少模光纖光柵的飛秒激光制備及其特性

申莎莎

(運城學院 物理與電子工程系，山西 運城 044000)

0 引 言

相比于傳統的電學傳感器，光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、重量輕、易于組成傳感網絡等眾多優點，在光纖通信和光纖傳感技術領域得到了極其廣泛的應用。用常規的紫外激光和相位掩模法在普通單模光纖中寫入FBG時，要求光纖具有光敏性。這種FBG在120 ℃以下具有很好的溫度和應變傳感特性，但在500 ℃以上時會被逐漸擦除。熱再生FBG[1]可耐受1 000 ℃的高溫，但需要進行特殊保護處理。隨著高溫應變光纖傳感和高功率光纖激光器技術的不斷發展，迫切需要在非光敏材料和特種光纖中寫入高溫穩定的FBG。飛秒激光在光纖中寫入光纖光柵是近十多年發展起來的，已經成為當前光纖光柵制備領域的研究熱點之一。用飛秒激光在光纖中制備FBG主要有3種方法：直寫法[2](也稱為點對點法)、相位掩模法[3]和塔爾博特(Talbot)干涉儀法[4]。研究表明，該FBG表現出很強的模式耦合特性和雙折射特性，而且可耐受1 000 ℃以上的高溫。

其次，普通單模光纖中只能傳輸基模，在其中寫入FBG后，反射光譜中只有一個對應于基模的布拉格反射峰。隨著光纖通信系統中模分復用技術的發展，雙模和四模等少模光纖相繼被設計和拉制成功。少模光纖中會同時存在2個或4個不同的傳輸模式，在其中寫入FBG后，會存在對應于不同傳輸模式的多個布拉格反射峰。這引起人們極大的興趣，除了研究其基本特性的光譜特性[5]、模式耦合特性[6]和熱再生少模FBG的耐高溫特性[7]外，還開展其在溫度、應變和彎曲傳感[8～10]、雙波長光纖激光器[11]和柱矢量光束產生系統[12～15]等方面的研究。目前大多采用常規的紫外激光在少模光纖中寫入FBG，而用飛秒激光在少模光纖中制備FBG，并對其傳感特性進行研究的文獻甚少。 本文將利用飛秒激光和相位掩模法在雙模光纖中制備FBG，并對其光譜特性和高溫應變傳感特性進行研究。

1 少模光纖與少模FBG

1.1 少模光纖

光纖的歸一化頻率V可表示為[16]

式中n1和n2分別為纖芯和包層的折射率，a為纖芯半徑，λ為光波波長，k0為傳播常數。歸一化頻率表征了光纖能夠容納傳播模式的數量。

所謂的單模光纖，即當V<2.405時，光纖中只存在基模。當2.405

1.2 少模FBG

根據耦合模理論，光束在少模FBG中滿足的光柵方程為[17]

對于自耦合，反向傳播的兩束光的模式相同，即μ=ν，式(2)可表示為

λμ=2neff,μΛ

(3)

式中λμ為布拉格共振波長，neff,μ為傳輸模式LPμ的有效折射率。

對于互耦合，反向傳播的兩束光的模式不同，即μ≠ν，式(2)可表示為

λμ,ν=(neff,μ+neff,ν)Λ

(4)

由式(4)可知，相鄰兩模式互耦合對應的布拉格反射峰位于自耦合對應的布拉格反射峰中間。

2 飛秒激光寫入FBG的實驗裝置

飛秒激光在少模光纖中寫入FBG的實驗光路如圖1所示[18]，飛秒激光器發出的一束飛秒激光，利用一1/2波片和偏振片的組合連續調節飛秒激光的強度，采用一柱面透鏡將圓形激光束聚焦為片狀激光束，經一0級抑制的相位掩模板衍射，在相位掩模板后1級衍射光形成近場干涉條紋，光纖緊貼相位掩模板放置，且通過三維微位移平臺將光纖嚴格置于柱面透鏡的焦線處。通過選擇合適的飛秒激光強度和持續時間，即可在光纖中成功寫入FBG。寫入過程中，用一寬帶光源(武漢歐光科技ASE-C+L-20)和光纖光譜儀(橫河AQ6370D)實時監測FBG的透射譜。飛秒激光器的峰值強度最高可達1 mJ，中心波長為800 nm，頻率為1 kHz，脈沖寬度為120 fs，光束直徑為8 mm。實驗中柱面透鏡的焦距為100 mm。采用Ibsen公司的零級抑制相位掩模板，工作波長為800 nm，相位掩模板的光柵周期Λm為2.142 μm，±1級衍射效率大于70 %。因此，在光纖中寫入的FBG光柵周期Λ為相位掩模板光柵周期Λm的1/2，即Λ=Λm/2=1.071 μm。實驗中采用的激光強度為600 μJ。

