可定制波长光纤光栅传感器及其制备原理

光纤Bragg光栅（FBG）是在光纤纤芯中引入周期性折射率调制而形成的窄带滤波器件，其周期为几百纳米到几微米。FBG能对特定的波长进行反射，该特定波长满足Bragg谐振条件，与光栅的折射率调制量及周期成正比，被称为Bragg中心波长。FBG是光信息领域的重要器件，在光纤通信（滤波器、色散补偿器）、光纤传感（温度、应变、压力、振动传感器）和光纤激光器（反射腔镜、分布反馈腔、脉冲展宽/压缩器）中得到了广泛应用。

可定制波长光纤光栅传感器及其制备原理

光纤Bragg光栅原理示意图▲

光纤光栅制备技术发展历程

可定制波长光纤光栅传感器及其制备原理

第一支FBG于1978年由加拿大通信研究中心的K.O.Hill研制。Hill首次发现了掺锗石英光纤中的光敏性，并采用驻波法制备出FBG作为氩离子激光器的反射镜。驻波法制备光栅的中心波长与光源的波长相等，不能灵活选择需要的反射波长，此外激光直接诱导的纤芯折射率变化量较小，需要制备几十厘米甚至米量级的光栅提高反射率，影响了FBG的实用化。经过十多年的发展，到1993年，人们逐步开发了全息干涉法、相位掩模法和直写法进行光栅刻写，实现了灵活的波长选择，几乎能制备任意中心波长的FBG；同时也发展了纤芯重掺锗和高压载氢等紫外增敏技术，提高了栅区的折射率变化量，使FBG的反射率灵活可控，为光纤光栅的大规模制备和应用奠定了坚实的基础。

另外，随着超快激光器的进步，人们获得了具有超高峰值功率的材料加工利器——飞秒激光器，并很快被应用到了光纤光栅的制备中。

1999年，日本科学家第一次将飞秒激光器用于长周期光纤光栅的刻写，开启了飞秒刻栅的大门。经过数年的发展，到2004年，飞秒直写法和飞秒相位掩模法制备光纤光栅技术逐步完善，并受到越来越多科研院所的关注。近年来，随着飞秒激光器和飞秒刻栅技术的进一步成熟，飞秒刻栅也开始步入实用化开发和应用阶段。

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(左)飞秒激光相位掩模法，(右)飞秒激光直写法 ▲

飞秒刻栅和紫外刻栅对比

两者最大的区别是形成栅区折射率变化的机制完全不同。

紫外刻栅采用的光源是纳秒脉冲的准分子或固体激光器，光纤需要经过载氢或重掺杂形成色心能级以提高紫外光敏性，纤芯被紫外光照后会发生线性吸收，引起折射率变化，被称为光折变效应。紫外光折变形成的栅区结构在超过300℃的高温下并不稳定，会逐渐被漂白失去效果。

飞秒刻栅一般采用近红外的飞秒激光器，光纤也不需要特殊处理。虽然单个红外光子能量比紫外光子能量低得多，无法在光纤内诱发线性吸收过程，但飞秒脉冲具有超高的峰值功率，经过透镜聚焦后能量密度进一步提升，很容易在光纤内引起非线性吸收，即同时吸收多个光子发生能级跃迁，形成折射率变化。当入射脉冲能量较低时，非线性吸收使材料局部迅速熔化并凝固产生折射率改变，由此形成的光栅并不具备高温稳定性，被称为Type I型光栅；当脉冲能量较高，超过材料损伤阈值后，能产生等离子爆炸形成永久性的折射率改变，使光栅结构具备长期的高温稳定性，被称为Type II型光栅，其能承受的温度上限可达到光纤的软化温度，对于石英光纤约1000℃，对于蓝宝石光纤为2050℃。

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飞秒激光诱导透明介质折射率变化机制▲

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Type I型和Type II型飞秒光栅透射谱及显微结构图▲

相对于紫外光栅，飞秒光栅具备如下优势：

光栅结构更稳定，耐高温、耐辐射，适用于极端环境应用

制备工艺更简单，光纤不需要敏化处理，也不用去除涂覆层，飞秒激光可直接透过丙烯酸酯或聚酰亚胺涂层刻写，成栅后的机械强度高、可靠性好

光纤类型更多样，除了普通石英光纤，飞秒激光还可在纯石英光纤、蓝宝石光纤、微结构光纤、聚合物光纤、中红外光纤等特种光纤中刻写光栅

目前，国外的飞秒刻栅技术较为成熟并实现了商业化量产，如加拿大的TeraXion公司，其生产的飞秒光栅已应用于高功率光纤激光器中，德国的FBGS公司和FemtoFiberTec公司，可为极端环境光纤传感提供飞秒光栅产品。国内的飞秒刻栅应用以高校研究为主，相关的科研单位包括吉林大学、深圳大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京信息科技大学大学、西安交通大学等等。

对于常用的两种飞秒刻栅手段，即飞秒直写法和飞秒相位掩模法，虽然前者对加工平台的稳定性和精度要求更高，但其具有更好的灵活性，特别是借助于飞秒激光的三维加工特性，可实现复杂结构及新型光栅的刻写。通过位移台的精密移动，能在光纤的任意位置刻写任意周期和任意结构的光栅，如并行集成FBG、多芯集成FBG、取样FBG、啁啾FBG、螺旋FBG等。新结构新材料光纤光栅的制备是目前的研究热点，也为飞秒刻栅开辟了新的应用方向。

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