飛秒激光刻寫的超短光纖布拉格光柵及其傳感特性

敬世美， 張軒宇， 梁居發, 陳 超, 鄭鐘銘, 于永森*

(1.吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子國家重點實驗室，吉林 長春 130012； 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033)

飛秒激光刻寫的超短光纖布拉格光柵及其傳感特性

敬世美1， 張軒宇1， 梁居發1, 陳 超2, 鄭鐘銘1, 于永森1*

(1.吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子國家重點實驗室，吉林 長春 130012； 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033)

為了提高光纖光柵傳感器的測量精度及可靠性，實現點式測量，拓寬光纖布拉格光柵(FBG)的應用，本文提出了基于飛秒激光直寫掃線技術制備超短FBG。首先，在單模光纖上制備了周期為5.35 μm、長度為53.5 μm的超短FBG，其溫度和應力的靈敏度分別為0.011 nm/℃和1.509 nm/N；然后，用體積分數為4%的氫氟酸對制備超短FBG進行選擇性腐蝕，制備出了微通道超短FBG，并研究了它對NaCl溶液的傳感特性，其折射率靈敏度為69.11 nm/RIU。結果表明，這種微通道超短FBG具有高重復性、高可靠性、可多參數測量等優點。

飛秒激光刻寫；超短光纖布拉格光柵；溫度；應力；折射率

1 引 言

光纖傳感器具有體積小、抗電磁干擾、能在苛刻環境下測試等優點，得到廣泛研究和應用[1-4]。作為光纖傳感器中重要的一個分支，光纖布拉格光柵(FBG)傳感器具有插入損耗低、波長選擇性好以及可實現遠程遙感和分布式傳感等優點。飛秒激光具有超短脈沖寬度和高功率峰值等優勢，已廣泛應用于光纖光柵加工。2004年，阿斯頓大學的A. Martinez等人首次采用飛秒激光逐點刻寫直寫技術在標準單模光纖上刻寫了一到三階的FBG[5]，這種技術比較靈活，刻寫速度快。之后，麥考瑞大學的M. Withford教授和德國弗里德理西席勒·耶拿大學的A. Tunnermann教授帶領的課題組對飛秒激光逐點刻寫光柵的方法進行了系統研究[6-9]。吉林大學的梁居發等人[10]利用飛秒激光微加工技術在單模光纖上刻寫了布拉格光柵和長周期光柵并聯的結構，這不僅提高了光柵的性能，而且還降低了光柵的尺寸；他們還將該結構的傳感器用作多參數傳感。

目前制備的光纖光柵長度大都超過了2 mm，特別是采用掩模板技術制備的。這種較長的光柵在測量折射率時，因為折射率需要覆蓋整個光柵區域，所以會導致測試成本較高，且光柵受熱不均易造成測量誤差。因為體積和性能方面的要求，在實際應用中只需要很短的光柵。例如，在光學芯片中，因為體積的限制，只能使用長度較短的光柵。在需要對一個點進行監測時，較長的光柵受周圍環境的影響更大，易造成更大的測量誤差。為了增加FBG傳感器的靈敏度，拓寬傳感器的應用范圍，科研工作者不斷探索新的傳感器。Rui Yang等人[11]利用相位掩模板技術和腐蝕技術制備了一種新型的微孔陣列FBG傳感器，用于溫度和折射率的同時傳感。H. Fu 等人[12]利用飛秒激光微加工結合選擇性化學刻蝕在啁啾FBG上制作出了一段正好貫穿光柵中間部分的微通道，使得啁啾FBG的透射光譜出現明顯的反射峰，并對主次反射峰的折射率、溫度傳感響應特性進行了研究。

本文基于飛秒激光直寫掃線技術在SMF-28單模光纖上制備了一種長度為53.5 μm的超短FBG。這種超短FBG是目前已知同類光柵中最短的。首先研究了該超短FBG的溫度和應力特性，然后將該超短FBG在超聲水浴槽里進行選擇性腐蝕(腐蝕溶液選用體積分數為4%的氫氟酸溶液)，制備了一種基于腐蝕微通道的光纖超短FBG，之后在不同濃度氯化鈉溶液中測試折射率響應特性。這種超短FBG的有效傳感區域較小，降低了其他因素的影響，提高了傳感器的可靠性。同時，其制備工藝簡單，成本低，可以很好地應用于溫度、應力和折射率的傳感。

