FBG光纖的飛秒激光刻蝕特性及傳感應(yīng)用

周 賢 劉克非

張 欣 1 張海波 1, 2

明興祖3

1. 湖北文理學(xué)院

純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點實驗室

湖北 襄陽 441053

2.湖北文理學(xué)院

機械工程學(xué)院

湖北 襄陽 441053

3.湖南工業(yè)大學(xué)

機械工程學(xué)院

湖南 株洲 412007

0 引言

光柵光纖傳感器因其具有抗電磁干擾、高分辨率、輕量化、體積小、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)良性能[1]，在包裝自動化加工系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。微結(jié)構(gòu)光柵光纖具有比標準光柵光纖更高的伸縮性、較大的表面積，其靈敏度顯著提高。研究人員不斷探索在光柵光纖上刻蝕不同的微結(jié)構(gòu)（如微槽[2]，微腔[3]），再將其制成各種新型傳感器，如在布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）光纖的包層制作微結(jié)構(gòu)，并結(jié)合敏感涂層制成的新型光柵光纖傳感器，其在磁場測量[4]、氣體傳感[5]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

超短脈沖激光刻蝕是一種能有效提高微加工效率的技術(shù)，它具有峰值功率高、性能優(yōu)良等優(yōu)點，適合加工各種硬脆材料[6]。如采用飛秒（femtosecond，fs）激光與相位掩模或逐點刻劃技術(shù)相結(jié)合，在光纖或熔融二氧化硅中制備各種光柵[7-9]。光柵或波導(dǎo)的特性直接受激光能量、輻照時間、聚焦數(shù)值孔徑等影響，因此有關(guān)飛秒激光與介質(zhì)材料之間的刻蝕機理研究也越來越多。然而，透明材料激光損傷的機理并不統(tǒng)一，如熔融二氧化硅中超快激光誘導(dǎo)折射率的變化原因有應(yīng)力、致密化、色心、累積加熱等理論[10-12]。一般來說，低激光能量會導(dǎo)致與色心理論有關(guān)的I型結(jié)構(gòu)的正折射率變化，而超過損傷閾值的輻照能量則通常產(chǎn)生與應(yīng)力、致密化有關(guān)的Ⅱ型結(jié)構(gòu)[13-14]。

為深入研究激光誘導(dǎo)折射率變化的機理，本研究利用飛秒激光在光柵光纖包層上制備了直槽微結(jié)構(gòu)，近似量化了飛秒激光誘導(dǎo)的光柵光纖折射率變化，研究光纖表面微結(jié)構(gòu)的刻蝕特性。此外，還研究了不同加工參數(shù)對光柵光纖的影響，退火實驗結(jié)果在一定程度上驗證了激光對光纖損傷的機理，并以微型結(jié)構(gòu)光柵光纖磁場探頭和氫氣探頭為例進行了實驗研究，以期為探究飛秒激光刻蝕微結(jié)構(gòu)的光纖特性以及微結(jié)構(gòu)光纖傳感增敏機理提供理論參考。

1 飛秒激光加工光纖實驗

1.1 實驗儀器及參數(shù)

實驗系統(tǒng)主要由飛秒激光加工系統(tǒng)、光譜儀、自制旋轉(zhuǎn)光纖夾具、FBG光纖組成。日本CyberLaser公司的IFRIT型鈦寶石飛秒激光器（Titanium gem femtosecond laser），能夠輸出波長為 780 nm、頻率為 1～1 000 Hz、平均輸出功率為 1.1 W、輸出光束直徑為5 mm的飛秒激光。光纖夾具夾持光纖放置在三維加工平臺（實現(xiàn)X、Y、Z三軸移動，移動精度分別為 1 μm×1 μm×0.5 μm），自制旋轉(zhuǎn)夾具用于固定和旋轉(zhuǎn)光纖。光譜分析儀（OSA型，波長分辨率為 0.05 nm，Δλ范圍為 350～1 750 nm）用來觀測FBG光纖輸出光譜。光纖采用輸出波長為1 319.6 nm、有效折射率為1.445、光柵長為9 mm、光纖光柵周期為4 564 nm的單模光纖。

1.2 飛秒激光加工光纖實驗

采用相位掩模技術(shù)，利用248 nm準分子激光器將光纖光柵寫入標準單模光纖纖芯，制備成FBG光纖；然后，利用鈦寶石激光器在FBG光纖表面刻蝕了一種長度為9 mm直槽微結(jié)構(gòu)。加工方法如下：飛秒激光經(jīng)過光路聚焦在光纖表面，同時夾具夾持光纖樣品置于精密三維移動平臺上，三維平臺作Y軸移動，配合激光完成直槽加工。所采用激光的加工參數(shù)為：激光功率20～50 MW，掃描速度4.5 mm/min。加工過程中采用實時電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）相機對燒蝕過程進行了監(jiān)測，并用光譜分析儀對光柵光纖的反射光譜進行了實時監(jiān)測。整個實驗系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 飛秒激光加工光纖實驗系統(tǒng)簡圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental system for femtosecond laser machining optical fiber

