法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具瞬時光敏性測量

鄒林兒，沈 云，李 寅，武煜宇

（南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院，南昌 330031）

0 引言

具有光敏性的光纖常用來制備光子功能器件，如光纖光柵［1-2］、光敏傳感器件［3-4］，在光纖光子學(xué)領(lǐng)域里有著科學(xué)和工程方面的廣泛應(yīng)用。自1978 年Hill等［5］發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏性以來，人們對光纖光敏性的研究一直在進(jìn)行［6-8］。目前，雖然具有光敏性的特種光纖得到了開發(fā)，如硫系玻璃光纖［9］，但對光纖光敏性的微觀機理還不是很清楚，主要由于光敏性變化過程的復(fù)雜性及缺乏相應(yīng)詳細(xì)的瞬時實驗數(shù)據(jù)。

本文應(yīng)用法布里－珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）標(biāo)準(zhǔn)具原理設(shè)計搭建了可詳細(xì)測量光纖纖芯的瞬時光敏性變化的實驗平臺。該平臺采用長焦距透鏡，可得到沿光軸向較長深度的聚焦光斑，利于在光照區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)均勻光照；同時能獲得具有較高對比度的透射光譜波形圖，光譜圖形質(zhì)量良好，可實現(xiàn)測量瞬時折射率變化精度達(dá)到10－5數(shù)量級。

1 實驗原理與裝置

FP標(biāo)準(zhǔn)具是通過劃分振幅來產(chǎn)生大量相互相干的光束而設(shè)計的光學(xué)元件，被廣泛應(yīng)用于光譜測量［10］、精密計量［11］、傳感器［12］等方面，圖1 所示為FP標(biāo)準(zhǔn)具基本結(jié)構(gòu)及光束傳播的示意圖。FP 標(biāo)準(zhǔn)具由2 個平行且部分反射的端面（鏡面）組成，在其內(nèi)部，入射光束被無數(shù)次反射，多個透射光束發(fā)生干涉。任意2 條相鄰?fù)干涔馐墓獬滩顬?nLcos θ，其中，n表示2反射端面間材料的折射率，L表示2 個反射端面的間距，θ表示入射光束的折射角。本文僅考慮FP標(biāo)準(zhǔn)具的正入射，即θ ＝0°，則相鄰?fù)干涔馐南辔徊瞀娜Q于它們的光程差，表達(dá)式［13］為

圖1 FP標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)及光束傳播示意圖

式中，λ0為測量波長。

采用波長掃描法（或光譜法），F(xiàn)P 標(biāo)準(zhǔn)具出現(xiàn)最大干涉條紋功率值（透射峰值）時相位

式中，m表示干涉級數(shù)；λm是第m干涉級數(shù)對應(yīng)的波長。因此，在如圖2 所示標(biāo)準(zhǔn)具輸出的透射光譜圖形中，透射峰位置取決于測試光的瞬時φ，其相鄰峰的λ間隔是自由光譜區(qū)（Free Spectral Range，F(xiàn)SR），由式（2）可得：

圖2 FP標(biāo)準(zhǔn)具輸出的透射光譜圖，以及因標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)部微小折射率變化引起的透射光譜波形位移

由于光在FP 標(biāo)準(zhǔn)具鏡面間多次菲涅爾反射，只要FP標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)部存在微小的折射率變化Δn，則干涉的波形圖就會發(fā)生位移Δλ（見圖2）。

圖3 所示為FP標(biāo)準(zhǔn)具測量光纖樣品瞬時光致折射率變化的實驗裝置示意圖。該實驗裝置是由光照射系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩部分組成，其中放置于專用夾具上具有一定長度L的FP 標(biāo)準(zhǔn)具由光纖樣品制作而成。在光照射系統(tǒng)中，照射光源（激光）經(jīng)可調(diào)衰減器后由擴束透鏡組擴束，通過柱面透鏡形成一定長度和寬度的光斑照射在樣品上，其中光照時間采用高速電子快門（最高達(dá)1 ms）控制。在測試系統(tǒng)中，測量光源光束經(jīng)高數(shù)值孔徑的單模光纖端面耦合進(jìn)出被測光纖樣品，輸出端用高分辨率光譜儀進(jìn)行光譜監(jiān)測。

