法布里-珀羅標準具瞬時光敏性測量

鄒林兒，沈 云，李 寅，武煜宇

（南昌大學物理與材料學院，南昌 330031）

0 引言

具有光敏性的光纖常用來制備光子功能器件，如光纖光柵［1-2］、光敏傳感器件［3-4］，在光纖光子學領域里有著科學和工程方面的廣泛應用。自1978 年Hill等［5］發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏性以來，人們對光纖光敏性的研究一直在進行［6-8］。目前，雖然具有光敏性的特種光纖得到了開發(fā)，如硫系玻璃光纖［9］，但對光纖光敏性的微觀機理還不是很清楚，主要由于光敏性變化過程的復雜性及缺乏相應詳細的瞬時實驗數(shù)據(jù)。

本文應用法布里－珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）標準具原理設計搭建了可詳細測量光纖纖芯的瞬時光敏性變化的實驗平臺。該平臺采用長焦距透鏡，可得到沿光軸向較長深度的聚焦光斑，利于在光照區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)均勻光照；同時能獲得具有較高對比度的透射光譜波形圖，光譜圖形質(zhì)量良好，可實現(xiàn)測量瞬時折射率變化精度達到10－5數(shù)量級。

1 實驗原理與裝置

FP標準具是通過劃分振幅來產(chǎn)生大量相互相干的光束而設計的光學元件，被廣泛應用于光譜測量［10］、精密計量［11］、傳感器［12］等方面，圖1 所示為FP標準具基本結(jié)構及光束傳播的示意圖。FP 標準具由2 個平行且部分反射的端面（鏡面）組成，在其內(nèi)部，入射光束被無數(shù)次反射，多個透射光束發(fā)生干涉。任意2 條相鄰透射光束的光程差為2nLcos θ，其中，n表示2反射端面間材料的折射率，L表示2 個反射端面的間距，θ表示入射光束的折射角。本文僅考慮FP標準具的正入射，即θ ＝0°，則相鄰透射光束的相位差δ取決于它們的光程差，表達式［13］為

圖1 FP標準具結(jié)構及光束傳播示意圖

式中，λ0為測量波長。

采用波長掃描法（或光譜法），F(xiàn)P 標準具出現(xiàn)最大干涉條紋功率值（透射峰值）時相位

式中，m表示干涉級數(shù)；λm是第m干涉級數(shù)對應的波長。因此，在如圖2 所示標準具輸出的透射光譜圖形中，透射峰位置取決于測試光的瞬時φ，其相鄰峰的λ間隔是自由光譜區(qū)（Free Spectral Range，F(xiàn)SR），由式（2）可得：

圖2 FP標準具輸出的透射光譜圖，以及因標準具內(nèi)部微小折射率變化引起的透射光譜波形位移

由于光在FP 標準具鏡面間多次菲涅爾反射，只要FP標準具內(nèi)部存在微小的折射率變化Δn，則干涉的波形圖就會發(fā)生位移Δλ（見圖2）。

圖3 所示為FP標準具測量光纖樣品瞬時光致折射率變化的實驗裝置示意圖。該實驗裝置是由光照射系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩部分組成，其中放置于專用夾具上具有一定長度L的FP 標準具由光纖樣品制作而成。在光照射系統(tǒng)中，照射光源（激光）經(jīng)可調(diào)衰減器后由擴束透鏡組擴束，通過柱面透鏡形成一定長度和寬度的光斑照射在樣品上，其中光照時間采用高速電子快門（最高達1 ms）控制。在測試系統(tǒng)中，測量光源光束經(jīng)高數(shù)值孔徑的單模光纖端面耦合進出被測光纖樣品，輸出端用高分辨率光譜儀進行光譜監(jiān)測。

圖3 FP標準具測量瞬時光致折射率變化的實驗裝置示意圖

當光纖樣品的纖芯折射率在光照長度l中改變Δn時，相應的相位變化Δφ ＝4πΔnl／λ0，會導致標準具Δλ ＝FSR ×（Δφ／2π）。利用光譜儀追蹤測量Δλ，可計算出Δn，即

另外，制作FP標準具時長度不宜太長，否則FSR太小，低于光譜儀的分辨率，則觀察不到整個FSR。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實 驗

在圖3 的實驗裝置中，采用連續(xù)的雙頻Nd：YAG激光器作為照射光源，照射波長為532 nm，光源光束經(jīng)擴束透鏡組擴束和柱面透鏡聚焦后，在樣品表面上形成高度約1.1 mm、寬度約5 mm的呈高斯強度分布光斑。為保證沿光軸向的光纖樣品橫截面深度范圍光均勻照射，選擇焦距長70 cm 的柱面透鏡。在測試系統(tǒng)中，采用線性偏振、寬帶約為1 520～1 570 nm的放大自發(fā)輻射光源ASE作為測試光源，選用高分辨率為10 pm的光譜儀。測試樣品選用具有光敏性的As2S3硫系玻璃光纖，其纖芯／包層對應的直徑約為8／140 μm，纖芯n＝2.415。用超聲波刀直角切割長度為15 mm的As2S3光纖制作為兩端面光滑且平行的FP標準具，正入射時估算到FP 標準具的端面反射率約為17%，波形圖具有較高對比度（消光比）。該實驗裝置置放于氣墊精密隔振光學平臺，防止微小振動破壞光路，確保光路穩(wěn)定性。

