飞秒激光逐点刻写法能根据传感需求, 灵活调制中心波长、 光栅间距和长度, 所需激光脉冲能量较低(通常为10~100 nJ), 但存在插入损耗较大、 光谱噪声较高、 折射率变化不均匀、 纤芯对准时间长等问题。

2016年, Zhang等^[19]利用飞秒激光逐点刻写法在纤芯中引入振幅调制, 制备采样光纤光栅的3 dB带宽小于0.2 nm, 有望用于多波长光纤激光器。 2019年, Wang等^[20]利用飞秒逐点刻写法在单模光纤上写制平行集成的FBG, 具有93%的峰值反射率和1.44 nm的3 dB带宽, 实现1 100 ℃的温度传感, 空间分辨率小于1 mm。 2020年, Liu等^[21]在保偏光纤(熊猫型和领结型)上逐点刻写FBG如图2(a)所示。 保偏光纤光栅的反射谱具有如图2(b)所示的双峰特性, 其中领结型的温度灵敏度为14 pm· ℃^-1。

图2

Fig.2

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	图2 飞秒激光逐点刻写保偏光纤[21] (a): 飞秒逐点刻写熊猫型保偏光纤; (b): 领结型保偏光纤光栅的反射光谱图Fig.2 Femtosecond laser writing polarization-maintaining fiber point by point[21] (a): Femtosecond laser writing Panda polarization maintaining fiber; (b): Reflection spectrum of Bow-tie polarization maintaining fiber grating

2022年, Su等^[22]利用飞秒激光逐点刻写法在单模光纤的包层上实现Ⅱ 型FBG的写制, 8个串联形成的FBG的插入损耗小于0.06 dB, 实现了传感器阵列的复用功能。 2023年, Chen等^[23]利用狭缝光束整形辅助飞秒激光逐点刻写法, 制备了反射率高达99.9%、 插入损耗仅为0.03 dB的FBG, 在通信、 光纤传感和激光器等领域具有应用价值。

飞秒激光聚焦的折射率调制区域呈高斯分布时, 会导致FBG与纤芯模场重叠积分值相对较小的问题^[18], 为解决此问题, 出现了两种基于逐点刻写逐线和逐面刻写法。

飞秒激光逐线刻写法比飞秒激光逐点刻写法具有折射率变化更均匀、 折射率调制区域更广泛、 偏振损耗和相位噪声更低等优点, 但长周期光纤光栅(周期为10~100 μ m)^{[24, 25]}的制备效率相对较低。

2010年, Zhou等^[26]利用飞秒激光逐线刻写法制备了传输损耗为17 dB, 插入损耗为0.5 dB的四阶FBG。 2016年, Antipov等^[27]利用红外飞秒激光连续纤芯扫描技术实现了长度为19.5 cm、 光谱带宽为30 nm、 群延迟色散为2 ns的啁啾光纤光栅。 2019年, Xu等^[28]利用飞秒激光多层逐线扫描法在蓝宝石光纤上制备了反射率为34.1%的双层FBG。 2019年, Bharathan等^[29]利用飞秒逐线刻写法在软玻璃ZBLAN光纤上写制FBG, 研究了光栅阶数对耦合系数的影响, 光栅阶数为三阶时, 使用0.6 NA的干式物镜具有更高的耦合系数, 光栅反射率更高, 如图3(a)所示; 研究了光栅横向长度对耦合系数和反射率的影响, 当横向长度为4 mm时, 反射率达90%, 如图3(b)所示; 采用0.6 NA的干式物镜, 制备的FBG的反射率为96.2%、 插入损耗仅为0.34 dB。

图3

Fig.3

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	图3 光栅耦合系数与光栅阶数和横向光栅长度的变化关系[29] (a): 耦合系数与光栅阶数; (b): 耦合系数与横向光栅长度Fig.3 Relationship between grating coupling coefficient and grating order and transverse grating length[29] (a): Coupling vs grating order; (b): Coupling vs transverse grating length