2 原理及制備過程

2.1 原 理

FBG是在光纖纖芯中引入周期性折射率調制而形成的光波導器件，光纖FBG中的耦合模式是指前向傳輸的波導模式與反射回來的波導模式之間的耦合。對于單模FBG來說，根據耦合模理論可知反射率R滿足[13]：

單模FBG的相位匹配條件為[13]：

式中，m為制備光柵的衍射階數，λB為光柵對應的諧振波長，neff為光纖纖芯的有效折射率，Λ為制備光柵的周期。

Rmax=tanh2(kL).

由此可知FBG的最大折射率是由光柵長度L和耦合系數k決定。而耦合系數k可表示為：

2.2 制備過程

超短FBG的制備是通過飛秒激光掃線直寫掃線方式實現的。飛秒激光加工過程是利用預先編制好的程序，通過控制三維加工平臺上光纖的移動距離和激光光閘的開關來實現光柵的加工。激光加工時，光柵的形貌可以通過加工系統中的CCD連接到電子計算機顯示器上進行顯示。飛秒激光加工過程的示意圖如圖1(a)所示。飛秒激光的加工參數為：頻率100 Hz，每個脈沖的能量80 nJ。加工過程中，激光焦點需對準光纖的上表面，通過三維加工平臺使光纖垂直于激光入射方向向上移動，這樣激光就可以沿著光纖直徑掃描一條線，這條線橫穿整個光纖。掃完一條線以后，控制三維加工平臺將光纖向右移動5.35 μm，然后再通過控制三維加工平臺將光纖向下移動，使激光焦點再次對準光纖的上表面。重復以上步驟，就可以掃描出11條折射率調制微通道，形成周期性結構。如果加工過多的周期，腐蝕后的光柵強度就會大大降低，這里選擇10個周期。掃描時步進電機的移動速度為20 μm/s，制備出的光纖布拉格光柵的周期為 5.35 μm，整個光柵長度為53.5 μm。將超短FBG放入體積分數為4%的氫氟酸中進行選擇性腐蝕，制備出的基于微通道的光纖FBG的結構示意圖如圖1(b)所示。光纖上飛秒激光作用過的區域會發生改性，其折射率亦會發生變化，這使得激光作用過的區域的腐蝕速度高于激光未作用區域的腐蝕速度，從而使得腐蝕具有選擇性。將制備的超短FBG用酒精棉擦拭干凈，然后放到體積分數為4%的氫氟酸中進行腐蝕，整個腐蝕過程在超聲水浴槽中進行，這樣可以使腐蝕的微通道光柵更加均勻，并且可以通過觀察光柵的反射光譜來控制腐蝕時間。當腐蝕開始時，光柵的光譜并沒有什么變化，因為此時氫氟酸正在腐蝕光纖的包層；腐蝕9 min之后，光譜開始發生變化，此時氫氟酸作用到光纖纖芯，光譜的反射率逐漸升高，并在腐蝕12 min左右時達到最高；隨著腐蝕時間繼續延長，光柵的質量逐漸變差，這是因為氫氟酸的過度腐蝕破壞了光柵的結構?；谖⑼ǖ赖某蘁BG的顯微照片如圖2所示。圖2(a)為基于微通道的超短FBG的側視圖，可知加工了10個周期的光柵，光柵分布均勻，通道腐蝕均勻。圖2(b)為基于微通道的超短FBG的俯視圖，可知通道寬度約為3 μm。

圖1 (a)飛秒激光刻寫示意圖；(b)基于微通道的光纖超短FBG結構示意圖Fig. 1 (a) Schematic diagram of femtosecond laser writting; (b) Schematic diagram of microchannel ultrashort FBG structure