2 結(jié)果與分析

2.1 飛秒激光刻蝕FBG光纖表面形貌分析

圖2顯示了使用飛秒激光（功率為22 MW，平移速度為4.5 mm/min）燒蝕光纖的整體形貌。

圖2 光纖表面形貌Fig. 2 Surface morphology of ablated fiber

由圖2a可知，光纖表層堆積一層微小碎屑，這是由于激光功率極高，燒蝕后溝槽較深，燒蝕材料不能完全噴射到光纖表面，所以在溝槽側(cè)壁上沉積固化，出現(xiàn)不規(guī)則的顆粒狀，且顆粒碎屑的體積隨著脈沖能量或輻照時間的增加而增大。圖2b為使用氫氟酸（HF）處理后的光纖表面形貌，大部分的碎屑已被去除，光纖表面變得光滑平整。圖2c為槽側(cè)壁的局部放大部分，觀察到其形態(tài)類似鐘乳柱狀，光纖的晶粒方向與激光的偏振方向垂直，在溝槽邊緣存在一些零星的周期性條紋。這是因為在燒蝕過程中，激光與靶材接觸后產(chǎn)生材料等離子體，當激光通過等離子體和濺射碎片時會發(fā)生激光反射或折射，從而產(chǎn)生納米裂紋；當?shù)入x子體分布不均勻時，激光束與等離子體界面相互作用，在聚焦區(qū)產(chǎn)生周期性條紋并進一步電離。圖2d為燒蝕光纖的橫截面，可以看出槽的形狀與激光的高斯分布一致，凹槽的深度約為24 μm。

利用最小二乘法對不同激光能量下的溝槽深度數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 激光能量與微槽深度關(guān)系Fig. 3 Relationship between laser energy and groove depth

由圖3可知，擬合曲線方程中y表示刻蝕深度，x表示激光能量，R2為線性擬合程度指標，曲線方程與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。隨著激光能量的增加，微槽的深度也隨著增加。

2.2 飛秒激光刻蝕FBG光纖對FBG光譜影響

2.2.1 激光刻蝕槽數(shù)的影響

圖4為激光刻蝕不同槽數(shù)的FBG反射光譜。由圖4可知，反射光譜永久性地向長波方向偏移，且隨著凹槽數(shù)量的增加，漂移量逐漸增大，沒有變形跡象，但存在一定的光功率損耗。對比圖4a與4b，F(xiàn)BG光纖中心波長的變化趨勢基本一致，不同之處在于圖4b中波長漂移量更大，且光譜帶寬的變化也更大。這是因為：與偏離光纖中心20 μm的情況相比，聚焦在光纖中心時激光輻射劑量對纖芯的影響要大得多，波長漂移量和帶寬變化更大一些。為了制作微結(jié)構(gòu)的FBG傳感器，通常選擇偏離光纖中心20 μm為宜，避免波形出現(xiàn)較大變化。

圖4 不同槽數(shù)的光柵光纖反射光譜Fig. 4 The reflected spectrum of FBG fiber with different grooves

均勻光纖光柵的功率反射率r為

式（1）～（3）中：κ為交流耦合系數(shù)；ξ+是直流耦合系數(shù)；s是折射率變化的條紋可見度；L為光柵的長度；為折射率調(diào)制量；λ為波長。

由雙曲正切函數(shù)式（2）可知，最大功率反射率隨著折射率變化的增加而變大，圖（4）的結(jié)果與耦合函數(shù)理論式（2）吻合較好。

2.2.2 激光功率及輻照時間的影響

本研究利用紫外（ultra-violet，UV）激光（波長為248 nm）輻照單模光纖，將9 mm長的FBG寫入光纖纖芯，一般稱之為I型光柵[15]，其折射率的變化與紫外光或多光子過程激發(fā)的中心缺陷變化有關(guān)。然后用激光能量強度超過光纖損傷閾值的紅外激光照射I型光柵，使其折射率發(fā)生變化。

根據(jù)方程式

得到中心波長變化量為

其中：λB為布拉格波長；λ1是激光照射后的中心反射波長；Δλ為波長的變化量；neff為纖芯折射率；Δn折射率調(diào)制變化量；Λ為光柵柵距。折射率的變化與標準光纖或熔融二氧化硅中的變化相同，與輻照時間和能量的增長成正比[16-18]。