2022年, She等^[30]利用飞秒逐线刻写法首次在氟铝酸盐光纤上制备了反射率高达99.5%、 插入损耗< 1.1 dB的三阶FBG, 图4(a)为激光能量对光栅透射谱的影响, 激光能量为3.6 μ J时, 透射强度最深, 图4(b)为激光能量对耦合系数和光栅带宽的影响, 当激光脉冲能量为3.6 μ J时, 耦合系数最高, 具有开发中红外激光器的潜力。

图4

Fig.4

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	图4 激光脉冲能量对光栅的影响[30] (a): 透射谱强度; (b): 耦合系数和带宽Fig.4 Effect of laser pulse energy on grating[30] (a): Transmission intensity spectra; (b): Coupling coefficient and bandwidth

飞秒激光逐面刻写法避免了飞秒激光逐点和逐线刻写法存在的纤芯难对准的问题, 通过控制光栅在纤芯和包层的覆盖面积, 可以实现如随机光纤光栅等各种复杂结构的FBG。 与逐点法相比, 所需的激光脉冲能量较高, 未吸收的激光脉冲能量会导致额外的折射率调制^[18]。

2017年, Theodosiou等利用^[31]飞秒激光逐面刻写技术在多模聚合物光纤上写制了6个四阶FBG阵列, 平均3 dB带宽为1.39 nm, 解决了多模光纤的多反射光谱的问题。 同年, Lu等^[32]利用飞秒激光逐面刻写技术, 在实验装置中增加一个柱面透镜, 将柱面调制转换为平面调制, 制备得到插入损耗仅0.5 dB的FBG, 但需要10 mm的光栅长度。 2018年, Goya等^[33]报道了利用飞秒激光逐面刻写法在掺铒氟化物玻璃光纤中刻写了长度为2.5 mm、 反射率高达97%的一阶FBG, 制作的激光振荡器的半峰宽为0.12 nm。 2020年, Roldan-Varona等^[34]在物镜之前插入狭缝, 通过调整狭缝宽度实现光束整形, 图5(a)表示狭缝宽度与峰值反射率和带宽的关系, 当狭缝宽度为1 mm时, 飞秒激光逐面刻写法制备的FBG具有0.69 nm的3 dB带宽。 图5(b)表示与逐点法制备的FBG相比, 逐面法制备的FBG具有更低的偏振损耗, 能量效率也相对较低。 2023年, Willer等^[35]在保偏光纤上利用飞秒激光逐面刻写法制备了带宽为0.749 nm、 反射率为80%的切趾啁啾光纤光栅, 可用于超快全光纤激光器中的色散补偿元件。

图5

Fig.5

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	图5 飞秒激光逐线刻写光纤光栅[34] (a): 狭缝宽度与带宽和反射率的变化曲线图; (b): 波长与偏振损耗的变化曲线图Fig.5 Femtosecond laser writing fiber grating line by line[34] (a): Variation plot of slit width and bandwidth and reflectivity; (b): Variation plot of wavelength and polarization loss

综上, 飞秒激光直写光纤光栅已经在单模光纤、 蓝宝石光纤、 保偏光纤等多种光纤上实现了光栅的刻写, 光栅类别实现从均匀光栅到非均匀光栅的转变, 并在光纤传感器、 光纤激光器、 光纤拉伸器等领域得到广泛应用。 通过增大折射率调制区域的面积、 插入可调谐狭缝均可提高光栅的峰值反射率, 实现高质量光栅的制备。

