飛秒激光燒蝕長(zhǎng)周期光纖光柵的高溫特性研究

周江夏子，孫小燕，羅 志，董欣然，周劍英，譚 超，鄧 旺

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083)

1 引言

長(zhǎng)周期光纖光柵是一種無(wú)后向反射的透射型光纖傳感器，其不受電磁干擾、質(zhì)量輕、體積小、精度高、靈敏度高、能埋入工程結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使其在光纖傳感領(lǐng)域備受關(guān)注并得到了廣泛應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)的長(zhǎng)周期光纖光柵加工方法如紫外光曝光掩模板法［2］、高頻 CO2激光脈沖寫(xiě)入法［3］、腐蝕刻槽法［4］等都已發(fā)展得相對(duì)較為成熟，但在光纖氫載處理和光敏特性、高溫穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等方面都受到了不同程度的限制［1］。因此近年來(lái)，飛秒激光作為一種新興手段在光纖光柵制作方面顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［5］。

光纖光柵在用作傳感器時(shí)，首要考慮到其熱穩(wěn)定性和溫度特性［6］。飛秒激光聚焦光斑尺寸極小，脈沖作用時(shí)間極短，聚焦后功率極高的特點(diǎn)使它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度高質(zhì)量的微細(xì)冷加工［7］。飛秒激光寫(xiě)制的長(zhǎng)周期光纖光柵無(wú)需氫載處理，光譜質(zhì)量好，在高溫條件下不易出現(xiàn)漂移和退化且高溫特性良好［8］。目前國(guó)內(nèi)已有不少團(tuán)隊(duì)對(duì)飛秒激光脈沖加工光纖光柵相關(guān)課題進(jìn)行研究［6，9－10］，采用不同的加工參數(shù)和各異的加工方法得到了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并都各自對(duì)其進(jìn)行了合理的解釋。本文采用了只在纖芯改性的方法，通過(guò)對(duì)包層表面進(jìn)行定量去除來(lái)寫(xiě)制長(zhǎng)周期光纖光柵，并對(duì)其在常溫至超高溫范圍內(nèi)進(jìn)行了傳感特性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明其更適用于高溫及超高溫環(huán)境的傳感檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)

2．1 飛秒激光燒蝕直寫(xiě)

本實(shí)驗(yàn)所采用的飛秒激光加工系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用為激光脈沖寬度為120 fs的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器(美國(guó)光譜物理公司)，其中心波長(zhǎng)為800 nm，重復(fù)頻率為1 kHz。由于放大器出射激光功率接近4 W，因此首先經(jīng)過(guò)一塊分束鏡以大幅衰減光功率，再通過(guò)由1/2波片、偏振片和中性密度衰減片的組合將激光功率調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)期望值1．8 W，最后經(jīng)過(guò)兩塊平行放置的組合柱透鏡進(jìn)行聚焦，焦點(diǎn)呈細(xì)長(zhǎng)線狀，且軸線與光纖軸線垂直。此外，圖中CCD檢測(cè)系統(tǒng)用于垂直方向焦點(diǎn)與光纖相對(duì)位置的實(shí)時(shí)觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定量去除;功率計(jì)則是用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中功率的大小和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)的加工對(duì)象為未經(jīng)氫載的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖(SMF －28，康寧公司)，其纖芯直徑為8．2 μm，包層直徑為125μm，數(shù)值孔徑為 0．14。將待加工的光纖樣品夾持于自行設(shè)計(jì)的光纖夾具上，并由三維超精密移動(dòng)平臺(tái)(XMS，美國(guó)理波公司)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)其精確的定位和移動(dòng)，平臺(tái)移動(dòng)精度可達(dá)5 nm。其次，光纖光柵的周期和占空比由激光器內(nèi)嵌shutter與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的耦合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并設(shè)定周期為492 μm，占空比為0．4。

