为相对位移量，εm为整个光纤所受到的应变，εg为裸光纤光栅所受到的应变.很明显，当去除涂覆层的LPFGs外加应变εm时，ηp(z)=0，其裸光纤光栅受到的应变εg=εm;当含涂覆层的LPFGs外加同样应变εm时，其裸光纤光栅所受到的实际应变εg＜εm.由式(4)可知，在受到外界相同应变的情况下，含涂覆层的LPFGs的谐振波长漂移小于去除涂覆层的LPFGs，理论分析和实验结果吻合.事实证明，涂覆层的存在有效地抑制了LPFGs外加应变后的波长漂移，经进一步改进后，可用作带阻滤波器或增益平坦器，器件将具有良好的波长稳定性.此外，含涂覆层的LPFGs用作温度或扭曲传感器时，能够在一定程度上有效地减少由轴向应变造成的交叉干扰信号，具有良好的应变不敏感性.

图6 涂覆层与裸光纤之间的相对位移Fig.6 Relativedisplacementsbetween coating and glass fiber

3 结束语

在高倍显微镜的聚焦下，本研究成功地在含涂覆层光纤中用红外飞秒激光逐点写入LPFGs，得到了形状规则的光栅透射谱.通过理论和实验分析，研究了含涂覆层的LPFGs的应变特性.实验结果表明，含涂覆层的LPFGs所能承受的最大应变为11 000 με，约为去除涂覆层的LPFGs的两倍多.同时，涂覆层的存在有效地抑制了LPFGs外加应变后的波长漂移，成功地将其应变灵敏系数降为0.165 pm/με.这些优势预示着含涂覆层的LPFGs将在光纤通信和传感领域中具有广泛的应用前景.

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