圖3 FP標(biāo)準(zhǔn)具測量瞬時光致折射率變化的實驗裝置示意圖

當(dāng)光纖樣品的纖芯折射率在光照長度l中改變Δn時，相應(yīng)的相位變化Δφ ＝4πΔnl／λ0，會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)具Δλ ＝FSR ×（Δφ／2π）。利用光譜儀追蹤測量Δλ，可計算出Δn，即

另外，制作FP標(biāo)準(zhǔn)具時長度不宜太長，否則FSR太小，低于光譜儀的分辨率，則觀察不到整個FSR。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實 驗

在圖3 的實驗裝置中，采用連續(xù)的雙頻Nd：YAG激光器作為照射光源，照射波長為532 nm，光源光束經(jīng)擴束透鏡組擴束和柱面透鏡聚焦后，在樣品表面上形成高度約1.1 mm、寬度約5 mm的呈高斯強度分布光斑。為保證沿光軸向的光纖樣品橫截面深度范圍光均勻照射，選擇焦距長70 cm 的柱面透鏡。在測試系統(tǒng)中，采用線性偏振、寬帶約為1 520～1 570 nm的放大自發(fā)輻射光源ASE作為測試光源，選用高分辨率為10 pm的光譜儀。測試樣品選用具有光敏性的As2S3硫系玻璃光纖，其纖芯／包層對應(yīng)的直徑約為8／140 μm，纖芯n＝2.415。用超聲波刀直角切割長度為15 mm的As2S3光纖制作為兩端面光滑且平行的FP標(biāo)準(zhǔn)具，正入射時估算到FP 標(biāo)準(zhǔn)具的端面反射率約為17%，波形圖具有較高對比度（消光比）。該實驗裝置置放于氣墊精密隔振光學(xué)平臺，防止微小振動破壞光路，確保光路穩(wěn)定性。

通過高速電子快門瞬時控制光照時間，圖4 所示為As2S3光纖樣品在光照時間相隔2 s前后光譜分析儀（Optical System Analysis，OSA）跟蹤的波形圖位移情況，顯示出波形圖具有較高的對比度，光譜圖形質(zhì)量良好，清晰可辨，其峰-谷值可高達(dá)0.12 μW。由圖4可知，測量得到Δλ ＝14 pm，通過式（4）可計算出該瞬時Δn＝6.5 ×10－5，測量精度達(dá)到10－5數(shù)量級。在該實驗中各參數(shù)是n＝2.415，L＝15 mm，l＝5 mm，λ0＝1 550 nm，利用式（3）算出FSR ＝30 pm。

圖4 硫系玻璃光纖在光照射時間相隔2 s前后OSA實測的波形圖

實驗中，光剛開始照射時，因折射率變化敏感性強，可設(shè)置每次光照時間為0.1 s；隨著光照時間延長，折射率變化敏感性減弱，設(shè)置每次光照時間可逐步增加以滿足能反應(yīng)動態(tài)特性的要求。另外，為了消除光照時累計熱效應(yīng)的影響，每次停止照射間隔設(shè)置為10 s。