表1为飞秒直写法制备的光纤光栅性能的对比。 飞秒激光逐线刻写法写制较长的光栅时反射率较低。 与飞秒激光逐点和逐线刻写法相比, 逐面刻写法需要使用更高的激光脉冲能量才能获得高反射率。 飞秒激光逐点法虽然调焦时间长, 但该方法是最简便的方法, 获得反射率、 3dB带宽和插入损耗也能满足应用需求。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 飞秒直写法制备的光纤光栅性能的对比 Table 1 Comparison of fiber gratings prepared by femtosecond direct writing Ref. Fabrication method E/nJ Length/mm Reflectivity Band width/nm Insert loss/dB Year [19] Point-by-point 200 8 60% 0.2 0.8 2016 [20] Point-by-point 200 500 93% 1.44 2019 [21] Point-by-point 3 2020 [22] Point-by-point 300 2 < 0.06 2022 [23] Point-by-point 19 40 > 99.9% 0.092 0.03 2023 [26] Line-by-line 85 4 0.69 < 0.5 2010 [27] Line-by-line 83 195 13% 30 2016 [28] Line-by-line 32.5 2 34.1% 1.32 2019 [29] Line-by-line 125 5 96.2% 1.04 0.5 2019 [30] Line-by-line 3.6 9 99.5% 1.1 < 1.1 2022 [31] Plane-by-Plane 80 0.65 1.39 2017 [32] Plane-by-Plane 1 900 10 0.5 2017 [33] Plane-by-Plane 150 2.5 97% 0.12 0.46 2018 [34] Plane-by-Plane 4 930 1 -5 dB 0.69 0.3 2020 [35] Plane-by-Plane 3.49 80% 0.749 2023

表1 飞秒直写法制备的光纤光栅性能的对比 Table 1 Comparison of fiber gratings prepared by femtosecond direct writing

激光脉冲能量诱导纤芯折射率发生永久性改变^{[36, 37, 38, 39]}, 影响光栅的反射峰高度。 若激光脉冲能量过大, 相邻光栅的间距变小, 出现重叠边缘, 导致光谱失真, 降低与反射峰高度正相关的模式耦合效率^[40], 还可能会使纤芯材料受损或形成空隙, 导致衍射峰高度增加, 3 dB带宽增加。 若激光脉冲能量过小, 无法诱导纤芯材料的折射率改变实现光纤光栅的写制, 或者纤芯材料的折射率调制量无法实现高反射峰的FBG。 Xu等^[41]通过调控激光脉冲能量在单模光纤上实现超宽带光栅的刻写, 采用1 mm的光栅长度、 29.2 nJ的激光脉冲能量和120的光栅阶数, 制备的超弱光栅阵列具有0.003 2%的峰值反射率。 图6(a)所示为五种不同强度的激光能量实现超宽带光栅的反射谱, 图6(b)所示为峰值反射率和带宽随激光脉冲能量变化的关系图。 可见, 随着激光脉冲能量的增加, 峰值反射率增加, 带宽几乎不变。 因此, 通过合理的调控激光脉冲能量使其经历一个由小到大再到小的变化过程, 利于改变相邻光栅的重叠边缘, 获得高反射峰的FBG, 提升光谱质量。

图6

Fig.6

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	图6 激光脉冲能量对光谱的影响[41] (a): 五种超带宽光纤光栅的反射光谱; (b): 峰值反射率和带宽随激光脉冲能量变化的关系图Fig.6 Effect of the laser pulse energy on the optical spectrum[41] (a): Reflection spectra of five Ultra-weak fiber Bragg gratings; (b): The evolutions of peak reflectivity and bandwidth with the pulse energy

根据均匀光栅的最大反射率公式R=tanh²(κ L)^{[42, 43]}(其中κ 为耦合系数, L为光栅长度)可知, 光栅的峰值反射率与光栅长度密切相关, 通过适当增加光栅的物理长度L, 可以使光谱的3 dB带宽变窄, 提高光栅的反射率。 Zhang^[17]利用飞秒激光逐点刻写法在单模光纤上分别刻写光栅长度为1、 2和5 mm的FBG, 反射光谱如图7(a)— (c)所示, 反射高度和3 dB带宽的关系如图7(d)所示, 反射峰高度随着光栅长度的增加而增加, 光谱3 dB带宽随着光栅长度的增加而变窄。 当光栅长度为5 mm时, 反射峰值为24.62 dB、 3 dB带宽为0.289 nm。 虽然光栅长度的增加可以获得高反射峰值, 但增加了写制难度, 对调焦程序也提出了更高的要求, 因此, 选择合适的光栅长度, 对实现高质量光栅是十分重要的。