圖2 基于微通道的超短FBG的顯微照片。(a)側視圖；(b)俯視圖Fig. 2 Micrographs of microchannel ultrashort FBG. (a) Side view; (b) Top view

3 實驗及結果分析

超短FBG的反射光譜如圖3所示，在1 100～1 600 nm范圍內有5個反射峰。光譜范圍內諧振峰的衍射階數m標注于圖3中。選擇m=10的諧振峰來研究超短FBG的溫度和應力特性。

首先將未腐蝕的光纖超短FBG置于數控熱臺上，再用砝碼將光柵固定在熱臺上，通過調節熱臺的溫度來測量光柵的溫度響應特性，設定的溫度值可以顯示在數控熱臺自帶的顯示器上。每隔30 ℃測試1個數據點，在50～200 ℃范圍內共可得6個數據點。如圖4所示，隨著溫度逐漸升高光譜紅移。因為此時環境溫度的變化對光柵的有效折射率和周期都有影響。隨著溫度升高，光纖的熱光效應使FBG的有效折射率增大，而熱膨脹效應使FBG的周期增大，最終引起Bragg諧振波長紅移。該諧振峰的溫度靈敏度為0.011 nm/℃(R2=0.998)。

圖3 超短FBG反射光譜Fig. 3 Reflectance spectrum of ultrashort FBG

圖4 未腐蝕超短FBG溫度特性。(a)衍射峰波長隨外界溫度變化的漂移;(b)衍射峰波長和溫度的線性關系Fig. 4 Temperature characteristics of uncorroded ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding temperature; (b) Linear relationship between the wavelength of diffraction peak and temperature

將制備的未腐蝕的光纖超短FBG放入光纖拉力裝置的光纖夾具中，其中一端固定不動，另一端通過改變拉力來改變光纖所受的應力。應力的大小可以顯示在應力傳感器自帶的顯示器上，該應力傳感器的分辨率為0.01 N。如圖5可知，隨著應力從0增大到1.2 N，光譜向長波方向移動，應力靈敏度為1.509 nm/N(R2=0.992)。

制備的超短FBG的溫度和應力特性與已報道的單模FBG的溫度和應力特性相比[13-16]，靈敏度基本一致。參考文獻[14]對單模光纖FBG的特性和原理進行了全面闡述,其采用飛秒激光制備了長度為4.5 mm的光纖FBG，并給出了10階衍射峰的溫度靈敏度為0.0113 nm/℃，應力靈敏度為1.295 nm/N。可見，制備的超短FBG不會影響光柵的溫度和應力特性。

圖5 未腐蝕超短FBG的應力特性。(a)衍射峰波長隨外界應力變化的漂移;(b)衍射峰波長與外界應力的線性關系Fig. 5 Stress characteristics of uncorroded ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding stress； (b) Linear relationship between the wavelength of diffraction peak and stress

圖6 基于微通道的超短FBG反射光譜隨外界折射率的漂移Fig. 6 Shift of reflection spectra of microchannel ultrashort FBG with surrounding refractive index

此外，還研究了腐蝕后超短FBG(基于微通道的超短FBG)的折射率響應特性。因為微通道將纖芯內的光柵與外界液體環境聯通起來，環境折射率的改變將引起FBG諧振波長的飄移，以此可進行折射率傳感。由圖6中的黑色曲線可知，當將基于微通道的光纖超短FBG置于空氣中時，微通道中空氣的折射率與光纖的折射率相差太大，過度調制了纖芯的折射率，因此反射諧振峰光譜較差，只有將超短FBG放入溶液中時，光柵才會有比較規律的光譜特性。溶液進入微通道后，改變了光在光纖中的傳播。隨著氯化鈉溶液的折射率從1.328變化到1.399，反射譜中5個諧振峰的波長均隨著折射率的增加而紅移，光譜反射率逐漸降低。如圖7所示，m=10階諧振峰的波長改變量與外界折射率成正比關系，此時諧振峰光譜的折射率靈敏度為69.11 nm/RIU。在多次實驗中，基于微通道的超短FBG的折射率靈敏度可以達到275.66 nm/RIU[14]。腐蝕的情況不同，制備的微通道光柵激發的纖芯模式的消逝場也不相同。微孔陣列FBG在折射率為1.423～1.438時的折射率靈敏度為17 nm/RIU[11]，而本文制備的基于微通道的FBG的折射率靈敏度幾乎是它的10倍，是單端腐蝕FBG折射率靈敏度的40倍[17]，并與普通長周期光柵的靈敏度一致[18]。

