超弱反射光纤布拉格光栅阵列的飞秒激光逐点直写大规模制备

超弱反射光纤布拉格光栅阵列的飞秒激光逐点直写大规模制备

背景、创建 UWFBG阵列的传统方法基于光纤拉制过程中的在线紫外线下曝光，然而，紫外光刻诱导的 UWFBG 阵列无法承受 450 °C 以上的高温。下面我们展示了耐高温1000℃下的高灵敏度弱反射光纤光栅的背景和飞秒加工直写制备条件。

迄今为止，已经开发出多种利用紫外线照射大规模生产UWFBG 的方法 ，例如、弗吉尼亚理工学院和州立大学的研究人员利用紫外相位掩模曝光方法建立了自动化的UWFBG制造系统，并成功制造了由1000个相同的UWFBG组成的UWFBG阵列，其反射率非常低，约为~ - 40dB。问题是、光纤在UV曝光制备之前和之后都需要先经过CO2激光烧蚀的涂层预去除过程，这种额外的涂层和重涂工艺会降低 UWFBG 的机械强度。

国内研究进展，国内相关研究人员也实现在光纤拉丝过程中使用紫外相位掩模方法沿10 m长的光纤制备了10,000个DTG ，结果表明，这些在线制备方法可以用于高速生产DTG，并且生产的UWFBG具有较高的机械强度，因此这些DTG适合大规模复用。问题是，这些紫外激光诱导的 DTG 是 I 型光栅（关于Ⅱ型光栅介绍请查看我们之前的文章），仅仅可以在低于 450 °C 的低温下使用工作。

方案概述：一种使用飞秒激光逐点刻写FBG（PbP）技术制造耐高温 UWFBG 阵列的新方法。目前，国内研究者王老师已经实现了、通过飞秒激光微纳加工系统通过光纤涂层刻写 PbP，在传统单模光纤 (SMF)中成功制造出峰值反射率低至 ∼ - 45 dB（相当于 ∼0.0032%）的 UWFBG。

采用飞秒激光 PbP 技术制造 UWFBG 阵列的实验装置、过程。

飞秒激光直写光刻系统的系统配置：采用Yb:KGW 飞秒激光器作为加工光源，倍频输出波长为 515 nm，脉冲宽度为 290 fs可调，使用重复率为 200 kHz激光源，使用波片和格兰偏振器来调节激光束的光功率和偏振，二向色镜用于将激光束反射到物镜并将可见照明光束传输到 CCD。采用油物镜（100×，NA=1.25）将激光聚焦到纤芯中心，并在光纤与物镜之间涂抹折射率油（n≈ 1.4587），像差由圆柱形纤维几何形状引起的影响可以最小化。具有聚合物涂层的传统 SMF（ SMF-28）由安装在 3D 高精度空气轴承平移台上的一对光纤支架固定。

在刻写光栅之前不需要预先去除光纤涂层。此外，还可以建立由滑轮、步进电机和光纤线轴组成的光纤输送系统，用于将光纤自动平移到预设位置。在UWFBG刻写过程中，激光束固定，光纤通过平移台移动，CCD采集纤芯俯视显微镜图像，实时定位纤芯中心；飞秒 PbP 技术采用图像识别算法，自动将激光束焦点对准纤芯中心。通过用个人计算机（PC）同时控制快门、光纤支架、平移台、步进电机和CCD，可以实现UWFBG的自动制造。而且，可以使用商用 OFDR 来监测阵列中不同位置的每个 UWFBG 的波长。

UWFBG 阵列的制造过程包括五个主要步骤。

步骤 1 ，将一段带有涂层的 SMF 用一对光纤支架固定在 3D 平移台上；SMF 的一端连接到 OFDR（OFDR 技术用于测试制造的相同 UWFBG 阵列中不同位置的每个 UWFBG 的布拉格波长），SMF 的另一端缠绕在光纤线轴上，SMF 的轴向方向调整为与平移台的 x 轴平行。

在步骤 2 ，SMF 沿 y 轴和 z 轴精确平移，以确保激光束焦点与纤芯中心对齐。，此步骤是在图像识别技术的辅助下实现的，其中通过高斯平滑算法和随后的灰度强度分布提取算法从俯视显微镜图像中查找纤芯/包层边界来识别光纤纤芯中心。

步骤3，打开快门，飞秒激光束通过光纤涂层聚焦到纤芯中心。在该步骤中，SMF沿x轴匀速平移，并沿光纤轴创建一系列折射率调制点，即在纤芯中制作UWFBG。光纤支架和快门的打开和关闭、3D平移台和步进电机的运动以及CCD的图像采集均由PC自动控制。

步骤4，松开光纤支架，通过光纤馈送系统中的步进电机旋转光纤线轴，将SMF平移到沿光纤的预设位置。

步骤5，再次关闭两个光纤支架，并通过重复步骤2和步骤3来制作第二个UWFBG。此外，可以通过执行相同的过程来制作第三至第N个 UWFBG（即，通过重复步骤4和步骤5）。

结果，利用飞秒激光PbP技术成功实现了相同 UWFBG 阵列的高效制造。