飛秒激光刻寫長周期光纖光柵的應(yīng)變特性

陸君輝， 施解龍， 陳圓圓， 孫偉勝

(上海大學(xué)理學(xué)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(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)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(zhǔn)分子激光器在光敏光纖中寫入LPFGs，標(biāo)志著LPFGs時(shí)代的到來.在以往的LPFGs制作時(shí)，需要在剝?nèi)ネ扛矊?，形成裸光纖后，再進(jìn)行激光寫入.該方法刻寫的LPFGs在環(huán)境折射率發(fā)生改變時(shí)，其諧振波長會(huì)出現(xiàn)偏移，同時(shí)大大降低了光纖的機(jī)械強(qiáng)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(duì)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(chǎn)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(wěn)定性和抗老化性方面均優(yōu)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(shí)間短、沒有熱擴(kuò)散等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(fā)現(xiàn)使用該方法刻寫的光纖光柵具有很好的熱穩(wěn)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(dǎo)致的透明材料的折射率變化是一個(gè)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(duì)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(dǎo)致了涂覆層融化而纖芯的折射率卻沒有改變的結(jié)果，原因主要是因?yàn)榧す饽芰康木劢钩潭炔粔?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(qiáng)激光的聚焦程度以及焦點(diǎn)的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)，分析了含涂覆層LPFGs的應(yīng)變特性.結(jié)果表明，含涂覆層的LPFGs的抗拉強(qiáng)度大大優(yōu)于去除了涂覆層的LPFGs，同時(shí)，涂覆層的存在也有效地抑制了LPFGs外加應(yīng)變后的波長漂移.該LPFGs經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)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(jī)械可靠性及波長穩(wěn)定性將大大增強(qiáng).

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)用的光纖為標(biāo)準(zhǔn)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(lán)寶石固體激光器產(chǎn)生，其脈沖寬度為120 fs，波長為800 nm，重復(fù)頻率為1 kHz.激光輸出功率可通過中性密度濾波器來調(diào)節(jié).本實(shí)驗(yàn)中，光纖被置于計(jì)算機(jī)控制的高精度三維移動(dòng)臺(tái)上(移動(dòng)精度可達(dá)0.1 μm).激光光束通過光路被導(dǎo)入顯微鏡系統(tǒng)，通過100倍的顯微物鏡(物鏡數(shù)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(gè)寬帶光源(1 250～1 600 nm)和一個(gè)安捷倫光譜儀(HP86142B型)實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖1 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)近似為圓形.根據(jù)光斑直徑與激光波長、物鏡數(shù)值孔徑的關(guān)系，在100倍顯微物鏡聚焦后，激光焦點(diǎn)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(qū)和內(nèi)表面b區(qū)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(nèi)表面ωb的激光功率密度分別約為激光焦點(diǎn)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(duì)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(fā)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)刻寫了LPFGs，其中LPFGs的長度為20 mm，光柵周期為500 μm，逐點(diǎn)曝光時(shí)間為4 s，激光功率設(shè)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(xiàn)了融化的現(xiàn)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?jīng)]有涂覆層對(duì)能量的吸收損耗，此時(shí)的激光功率相對(duì)較弱［9］.圖4所示為實(shí)驗(yàn)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(gè)-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(gè)-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(fā)現(xiàn)，圖4中含涂覆層的LPFGs的諧振波長出現(xiàn)了向短波長偏移的情況.這是因?yàn)長PFGs的諧振波長位置容易受到環(huán)境折射率的影響，當(dāng)包層外物質(zhì)折射率接近包層折射率時(shí)，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(huì)使諧振波長產(chǎn)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(shí)驗(yàn)，分析了含涂覆層的LPFGs的應(yīng)變特性，并與去除了涂覆層的LPFGs進(jìn)行比較.理論上，LPFGs的諧振波長隨應(yīng)變的漂移量主要是由纖芯包層的彈光效應(yīng)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(yīng)變?chǔ)う舋諧振波長的變化量為

圖5為實(shí)驗(yàn)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(yīng)變的變化.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)觀察的諧振波長選在1 350 nm附近.由圖5可知，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，這兩類LPFGs的峰值波長漂移都具有良好的線性響應(yīng)特性，其中去除涂覆層的LPFGs所能承受的最大應(yīng)變約為5 400 με，含涂覆層的LPFGs斷裂時(shí)所受的最大應(yīng)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(yīng)變靈敏系數(shù)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(yīng)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(yīng)變都向短波長方向偏移，這一結(jié)果和前面的理論分析吻合，但二者的響應(yīng)曲線有所不同.涂覆層作為光纖的保護(hù)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(yīng)變，達(dá)到11 000 με，這就意味著含涂覆層的LPFGs應(yīng)用在各類環(huán)境中時(shí)，比普通LPFGs有著更加高的機(jī)械可靠性.