圖7 基于微通道的超短FBG的折射率響應特性。(a)衍射峰波長隨外界折射率變化的漂移;(b)衍射峰的波長漂移和外界折射率的線性關系Fig. 7 Refractive index response characteristics of microchannel ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding refractive index; (b) Linear relationship between wavelength shifts of diffraction peak and surrounding refractive index

4 結 論

利用飛秒激光直寫掃線技術制備了一種超短FBG，并在這種光柵的基礎上結合體積分數為4%的氫氟溶液選擇性腐蝕技術制備了基于微通道的超短FBG。每個微通道形貌良好，微通道寬度約為5 μm。對超短FBG傳感器的溫度特性和應力特性進行了測試，得到溫度和應力的靈敏度分別為0.011 nm/℃和1.509 nm/N。該超短FBG的長度僅為53.5 μm，可提高傳感器的可靠性。光纖內的微通道可以增加光纖傳感器的靈敏度，并可以擴展其傳感參數類型。在氯化鈉溶液中測試了制備的光纖超短FBG傳感器的折射率響應特性，當外界折射率從1.328變化到1.399時，m=10階諧振峰的光譜的折射率靈敏度為69.11 nm/RIU?；谖⑼ǖ赖某蘁BG具有制備簡單、測試成本低以及靈敏度高等優點，為光纖微流控技術提供了新思路。

[1] 祝寧華,閆連山,劉建國. 光纖光學前沿[M]. 北京:科學出版社,2011. ZHU N H,YAN L S,LIU J G.Opticalfiberfrontier[M]. Beijing:Science Press,2011. (in Chinese)

[2] 饒云江,王義平,朱濤. 光纖光柵原理及應用[M]. 北京:科學出版社,2006. RAO Y J,WANG Y P,ZHU T.Fibergratingprincipleandapplication[M]. Beijing:Science Press,2006. (in Chinese)

[3] MIHAILOV S J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments[J].Sensors,2012,12(2):1898-1918.

[4] 徐國權,熊代余. 光纖光柵傳感技術在工程中的應用[J]. 中國光學,2013,9(3):306-317. XU G Q,XIONG D Y. Application of fiber Bragg grating sensing technology in engineering[J].ChineseOptics,2013,9(3):306-317. (in Chinese)

[5] MARTINEZ A,DUBOV M,KHRUSHCHEV I,etal.. Direct writing of fiber Bragg gratings by femtosecond laser[J].ElectronicsLetters,2004,40(19):1170-1172.

[6] CANNING J. Fibre gratings and devices for sensors and lasers[J].Laser&PhotonicsReviews,2008,2(4):275-289.

[7] VOIGTL?NDER C,BECKER R G,THOMAS J,etal.. Ultrashort pulse inscription of tailored fiber Bragg gratings with a phase mask and a deformed wavefront[J].OpticalMaterialsExpress,2011,1(4):633-642.

[8] BERNIER M,GAGNON S,VALLéE R. Role of the 1D optical filamentation process in the writing of first order fiber Bragg gratings with femtosecond pulses at 800 nm[J].OpticalMaterialsExpress,2011,1(5):832-844.

[9] THOMAS J,JOVANOVIC N,BECKER R G,etal.. Cladding mode coupling in highly localized fiber Bragg gratings: modal properties and transmission spectra[J].OpticsExpress,2011,19(1):325-341.

[10] LIAN J F,JING S M,MENG A H,etal.. Integrated optical sensor based on a FBG in parallel with a LPG[J].ChineseOptics,2016,9(3):329-334.

[11] YANG R,YU Y S,CHEN C,etal.. Rapid fabrication of microhole array structured optical fibers[J].OpticsLetters,2011,36(19):3879-3881.