根據(jù)式（7）中給出的光波導(dǎo)模耦合理論[19]，帶寬也受激光輻照的影響。

其中：Δλ0是帶寬；L是光柵的長度。對于強光柵，帶寬隨著折射率變化的增大而增大，實驗結(jié)果與表達式所得結(jié)論一致。

激光功率、輻照時間對FBG光纖反射譜帶寬、中心波長漂移量及折射率的影響如圖5所示。根據(jù)式（6）將圖5a中波長偏移的值進行替換，獲得圖5b所示的折射率變化量。

圖5 激光功率、激光輻照時間對FBG光纖漂移量、帶寬及折射率的影響Fig. 5 Effects of laser power and laser irradiation time on wavelength shift, bandwidth and refractive index of FBG fiber

由圖5a可知，隨著激光輻照時間的增加，中心波長漂移量和帶寬不斷增大。當輻照時間為360 s、激光加工功率分別為35 MW和25 MW時，波長分別向長波方向移動397 pm和270 pm，帶寬分別為305 pm和225 pm。光纖中心波長的變化主要是由于激光引起光纖折射率的變化。圖5b為光纖折射率與激光輻照時間的關(guān)系曲線，隨著激光輻照時間的增加，光纖折射率隨之升高。當激光功率為35 MW、輻照時間為360 s時，光纖折射率變化量為4.4×10-4；當激光功率為25 MW、輻照時間為360 s時，光纖折射率變化量為2.9×10-4。

2.2.3 FBG刻蝕長度及輻照時間的影響

激光刻蝕光纖過程中，F(xiàn)BG的反射光譜隨FBG長度及輻照時間的變化曲線如圖6所示。圖6a顯示了激光完成整個直槽刻蝕過程中光譜的變化。當約有一半光柵長度的包層區(qū)域被燒蝕時，波形嚴重變形并出現(xiàn)對稱雙峰；但隨著激光燒蝕光纖包層總長度的增加，雙峰逐漸消失。該結(jié)果表明折射率調(diào)制對反射波形有影響，其機理與相移光柵相似。圖6b顯示了當激光燒蝕到一半長度時，不同激光輻照時間FBG反射光譜的變化。隨著激光輻照時間的增加，反射光譜中出現(xiàn)波長為1 320.1nm的透射尖峰，并逐漸增長，但在輻照20 min后停止增長，表明該區(qū)域折射率變化量已達飽和。這是由于光柵中折射率的變化會引起光相位的變化，從而導(dǎo)致光纖中的傳輸光在該處發(fā)生相移。

圖6 激光加工過程中FBG光纖反射光譜Fig. 6 FBG fiber reflection spectrum during laser processing

2.3 實驗仿真分析

根據(jù)實驗光譜結(jié)果及式（8），繪制了再生折射率調(diào)制圖，結(jié)果如圖7所示。其中，實線表示折射率的原始調(diào)制曲線，點線表示fs激光照射后的再生折射率調(diào)制曲線。

圖7 折射率調(diào)制原理Fig. 7 Refractive index modulation principle

由于激光刻蝕過程中的工藝參數(shù)相同（fs激光頻率為1 kHz，光斑半徑約為10 μm，掃描速度為90 μm/s），相鄰兩光斑基本重疊因此fs激光引起的折射率變化可以假定為均勻調(diào)制，同時激光不會改變光柵間距。最終，fs激光引起的折射率變化與折射率調(diào)制的原始輪廓重疊，導(dǎo)致纖芯有效折射率和中心波長的增加。同樣，帶寬隨著輻照時間或激光能量的增加而永久增加。

參照實驗折射率變化量結(jié)果，仿真參數(shù)“ac”分別設(shè)置為 1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4，依據(jù)波導(dǎo)耦合理論，燒蝕約一半光柵長度（3.84 mm）在不同折射率調(diào)制下無相移（黑線）和有相移（紅、藍、紫線）的反射光譜，如圖8所示?！癮c”指數(shù)變化為1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4時，分別對應(yīng)紅色、藍色、紫色線。仿真結(jié)果較好匹配了圖6b所得的實驗結(jié)果。

圖8 實驗仿真相移光譜圖Fig. 8 Spectrogram of experiment simulation phase shift

彩圖

2.4 FBG光纖退火實驗分析

在光纖加工過程中，觀察到反射波形存在嚴重變形的現(xiàn)象，如反射波帶寬大幅度加寬，即使采用較小的激光能量，中心波長也會偏移幾十皮米，但停止激光照射后反射波形即可恢復(fù)。這是由于庫侖爆炸和等離子體的作用，在聚焦區(qū)會產(chǎn)生高溫，從而導(dǎo)致反射波發(fā)生變形；當激光停止照射時，溫度對光柵的影響消失，波形逐漸恢復(fù)。