图7

Fig.7

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	图7 不同光栅长度的光谱图[17] (a): 1 mm; (b): 2 mm; (c): 5 mm; (d): 光栅长度变化与反射峰值和带宽的关系Fig.7 Spectra with different grating lengths[17] (a): 1 mm; (b): 2 mm; (c): 5 mm; (d): Evoluations of peak reflectivity and bandwidth with the grating length

Bharathan等^[44]在掺杂氟化物和过渡金属的InF3光纤上刻写的FBG比在聚合物光纤上刻写的FBG具备较高的热稳定性和反射率, 但3 dB带宽有所增加。 Zhang等^[17]采用飞秒激光逐点刻写法在标准的单模光纤上制备了11.79 dB的反射峰高度和0.763 9 nm带宽的FBG如图8(a)所示。 Meng等^[4]在熊猫型保偏光纤上逐点实现反射率为-10 dB的光栅, 该光栅表现出双峰特性如图8(b)所示。 He等^[45]利用飞秒激光逐面刻写法实现蓝宝石光纤光栅的制备, 如图8(c)所示该光栅表现出6.34%的增强反射率和3.43 nm的3 dB带宽。 Chen等^[46]利用飞秒激光逐点技术在ZBLAN光纤上制备了如图8(d)所示的高反射率和低反射率的FBG, 其中反射率达到了98.4%, 3 dB带宽为0.3 nm。 不同类型的光纤具有相似的刻写结果, 飞秒直写法适用于写制多种类型的光纤。

图8

Fig.8

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	图8 不同类型光纤制备的FBG的光谱 (a): 标准单模光纤[17]; (b): 熊猫型光纤[4]; (c): 蓝宝石光纤[45]; (d): ZBLAN光纤[46]Fig.8 Spectra of the FBG prepared with different types of optical fibers (a): Standard single-mode fiber[17]; (b): Panda fiber[4]; (c): Sapphire fiber[45]; (d): ZBLAN fiber[46]

飞秒激光脉冲的非线性吸收和雪崩电离, 使纤芯中聚焦的边缘形态是椭圆形微空隙, 导致飞秒激光直写的光纤光栅表现出高双折射。 由于光纤纤芯的不对称性使光纤光栅的耦合强度系数与散射损耗系数κ /α 的比值降低, 影响光纤光栅的反射率。 改变飞秒激光脉冲聚焦的几何形状, 降低双折射的技术方法大致分为四种^{[47, 48, 49, 50]}: (1) 柱面透镜整形法^[32]如图9(a)所示, Lu等通过在一个平凹透镜和一个平凸透镜组成的光束缩小镜后面放置一个柱面透镜, 以缩小光束直径匹配显微物镜的孔径, FBG的插入损耗为0.5dB, 但光路调整相对复杂。 (2) 狭缝光束整形法^[48]如图9(b)所示, Xu等通过在物镜之前插入一个可调谐狭缝, 改变狭缝宽度实现激光束的调整, 随着边缘尺寸的增加, 折射率调制面积将扩大, 模重叠因子增大, 实现了反射率高达99.12%、 插入损耗仅为0.3 dB的FBG。 (3) 球面像差法^[49]如图9(c)所示, Wu等利用盖玻片引入球面像差的方式, 扩展折射率调制区, 实现95.83%的高反射率FBG。 (4) 折射率匹配油法, Li等^[50]使用不同折射率的匹配油均匀的涂覆在光纤上, 再利用飞秒激光逐面刻写法制备光栅, 当折射率匹配油为1.7时, FBG的反射率达到98.1%、 插入损耗仅为0.23 dB, 光谱图如图9(d)所示, 当反射率相同时, 比飞秒激光逐点刻写法实现的FBG, 具有更低的插入损耗。

图9

Fig.9

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图9 光束整形实验 (a): 柱面透镜整形法[32]; (b): 狭缝光束整形法[48]; (c): 球面像差法[49]; (d): 飞秒激光逐点和逐面刻写法使用不同折射率匹配油的透射光谱图[50]Fig.9 Beam shaping experiments (a): Cylindrical lens shaping[32]; (b): Slit beam shaping[48]; (c): Spherical aberration method[49]; (d): Transmission spectra of two FBGs fabricated by femtosecond laser point-by-point and plane-by-plane engraving methods and different refractive index matching oils[50]