涂覆層的存在不僅增強(qiáng)了LPFGs的機(jī)械強(qiáng)度，而且有效地抑制了LPFGs外加應(yīng)變后的波長漂移.對(duì)于含涂覆層的光纖光柵，在外加軸向應(yīng)變時(shí)會(huì)出現(xiàn)涂覆層與包層纖芯間的相對(duì)位移［12］.圖6所示為含涂覆層的光纖外加應(yīng)變時(shí)，涂覆層與纖芯包層的位移量，其表達(dá)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(gè)光纖(含涂覆層的光纖光柵)外加應(yīng)變時(shí)的位移量，δg(z)為裸光纖光柵的實(shí)際位移量，ηp(z)為相對(duì)位移量，εm為整個(gè)光纖所受到的應(yīng)變，εg為裸光纖光柵所受到的應(yīng)變.很明顯，當(dāng)去除涂覆層的LPFGs外加應(yīng)變?chǔ)舖時(shí)，ηp(z)=0，其裸光纖光柵受到的應(yīng)變?chǔ)舋=εm;當(dāng)含涂覆層的LPFGs外加同樣應(yīng)變?chǔ)舖時(shí)，其裸光纖光柵所受到的實(shí)際應(yīng)變?chǔ)舋＜εm.由式(4)可知，在受到外界相同應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.事實(shí)證明，涂覆層的存在有效地抑制了LPFGs外加應(yīng)變后的波長漂移，經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)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(wěn)定性.此外，含涂覆層的LPFGs用作溫度或扭曲傳感器時(shí)，能夠在一定程度上有效地減少由軸向應(yīng)變造成的交叉干擾信號(hào)，具有良好的應(yīng)變不敏感性.

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

3 結(jié)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(diǎn)寫入LPFGs，得到了形狀規(guī)則的光柵透射譜.通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，研究了含涂覆層的LPFGs的應(yīng)變特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含涂覆層的LPFGs所能承受的最大應(yīng)變?yōu)?1 000 με，約為去除涂覆層的LPFGs的兩倍多.同時(shí)，涂覆層的存在有效地抑制了LPFGs外加應(yīng)變后的波長漂移，成功地將其應(yīng)變靈敏系數(shù)降為0.165 pm/με.這些優(yōu)勢預(yù)示著含涂覆層的LPFGs將在光纖通信和傳感領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景.

［1］ VENGSARKARA M，PEDRAZZANIJ R，JUDKINSJ B.Long-period fiber grating based gain equalizer［J］.Opt Lett，1996，21(5)：336-338.

［2］ MASSONF，DECKERC，ANDRES，et al.UV-curable formulations for UV-transparent optical fiber coatingsⅠ：acrylic resins［J］.Prog Org Coat，2004，49(1)：1-12.

［3］ CHAOL，REEKIEL，IBSENM，et al.Grating writing through fiber coating at 244 and 248 nm［J］.Electron Lett，1999，35(11)：924-926.

［4］ LIUY Q，LEEH W，CHIANGK S，et al.Glass structure changes in CO2-laser writing of long-period fiber gratings in boron-doped single-mode fibers［J］.J Lightwave Technol，2009，27：857-863.

［5］ YANM，LUOS Y，ZHANL，et al.Step-changed period chirped long-period fiber gratings fabricated by CO2laser［J］.Opt Commun，2008，281：2784-2788.

［6］ KONDOY，NOUCHIK，MITSUYUT，et al.Fabrication of long-period fiber gratings by focused irradiation of infrared femtosecond laser pulses［J］.Opt Lett，1999，24(10)：646-648.

［7］ ZHANGN，YANGJ J，WANGM W，et al.Fabrication of long period fiber gratings using 800 nm femtosecond laser pulses［J］.Chin Phys Lett，2008，23(12)：3281-3284.

［8］ NIKOGOSYAND N.Multi-photon high-excitation-energy approach to fibre grating inscription［J］.Meas Sci Technol，2007，18：R1-R29.

［9］ MARTINEZA，KHRUSHCHEVI，BENNIONI.Direct inscription of Bragg gratings in coated fibers by an infrared femtosecond laser［J］.Opt Lett，2006，31 (11)：1603-1605.

［10］ 劉云啟，郭轉(zhuǎn)運(yùn)，張愛玲，等.長周期光纖光柵折射率敏感特性研究［J］.量子電子學(xué)報(bào)，1999，16(6)：507-510.

［11］ 張志榮，張冠茂，張曉萍.長周期光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感靈敏度研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2009，38(1)：103-106.

［12］ YUANL B，ZHOUL M，WUJ S.Investigation of a coated optical fiber strain sensor embedded in a linear strain matrix material［J］.Opt Laser Eng，2001，35：251-260.