為了驗證色心理論是否有助于折射率的變化[16]，本研究將刻蝕后的光纖在300 ℃退火1 h，觀察退火前后光柵光纖波形的變化，結(jié)果如圖9所示。

圖9 300 ℃退火前后光柵光纖波形Fig. 9 Waveform before and after annealing at 300 ℃

由圖9可知，退火前后光柵光纖的波形沒有明顯變化，僅觀察到由于熱誘導(dǎo)應(yīng)力松弛引起的少量功率損失；退火后光柵光纖的中心波長不變，但仍存在永久折射率變化。由此表明折射率變化可能不是由色心理論引起的。

3 微結(jié)構(gòu)探頭應(yīng)用

FBG光纖表面加工微結(jié)構(gòu)后，可在微結(jié)構(gòu)表面鍍上傳感材料。微結(jié)構(gòu)能夠容納多種敏感材料，因此其具有增敏作用，可以進一步拓展FBG光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。

射磁致伸縮材料TbDyFe在磁場作用下能夠發(fā)生伸縮變化，在光纖表面產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，拉伸光纖，使得FBG光纖中心波長發(fā)生變化，從而感知磁場強度的變化。鈀/銀復(fù)合薄膜對氫氣敏感，能夠吸收氫氣發(fā)生膨脹，同樣使得FBG光纖波長發(fā)生變化。本研究分別在微結(jié)構(gòu)樣品上濺射磁致伸縮材料TbDyFe和鈀/銀復(fù)合薄膜，制備了光纖磁傳感探頭和光纖氫傳感探頭。兩種鍍膜厚度不同，TbDyFe膜的厚度約為4.6 μm，鈀膜的厚度約為520 nm。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察制得的光纖磁傳感探頭（涂有TbDyFe薄膜）和光纖氫傳感探頭（涂有Pd/Ag薄膜）樣品的微觀形貌，結(jié)果如圖10所示。

圖10 微結(jié)構(gòu)探頭SEM圖Fig. 10 SEM of micro structured probe

由圖10可以看出，鈀/銀復(fù)合薄膜和TbDyFe膜較均勻的鍍在光纖表面，鍍膜均勻致密有助于提高微結(jié)構(gòu)光纖傳感性能，為后續(xù)傳感實驗提供較好的實驗基礎(chǔ)。

為了研究微結(jié)構(gòu)對傳感增敏性能的影響，本研究選用加工了8個微槽的FBG光纖與未加工的光纖作對比，研究光纖磁傳感探頭和光纖氫傳感探頭兩種傳感器的中心波長漂移與磁場強度、氫氣含量的關(guān)系，結(jié)果如圖11所示。

由圖11a可知，隨著磁場強度的增大，兩種光纖磁傳感探頭的波長遷移量均不斷增大，8個微槽的FBG磁傳感探頭的波長漂移量變化更為顯著；8個微槽FBG磁傳感探頭的靈敏度最高可達0.6 pm/mT，而原始光纖探頭的靈敏度最高約為0.1 pm/mT。由圖11b可知，隨著氫氣含量的增大，兩種光纖氫傳感探頭的波長遷移量均不斷增大，8個微槽的FBG氫傳感探頭的波長漂移量增大更明顯；當氫氣體積分數(shù)為4%時，8個微槽的FBG氫傳感探頭對氫氣的響應(yīng)靈敏度約為原始光纖探頭的5倍。由此表明，微結(jié)構(gòu)能夠有效提高傳感材料的傳感性能。

4 結(jié)論

利用飛秒激光在光柵光纖包層上制備三維直槽微結(jié)構(gòu)，并研究了微結(jié)構(gòu)FBG光纖的表面形貌，以及激光誘導(dǎo)的折射率變化，并以微型結(jié)構(gòu)光柵光纖磁傳感探頭和氫傳感探頭為例進行了實驗研究，得到了以下結(jié)論。

1）隨著激光能量的增加，槽深變深，去除磨屑后，槽的表面微觀形貌變?yōu)殓娙橹鶢?，柱狀方向與激光偏振方向垂直。

2）在光纖加工過程中，激光能量和輻照時間增加對光纖折射率變化和帶寬影響較大。隨著激光能量和輻照增加，光纖折射率變化量會持續(xù)增大，最終達到飽和，同時光纖帶寬也相應(yīng)變大。利用光纖耦合理論，進行了理論仿真驗證。

3）光纖中誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的機理主要是由高沖擊激光功率引起光纖中的應(yīng)力和密度引起的，通過退火實驗排除了色心理論。

4）鍍有TbDyFe涂層的FBG磁傳感探頭的磁靈敏度比原始FBG探頭提高了5倍以上，鍍有Pd/Ag涂層的FBG氫傳感探頭的氫氣靈敏度提高了4倍以上。因此，微結(jié)構(gòu)FBG具有制作簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點，在傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。