通過高速電子快門瞬時控制光照時間，圖4 所示為As2S3光纖樣品在光照時間相隔2 s前后光譜分析儀（Optical System Analysis，OSA）跟蹤的波形圖位移情況，顯示出波形圖具有較高的對比度，光譜圖形質(zhì)量良好，清晰可辨，其峰-谷值可高達0.12 μW。由圖4可知，測量得到Δλ ＝14 pm，通過式（4）可計算出該瞬時Δn＝6.5 ×10－5，測量精度達到10－5數(shù)量級。在該實驗中各參數(shù)是n＝2.415，L＝15 mm，l＝5 mm，λ0＝1 550 nm，利用式（3）算出FSR ＝30 pm。

圖4 硫系玻璃光纖在光照射時間相隔2 s前后OSA實測的波形圖

實驗中，光剛開始照射時，因折射率變化敏感性強，可設置每次光照時間為0.1 s；隨著光照時間延長，折射率變化敏感性減弱，設置每次光照時間可逐步增加以滿足能反應動態(tài)特性的要求。另外，為了消除光照時累計熱效應的影響，每次停止照射間隔設置為10 s。

2.2 硫系玻璃光纖瞬時光敏性

圖5 所示為光照功率為分別9、20 和30 mW 時，As2S3光纖纖芯的瞬時Δn與光照時間t的關系。由圖5 可知，在照射波長為532 nm 的光照射下As2S3光纖纖芯光致折射率變化存在兩個過程：光照開始時，Δn朝減小方向變化，即負變化，該變化過程是持續(xù)時間較短，為快過程；之后光照時間的延長，Δn開始緩慢朝正方向恢復，且隨著光照時間進一步增加，Δn會出現(xiàn)正增長，為慢過程。光照功率為9 mW 時［見圖5（a）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間為227 s，Δn＝－0.062 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝1 230 s時Δn出現(xiàn)正增長，t＝3 500 s時Δn＝0.061 ×10－2。當光照功率增加到20 mW時［見圖5（b）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間縮短為49 s，Δn＝－0.057 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝189 s時Δn出現(xiàn)正增長，t＝3 500 s 時，Δn＝0.361 ×10－2。當光照功率繼續(xù)增大到30 mW 時［見圖5（c）］，第1 快過程經(jīng)歷的時間進一步縮短至28 s，Δn＝－0.023 ×10－2；在第2 個慢過程中，在t＝80 s時，Δn出現(xiàn)正增長，在t＝3 500 s 時，Δn增長約為0.573 ×10－2。

圖5 不同光照功率下FP標準具測量As2S3 光纖纖芯的瞬時光致折射率變化與光照時間的關系

實驗結(jié)果表明，隨光照功率的增大，第1 快過程中的光致折射率負變化程度（幅度）減弱，經(jīng)歷的時間縮短，在一定光照功率下縮短至數(shù)10 s；而第2 個慢過程中，隨著光功率的增大，光致折射率正變化程度增強，且呈現(xiàn)正增長的Δn經(jīng)歷時間也顯著縮短。

綜上分析可得知，As2S3光纖纖芯的瞬時光致折射率動態(tài)變化特性顯示出在As2S3玻璃的準帶隙光532 nm光照射下，存在2 個過程，這2 個過程持續(xù)時間與光照功率有關，結(jié)合文獻［14-15］中分析，第1 個快過程是源于缺陷態(tài)產(chǎn)生，持續(xù)時間與光照強度成反比例關系，此時缺陷態(tài)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)；進入第2 個慢過程會使缺陷態(tài)穩(wěn)定化，穩(wěn)定過程持續(xù)時間取決于產(chǎn)生的缺陷數(shù)量，最終飽和態(tài)的折射率增加幅度隨光照強度的增加而增加。

3 結(jié)語

本文設計搭建了法布里-珀羅標準具原理測量瞬時光致折射率動態(tài)變化的實驗平臺。該實驗平臺能在較長光照深度內(nèi)實現(xiàn)均勻光照，同時獲得的透射光譜波形圖具有較高的對比度，光譜圖形質(zhì)量良好，測量瞬時折射率變化精度可達到10－5數(shù)量級。通過該實驗平臺測量了硫系玻璃光纖的纖芯瞬時光致折射率變化。結(jié)果表明，硫系玻璃光纖光致折射率變化存在2個過程，這個2 個過程經(jīng)歷的時間和折射率變化受光照功率的影響，這些實驗數(shù)據(jù)可將應用于工程上刻寫光纖光柵或制作光敏傳感器等。

該平臺，還可通過改變光照光源，進行光敏性與光照波長的關系研究；也可設計樣品夾具施加外場作用，如施加張力，用來研究光敏性與外場作用的關系等。同時，該實驗平臺也可用于本科生科研訓練和光電信息類碩士研究生專業(yè)實驗教學，能使得學生深入理解FP標準具原理及掌握其用于測量光纖折射率變化的原理與方法，提高實驗技能［16］。

教育是民族振興、社會進步的重要基石，是功在當代、利在千秋的德政工程。今天，黨和國家事業(yè)發(fā)展對教育的需要、對科學知識和優(yōu)秀人才的需要比以往任何時候都更為迫切。緊密團結(jié)在以習近平同志為核心的黨中央周圍，全面貫徹黨的教育方針，堅持中國特色社會主義教育發(fā)展道路，我們就一定能辦好人民滿意的教育，不斷培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人，為實現(xiàn)中華民族偉大復興奠定堅實基礎、提供有力支撐。

——摘自《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》