2.2 硫系玻璃光纖瞬時光敏性

圖5 所示為光照功率為分別9、20 和30 mW 時，As2S3光纖纖芯的瞬時Δn與光照時間t的關(guān)系。由圖5 可知，在照射波長為532 nm 的光照射下As2S3光纖纖芯光致折射率變化存在兩個過程：光照開始時，Δn朝減小方向變化，即負(fù)變化，該變化過程是持續(xù)時間較短，為快過程；之后光照時間的延長，Δn開始緩慢朝正方向恢復(fù)，且隨著光照時間進(jìn)一步增加，Δn會出現(xiàn)正增長，為慢過程。光照功率為9 mW 時［見圖5（a）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間為227 s，Δn＝－0.062 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝1 230 s時Δn出現(xiàn)正增長，t＝3 500 s時Δn＝0.061 ×10－2。當(dāng)光照功率增加到20 mW時［見圖5（b）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間縮短為49 s，Δn＝－0.057 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝189 s時Δn出現(xiàn)正增長，t＝3 500 s 時，Δn＝0.361 ×10－2。當(dāng)光照功率繼續(xù)增大到30 mW 時［見圖5（c）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間進(jìn)一步縮短至28 s，Δn＝－0.023 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝80 s時，Δn出現(xiàn)正增長，在t＝3 500 s 時，Δn增長約為0.573 ×10－2。

圖5 不同光照功率下FP標(biāo)準(zhǔn)具測量As2S3 光纖纖芯的瞬時光致折射率變化與光照時間的關(guān)系

實驗結(jié)果表明，隨光照功率的增大，第1 快過程中的光致折射率負(fù)變化程度（幅度）減弱，經(jīng)歷的時間縮短，在一定光照功率下縮短至數(shù)10 s；而第2 個慢過程中，隨著光功率的增大，光致折射率正變化程度增強，且呈現(xiàn)正增長的Δn經(jīng)歷時間也顯著縮短。

綜上分析可得知，As2S3光纖纖芯的瞬時光致折射率動態(tài)變化特性顯示出在As2S3玻璃的準(zhǔn)帶隙光532 nm光照射下，存在2 個過程，這2 個過程持續(xù)時間與光照功率有關(guān)，結(jié)合文獻(xiàn)［14-15］中分析，第1 個快過程是源于缺陷態(tài)產(chǎn)生，持續(xù)時間與光照強度成反比例關(guān)系，此時缺陷態(tài)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)；進(jìn)入第2 個慢過程會使缺陷態(tài)穩(wěn)定化，穩(wěn)定過程持續(xù)時間取決于產(chǎn)生的缺陷數(shù)量，最終飽和態(tài)的折射率增加幅度隨光照強度的增加而增加。

3 結(jié)語

本文設(shè)計搭建了法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具原理測量瞬時光致折射率動態(tài)變化的實驗平臺。該實驗平臺能在較長光照深度內(nèi)實現(xiàn)均勻光照，同時獲得的透射光譜波形圖具有較高的對比度，光譜圖形質(zhì)量良好，測量瞬時折射率變化精度可達(dá)到10－5數(shù)量級。通過該實驗平臺測量了硫系玻璃光纖的纖芯瞬時光致折射率變化。結(jié)果表明，硫系玻璃光纖光致折射率變化存在2個過程，這個2 個過程經(jīng)歷的時間和折射率變化受光照功率的影響，這些實驗數(shù)據(jù)可將應(yīng)用于工程上刻寫光纖光柵或制作光敏傳感器等。

該平臺，還可通過改變光照光源，進(jìn)行光敏性與光照波長的關(guān)系研究；也可設(shè)計樣品夾具施加外場作用，如施加張力，用來研究光敏性與外場作用的關(guān)系等。同時，該實驗平臺也可用于本科生科研訓(xùn)練和光電信息類碩士研究生專業(yè)實驗教學(xué)，能使得學(xué)生深入理解FP標(biāo)準(zhǔn)具原理及掌握其用于測量光纖折射率變化的原理與方法，提高實驗技能［16］。

教育是民族振興、社會進(jìn)步的重要基石，是功在當(dāng)代、利在千秋的德政工程。今天，黨和國家事業(yè)發(fā)展對教育的需要、對科學(xué)知識和優(yōu)秀人才的需要比以往任何時候都更為迫切。緊密團結(jié)在以習(xí)近平同志為核心的黨中央周圍，全面貫徹黨的教育方針，堅持中國特色社會主義教育發(fā)展道路，我們就一定能辦好人民滿意的教育，不斷培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興奠定堅實基礎(chǔ)、提供有力支撐。

——摘自《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》