制备光纤光栅的飞秒激光技术

近些年，我们制备的三种FBG分别是飞秒激光刻写并联集成FBG、双光束干涉刻写FBG阵列、螺旋FBG。飞秒激光刻写并联集成FBG中的每个FBG刻写在纤芯区域内；双光束干涉刻写FBG阵列是通过相位掩模版将紫外激光和飞秒激光分成正负一阶的光，将二者会聚后，使用干涉条纹形成FBG，通过改变旋转夹具角度使衍射角发生变化，进而改变干涉条纹的间距制备出不同周期结构的FBG；螺旋FBG是在加载FBG的同时，高速旋转并横向移动光纤制备而成，适用于一些特殊场合，例如电流互感器、电流或电场的监测等。目前我们使用飞秒激光制备的高质量FBG，插入损耗极低，通过优化参数可以达到0.03 dB的插入损耗，反射率高达99.99％。我们还制作了高达20 dB的边模抑制比的切趾光栅、低偏振相关性的FBG，以及掺铒有源光纤上直接写入相移的FBG。我们知道，目前的光纤激光器对FBG是有需求的，在制备光纤激光器之前，FBG一般都刻写在普通光纤上，很难写在有源光纤上，通过飞秒激光可以有效克服这一难题。近几年，近红外光纤激光器较为热门，我们把FBG直接写在近红外光纤上，做到2μm、3μm甚至是4μm长度的光纤上，从集成度来说，性能更优。

我们给出了一些FBG的示例。在光纤激光器中，我们希望把光栅写在泵浦光的波长处，实现了一个850 nm波段的FBG，反射率达到99.99％，插入损耗为0.71 dB；实现了一个980 nm波段的FBG，反射率达到99.95％，插入损耗为0.65 dB；还制备了850 nm和1550 nm波段处的串联集成波分复用FBG阵列，就是在一个光纤做一系列FBG，其波段位置可以调整，选择性非常强。

以上主要介绍了普通FBG的制备技术，下面分别介绍使用飞秒激光逐点法和飞秒激光逐线法制备串并联集成的FBG。

1）飞秒激光逐点法

通过飞秒激光照射后，光纤纤芯的折射率发生周期性调制，这种光纤的折射率调制发生在纤芯区域里，我们考虑在单模光纤的纤芯中制备多个FBG，即在轴向的相同位置和径向的不同位置制备多个FBG。首先在光纤的几何中心采用逐点法制备一个FBG，然后分别在光纤截面的0°、90°、180°、270°方位制备不同的FBG，这5个FBG都在纤芯中，两两之间的空间距离需要被精确地控制（2～3μm）。我们知道单模光纤纤芯直径为9μm左右，这5个FBG制备的间距不能太大，以免FBG制备到包层里；同时间距不宜过小，避免串扰。我们分别制备了单个FBG和纤芯中并联3个FBG，从二者的反射谱和透射谱可以看出，制备一个FBG后，制备第二个FBG并不会对已经制备的FBG性能产生影响，即并联新的FBG不会对其他FBG产生影响。只要控制好不同FBG之间的间距，彼此就互不干扰。(www.xing528.com)

并联集成的FBG的反射波长可以相同，也可以不同。我们对此分别制备了2个、3个、4个FBG并联的结构，每个FBG的周期不同，其反射波长不同，可以实现波分复用。同样，也可以把并联集成的N个FBG制备成相同的反射波长，从透射谱上来看最为直接，这些FBG的周期相同、波长一致，相当于几个FBG的叠加，优势在于该FBG的长度可以大大缩短。我们知道，FBG的反射率大小与折射率调制有关，另一方面也与周期数有关，几乎是成比例的关系，周期数越多，反射率在相同情况下就越大。而紫外激光制备的FBG长度一般为10～20 mm，在做传感应用时，探测的参数是在20 mm长的FBG上的平均效果，所以该传感器的空间分辨率是20 mm，该传感器无法应用在对空间分辨率要求更高的场合。用并联集成的FBG可以将传感器长度做到500μm以下，具有高反射率和高空间分辨率。

2）飞秒激光逐线法

飞秒激光逐线法刻写FBG就是用飞秒激光以线的形式将FBG写入光纤，进行周期性折射率调制。逐点法和逐线法各有优势，逐线法适用于相移FBG和啁啾FBG的制备。我们实际制备了倾斜FBG，就是在飞秒激光逐线法制备过程中，让划线存在一定角度的偏移，可以是7°、14°或者21°。我们还制备了编码FBG，利用FBG实现编码，有反射峰的波长位置编为1，没有反射峰的波长位置编为0，在光纤不同的位置制备FBG，再在时域和频域上解调，实现一种编码的效果。