光栅切趾技术是提高光纤传感器灵敏度的另一种有效途径, 大致分为三种^{[51, 52, 53, 54, 55]}: (1) 斜向切趾法^[51]如图10(a)所示, Williams等^[52]改变飞秒激光逐点刻写法的移动轨迹制备高斯变迹光栅, 为实现复杂切趾轮廓的FBG提供一种简单的方法。 Ioannou等^[53]利用飞秒激光逐面刻写法制备了切趾光栅, 切趾后光栅的反射率高达98.246%, 3 dB带宽为0.547 5 nm。 (2) 能量切趾法^[54]如图10(b)所示, Guo等利用飞秒激光逐点刻写法结合半波片和偏振分束器制备了变迹FBG, 能量切趾后光栅的反射谱和透射谱如图10(c)所示, 光栅旁瓣被有效抑制, 反射率达到了75%。 通过改变飞秒脉冲的能量, 将折射率调制幅度作为高斯变迹函数, 获得更高的边摸抑制比, 提升光谱质量。 (3) 控制轨道长度法^[55]如图10(d)所示, He等利用飞秒激光逐线刻写法精确控制轨道长度实现光栅切趾, 使纤芯模式的强度分布近似高斯函数, 高斯切趾光栅具有20.6 dB的边模抑制比。 光栅切趾能很好地抑制衍射峰高度, 提升光谱质量, 改善光学器件的性能, 实现高品质的传感器和高功率激光器。

图10

Fig.10

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	图10 光栅切趾技术 (a): 斜向切趾法示意图[51]; (b): 能量切趾法实验装置图[54]; (c): 斜向切趾后光栅的光谱[54]; (d): 控制轨道长度实现切趾的示意图[55]Fig.10 Grating apodization technology (a): Schematic diagram of oblique apodization method[51]; (b): Schematic diagram of a energy regulation method[54]; (c): Spectral diagram of grating after oblique apodization[54]; (d): Schematic diagram of apodization by controlling track length[55]

综上, 从表2可以看出, 通过改善以上五种影响因素可以获得高反射率、 窄3 dB带宽的光谱。 其中激光脉冲能量对光栅形状、 大小和折射率调制强度起决定性因素, 设定合适的激光脉冲能量利于获取优质反射率的光谱。 狭缝光束整形法通过改变飞秒激光脉冲的折射率调制图案, 提高FBG的反射率, 而光栅切趾技术通过降低旁瓣高度, 提高光谱的边模抑制比, 减小延时振荡, 获取低插入损耗、 高反射率的光谱。 对光谱优化方法分析, 为获得高质量光栅和良好性能的光纤传感器提供了极大的帮助。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 飞秒激光直写光纤光栅的光谱优化方法对比 Table 2 Comparison of spectral optimization methods of femtosecond laser direct writing fiber gratings Ref. Optimization method E/nJ Length/mm Reflectivity Band width/nm Insert loss/dB Year [41] laser pulse energy 29.2 1 0.003 2% 0.69 2021 [17] grating lengths 5 24.62 dB 0.289 2023 [17] types of optical fibers 11.79 dB 0.763 9 2023 [4] types of optical fibers 50 10 dB 2017 [45] types of optical fibers 500 2 6.34% 3.43 2023 [46] types of optical fibers 27 20 98.4% 0.30 2022 [32] beam shaping 1 900 10 0.50 2017 [48] beam shaping 30 4 99.12% 0.30 2021 [49] beam shaping 80 0.5 95.83% 0.81 2023 [50] beam shaping 689.7 3 98.1% 0.23 2023 [52] grating apodization 230 10 2013 [53] grating apodization 100 5 98.246% 0.547 5 2023 [54] grating apodization 70 4 75% 0.18 2021 [55] grating apodization 2 66.4% 0.70 2021

表2 飞秒激光直写光纤光栅的光谱优化方法对比 Table 2 Comparison of spectral optimization methods of femtosecond laser direct writing fiber gratings