圖1 飛秒激光寫入FBG的實驗裝置示意

3 少模FBG特性

3.1 光譜特性

實驗中所用的少模光纖為長飛光纖光纜股份有限公司生產的階躍型雙模光纖，其參數如下：芯徑為16 μm，包層直徑為125 μm，它可同時傳輸兩種模式：LP01模和LP11模。實驗得到的少模FBG反射光譜如圖2所示，可見其反射光譜中有3個主反射峰Peak 1、Peak 2和Peak 3。Peak 1和Peak 3的中心波長分別為1 551.45 nm和1 547.94 nm，反射強度分別為42.1 dB和25.4 dB，分別對應于LP01模和LP11模的自耦合。而Peak 2位于Peak 1和Peak 3的正中間，其中心波長和反射強度分別為1 549.70 nm和37.8 dB，由此可見，它對應于LP01模和LP11模之間的互耦合。

圖2 少模FBG的反射光譜

3.2 溫度響應特性

將制備的少模FBG置于高溫管式爐內。利用寬度光源、光譜分析儀和光纖環形器測量其反射光譜。在16～800 ℃范圍對其高溫特性進行測量，溫度間隔約為100 ℃。少模FBG反射光譜隨著溫度增加的演化過程如圖3所示，可見其整個反射光譜呈現出明顯的紅移，在800 ℃時其光譜形狀隨著溫度的升高稍微有些衰減。反射光譜中3個主反射峰的中心波長隨溫度的變化曲線如圖4所示，可見，隨著溫度的增加，3個主反射峰的中心波長均發生了線性漂移，擬合得到的溫度靈敏度分別為kT1=14.27 pm/℃，kT2=14.23 pm/℃和kT3=14.25 pm/℃，稍高于用紫外激光在普通單模光纖上制備的FBG的溫度靈敏度10.2 pm/℃。

圖3 少模FBG反射光譜隨溫度的演化過程

圖4 少模FBG主反射峰的中心波長隨溫度的變化關系

3.3 應變響應特性

將少模FBG置于高溫管式爐內，溫度設置為500 ℃，同時利用環氧樹脂膠將其兩端粘貼于2個手動的微位移平臺上，通過調節其中一個維位移平臺，對少模FBG施加應變。在(0～2 000)×10-6范圍對其應變特性進行測量，應變間隔約為100×10-6。利用寬度光源、光譜分析儀和光纖環形器測量其反射光譜。少模FBG的反射光譜隨著應變增加的演化過程如圖5所示，可見其反射光譜呈現出明顯的紅移，且其光譜形狀基本保持不變。反射光譜中3個主反射峰的中心波長隨應變的變化曲線如圖6所示，可見，隨著應變的增加，3個主反射峰的中心波長均發生線性漂移，擬合得到的應變靈敏度kε1，kε2和kε3均為1.77 pm/10-6，稍高于用紫外激光在普通單模光纖上制備的FBG的應變靈敏度1.2 pm/10-6。

圖5 少模FBG反射光譜隨應變的演化過程

圖6 少模FBG主反射峰的中心波長隨應變的變化關系

4 結 論

針對現有光纖高溫應變傳感的局限性，利用飛秒激光和相位掩模法在少模光纖中成功制備了FBG，并實驗研究了其反射光譜特性和高溫應變傳感特性。結果表明：少模FBG的反射光譜中具有3個主反射峰，兩邊的主反射峰對應2個模式的自耦合，中間的一個主反射峰對應不同模式之間的互耦合。該FBG在16～800 ℃范圍具有很好的溫度響應，溫度靈敏度為14.27 pm/℃，且500 ℃溫度下，在(0～2 000)×10-6范圍時具有很好的應變響應特性，應變靈敏度為1.77 pm/10-6。其有望在高溫應變傳感和多波長光纖激光器方面得到一定的應用。