[12] FU H,ZHOU K,SAFFARI P,etal.. Microchanneled chirped fiber Bragg grating formed by femtosecond laser-aided chemical etching for refractive index and temperature measurements[J].IEEE,2008,20(19):1609-1611.

[13] 王闖. Bragg光纖光柵飛秒激光制備及其金屬化封裝技術研究[D]. 長春：吉林大學,2013. WANG CH. Research on fabrication of fiber Bragg grating by femtosecond laser and its packaging technique[D]. Changchun:Jilin University,2013. (in Chinese)

[14] 陳超. 耐高溫光纖光柵的飛秒激光制備及其應用研究[D]. 長春：吉林大學,2014. CHEN C H. Fabrication of robust fiber grating by femtosecond laser and their applications[D]. Changchun:Jilin University,2014. (in Chinese)

[15] MARSHALL G D,WILLIAMS R J,JOVANOVIC N,etal.. Point-by-point written fiber-Bragg gratings and their application in complex grating designs[J].OpticsExpress,2010,18(19):19844-19859.

[16] 梁居發. 新型光纖光柵傳感器飛秒激光制備及其特性研究[D]. 長春：吉林大學,2016. LIANG J F. Fabrication of novel optical fiber grating sensors and study on their characteristics[D]. Changchun: Jilin University,2016. (in Chinese)

[17] 羅彬彬,趙明富,周曉軍,等. 單端腐蝕光纖布拉格光柵在低折射率區的理論和模型及設計[J]. 光學學報,2011,31(04):0406004. LUO B B,ZHAO M F,ZHOU X J,etal.. Theoretical model and design of single-end etched fiber Bragg grating in low refractive-index area[J].ActaOpticaSinica,2011,31(4):0406004. (in Chinese)

[18] 郭景春. 長周期光纖光柵飛秒激光制備及其傳感特性研究[D]. 長春：吉林大學,2012. GUO J CH. Research on fabrication of long period fiber grating by femtosecond laser and its sensing characteristic[D]. Changchun:Jilin University,2012. (in Chinese)

Ultrashort fiber Bragg grating written by femtosecond laserand its sensing characteristics

JING Shi-mei1, ZHANG Xuan-yu1, LIANG Ju-fa1, CHEN Chao2, ZHENG Zhong-ming1, YU Yong-sen1*

(1.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China;2.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)*Corresponding author, E-mail:yuys@jlu.edu.cn

In order to improve the measurement accuracy and reliability of fiber grating sensors, realize the single-point measurement ability and broaden the application of fiber Bragg grating (FBG), an ultrashort FBG is fabricated based on the femtosecond laser direct writing technique in this paper. The ultrashort FBG with a period of 5.35 μm and a length of 53.5 μm is fabricated in single mode fiber, and its temperature sensitivity and stress sensitivity are 0.011 nm/℃ and 1.509 nm/N, respectively. Then, a microchannel ultrashort FBG based on ultrashort FBG is fabricated by selective corrosion with a volume fraction of 4% hydrofluoric acid, and its sensing property to NaCl solution is studied. The refractive index sensitivity of the microchannel ultrashort FBG is 69.11 nm/RIU. The microchannel ultrashort FBG has the advantages of high repeatability and multi-parameter measurement.

femtosecond laser writing;ultrashort fiber Bragg grating;temperature;stress;refractive index

2017-02-28；

2017-04-03

國家自然科學基金資助項目(No.61505206)；吉林省科技發展計劃資助項目(No.20150520089JH) Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61505206)；Jilin Provincial S & T Development Program Project (No. 20150520089JH)

2095-1531(2017)04-0449-06

TN253

A

10.3788/CO.20171004. 0449

敬世美(1991—),女,四川遂寧人,碩士研究生,2014年于河北農業大學獲得學士學位,主要從事光纖傳感器方面的研究。E-mail:785625159@qq.com

于永森(1974—),男,吉林長春人,博士,副教授,2005年于吉林大學獲得博士學位,主要從事光纖高溫傳感器方面的研究。E-mail:yuys@jlu.edu.cn