在長(zhǎng)周期光纖光柵的加工過(guò)程中，將待加工光纖一端與出射激光波長(zhǎng)范圍為600～1700 nm，重復(fù)頻率穩(wěn)定在23．6 kHz的超連續(xù)光源(NKT photonics公司)相連接，另一端與光譜分析儀(Agilent Technologies公司)相連接，其工作波長(zhǎng)為 1100～1700 nm，靈敏度設(shè)置為－60 dBm，以5 nm為步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中長(zhǎng)周期光纖光柵光譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 長(zhǎng)周期光纖光柵加工及檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup for LPFG fabrication and detection

2．2 溫度傳感檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)是通過(guò)周期性燒蝕去除部分包層的方式來(lái)寫(xiě)制長(zhǎng)周期光纖光柵，在檢測(cè)過(guò)程中為增加其機(jī)械強(qiáng)度不至輕易斷裂，首先將一根完好的普通光纖沿該加工過(guò)的光纖軸向進(jìn)行繞制，并在繞制的過(guò)程中避開(kāi)柵區(qū)部分，然后將其呈自然狀態(tài)放入預(yù)熱處理完畢后的高溫管式電爐(型號(hào)NWTG－10－12)中，再給繞制于該加工過(guò)的光纖上的普通光纖施加一定的拉力并加以固定。此時(shí)，該長(zhǎng)周期光纖光柵即可認(rèn)為處于水平直線狀態(tài)，從而可以減少在高溫加熱過(guò)程中因彎曲變形帶來(lái)的諧振峰漂移的影響。同時(shí)把待測(cè)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩端以與加工過(guò)程中相同的方式分別連接超連續(xù)譜光源和光譜分析儀，在30～300℃溫度范圍內(nèi)，每隔20℃實(shí)時(shí)記錄一次諧振波長(zhǎng)的漂移量，在300～1100℃溫度范圍內(nèi)，每隔30℃記錄一次諧振波長(zhǎng)的漂移量。

在溫度傳感檢測(cè)實(shí)驗(yàn)之前，首先將寫(xiě)制的光纖光柵置于800℃的高溫爐中靜置2 h進(jìn)行熱處理。待冷卻至常溫后，將高溫電爐升溫的第一段初始溫度設(shè)定為30℃，結(jié)束溫度設(shè)定為300℃，升溫時(shí)間設(shè)定為40min(因?yàn)樵?0～300℃范圍內(nèi)，溫度上升速度較快，減緩溫升速度以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄);緊接著將第二段初始溫度設(shè)定為300℃，結(jié)束溫度設(shè)定為1100℃，升溫時(shí)間設(shè)定為80 min;最后在第三段使溫度在1100℃維持10 min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

用飛秒激光通過(guò)組合柱透鏡聚焦方式在標(biāo)準(zhǔn)通信光纖(SMF－28，康寧公司)中寫(xiě)入長(zhǎng)周期光纖光柵，周期為 Λ =492μm，占空比為 0．4，周期數(shù)為N=80，光柵加工區(qū)域平臺(tái)移動(dòng)速度設(shè)為 υ=0．05 mm/s，未加工區(qū)域平臺(tái)移動(dòng)速度設(shè)為 υ=1 mm/s。實(shí)驗(yàn)得到1100～1400 nm波段內(nèi)諧振波長(zhǎng)λ=1240．28 nm，衰減深度約為－9 dB的長(zhǎng)周期光纖光柵，其透射譜測(cè)試結(jié)果如圖2所示，可以看出圖中透射譜譜線整體質(zhì)量良好，半峰寬約為14 nm，衰減峰均勻?qū)ΨQ(chēng)，背景損耗受到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差、光纖加工誤差和激光輻照各種因素的影響而略大，但不影響諧振峰的峰位。柱透鏡聚焦較高能量的激光光束對(duì)光纖包層進(jìn)行燒蝕，顯微鏡下觀測(cè)得到其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，形成了周期性的類(lèi)似凹槽結(jié)構(gòu)，其折射率在纖芯和包層均發(fā)生了變化。該長(zhǎng)周期光纖光柵燒蝕部分和未燒蝕部分的直徑不同，對(duì)光柵施加一定的應(yīng)力即會(huì)引起較大的折射率的變化，從而形成強(qiáng)耦合的光柵。在溫度傳感檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，利用普通光纖伴隨繞制所加工光柵的手段，一方面能夠響應(yīng)增強(qiáng)所加工光柵的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面在該繞制光纖的兩端施加一定的拉力從而可使得光柵兩端受到一定應(yīng)力，如此既能夠減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因彎曲變形帶來(lái)的諧振峰漂移的影響，又能夠保證纖芯基模和包層模之間的耦合得到一定的增強(qiáng)。

圖2 長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜Fig．2 Transmission spectra of LPFG

圖3 長(zhǎng)周期光纖光柵顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)Fig3．Microscopic structure of LPFGP

對(duì)該長(zhǎng)周期光纖光柵在30～1100℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行傳感實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其諧振波長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系如圖4所示?？梢?jiàn)該長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)隨著溫度升高向著長(zhǎng)波方向移動(dòng)，在30～300℃溫度范圍內(nèi)的變化較為緩慢，線性度也有所欠缺，測(cè)得其溫度靈敏度約為51 pm/℃，線性度為0．956。相比之下，在300～1100℃溫度范圍內(nèi)，諧振波長(zhǎng)隨溫度變化明顯且均勻，線性度也很高。圖5即為該溫度段諧振波長(zhǎng)隨溫度變化及其直線擬合結(jié)果，可看出其斜率達(dá)到了135 pm/℃，且線性度高達(dá)0．999。在該溫度范圍內(nèi)，選取了溫度間隔為300℃的三個(gè)溫度點(diǎn)500℃、800℃、1100℃，在圖6中展示了升溫過(guò)程中透射譜諧振峰的變化情況。由圖6可看出，其諧振峰形狀基本不變，只是發(fā)生了相對(duì)均勻穩(wěn)定的平移，損耗峰幅值變化不大，可認(rèn)為該長(zhǎng)周期光纖光柵的損耗峰幅值對(duì)溫度變化不敏感。兩個(gè)高溫段的靈敏度均為正值說(shuō)明纖芯熱光系數(shù)ξco大于包層熱光系數(shù)ξcl，而300～1100℃高溫段的溫度靈敏度的值高于30～300℃高溫段的值，很有可能是高溫下光纖膨脹的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種通過(guò)包層表面定量去除加工的長(zhǎng)周期光纖光柵更適用于高溫及超高溫環(huán)境的傳感檢測(cè)。

圖4 30～1100℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)的溫度特性Fig．4 Temperature characteristics of LPFG resonantwavelength in the period of30～1100℃

圖5 300～1100℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)的溫度特性Fig．5 Temperature characteristics of LPFG resonantwavelength in the period of300～1100℃

圖6 寫(xiě)入的LPFG溫度變化時(shí)透射譜的變化Fig．6 Transmission spectra of LPFG varies along with the temperature during inscribing

4 結(jié)論

利用中心波長(zhǎng)為800 nm，脈沖寬度為120 fs的飛秒激光燒蝕直寫(xiě)普通單模光纖的方式，得到了包層去除型的長(zhǎng)周期光纖光柵。為避開(kāi)需要激光光束精確聚焦和光纖精確定位而實(shí)現(xiàn)在光纖纖芯改性的方式，采用了另一種方法，即使用兩塊軸線互相垂直的柱透鏡平行放置至合適距離，將入射的較大功率的飛秒激光聚焦成細(xì)長(zhǎng)焦線，通過(guò)燒蝕直寫(xiě)的方式對(duì)光纖包層表面進(jìn)行定量去除，形成周期性的類(lèi)凹槽結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵。然后，經(jīng)過(guò)30～1100℃的高溫傳感測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其在30～300℃內(nèi)諧振波長(zhǎng)的溫度敏感度為51 pm/℃，線性度為0．956;而高溫段300～1100℃，諧振波長(zhǎng)的溫度敏感度達(dá)到了135 pm/℃，線性度高達(dá)0．999?？梢?jiàn)這種通過(guò)包層表面定量去除加工的長(zhǎng)周期光纖光柵更適用于高溫及超高溫環(huán)境的傳感檢測(cè)。

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