飞秒激光预处理结合PM技术透过光纤的聚合物涂层直写FBG在LMA光纤和双包层光纤厚包情况下的应用

飞秒激光预处理结合PM技术透过光纤的聚合物涂层直写FBG在LMA光纤和双包层光纤厚包情况下的应用

1、 技术背景：

通常、FBG是通过紫外干涉图案的侧面曝光的方式写入光敏光纤的纤芯上的，制备光纤光栅涉及几个步骤。首先负载氢用于增加纤芯对紫外线的光敏性，然后剥离其聚合物涂层，使用紫外线激光器进行光刻，并进行热老化以排出氢气并稳定指数调制以方便长时间操作。最后，对光纤光栅进行重新涂覆以进行机械保护；所有这些繁杂的步骤也限制了产能的提升。

基于飞秒激光加工的、（PM）相位板技术和逐点（PbP）技术，在过去的十五年里被大规模应用；PM技术被用于在各种类型材料的光纤中刻写FBG，包括纯二氧化硅单模纤维（SMF）；由于刻写的过程是非线性的，折射率修改仅限于焦点范围内，区域峰值光强超过材料的修改阈值即可实现。为了透过聚合物涂层刻写光栅，需要使用紧密聚焦的透镜，使得纤芯处的光强足以实现折射率改性，同时要求但涂层处的强度足够低以避免损坏表面涂层。虽然这在使用高NA物镜的PbP方法中比较容易实现，但PM技术更具挑战性（主要是由于缺乏合适的圆柱形物镜）。

2、 技术方案：

使用没有氢负载的标准单模光纤（康宁 SMF-28）， 直写程序如下：首先使用飞秒激光预处理扫描丙烯酸酯聚合物涂层（垂直于光纤轴和刻印光束的光轴）、经验是使用相对较低的脉冲能量为 30 µJ，这强度略低于丙烯酸酯聚合物在800nm波长下的能量损伤阈值。 籍此使用线性 DC 驱动装置围绕纤芯扫描光纤表面的聚合物涂层 600 次，在此期间，柱面透镜聚焦在约 80 µm 的光纤聚合物涂层上；经过预光处理后，再将柱面透镜的焦点调整到纤芯，增加脉冲能量并透过丙烯酸酯聚合物涂层在纤芯刻写光纤光栅。

飞秒激光预光处理后，我们将柱面透镜的焦点调整到光纤芯，将脉冲能量增加到 0.4 mJ，并通过光纤的丙烯酸酯聚合物涂层刻写 FBG 以 1 KHz 的重复频率持续 5 分钟。 如图 4 所示，结果是光纤光栅在中心布拉格波长约为 1548.4 nm 时传输损耗下降了 27 dB。在纤芯刻写过程中，光纤涂层发生严重损坏。 这种损坏用肉眼清晰可见； 在铭文区域观察到非常清晰的深色； 使用 Vytran GPX-3400 显微镜可以清楚地看到损伤区域。在一些 FBG 刻印区域中，聚合物涂层尺寸从直径 250 &micro;m 减小到小于 150 &micro;m，并且有些地方出现了一些烧蚀；这种损坏和收缩主要是热量积累的结果。 在刻写过程中，在 OSA 上测量的光栅波长中心约为 1554-1555 nm，而刻写过程结束时刻写光束被阻挡时的中心光栅波长仅为约 1548.4 nm，这种约6 nm的红移是当我们同时使用高重复率和高脉冲能量时，FBG 刻写过程中光纤芯中发生约 600 °C 热量积累的结果。 此外，在这些刻录条件（高重复率和高脉冲能量）下，我们甚至观察到光纤光栅刻录过程中有时会从光纤中冒出烟雾。 我们认为，这种烟雾表明光纤涂层被烧毁、收缩，并且部分材料涂层被烧蚀。因此，我们的进一步降低刻字飞秒光束的重复率，以减少热量积累。 当我们将刻录光束的重复率降低到 200 Hz、250 Hz 或 500 Hz（在 FBG 刻录期间）时，在 FBG 刻录期间测得的红移始终小于 ~2.5 nm（<1551 nm）； 与 1 KHz 重复率的情况相比，这种明显较小的红移是 FBG 刻录过程中光纤中热量积累较低的结果。

注意: 如果不对聚合物涂层进行飞秒激光预光处理，就无法使用 40 毫米柱面透镜透过涂层刻写光纤光栅， 如果不进行预处理，涂层将不允许光束聚焦到纤芯中并达到折射率修改所需的阈值强度。；推测是预处理以某种方式改变了聚合物涂层的衰减，从而在刻录过程中能够改变纤芯中玻璃的折射率（由于焦点处的强度增加）。 预处理程序完成后，有轻微的黑色。然而涂层没有收缩、丙烯酸酯聚合物涂层直径在整个预处理过程中保持在 240 &micro;m – 250 &micro;m。

3、 实验设置和方法：

实验设置：

采用 PM 技术进行 FBG 刻划的典型实验装置，如图所示；采用800飞秒激光光源，以 1 kHz 重复率输出3.5 mJ、35 fs 脉冲。 高斯光束直径约为 8 mm，通过对应 NA 为 0.1 的 40 mm 柱面透镜经过PM、聚焦在纤芯上； 该PM由Ibsen LTD制造，节距为2140nm，对应于中心波长为1550nm的二阶布拉格光栅。 不到 5% 的能量衍射到零级，而约 80% 的能量衍射到第一衍射级； PM 位于光纤前面约 2 mm，以确保纯两光束干涉 。 光纤被固定在两个凹槽中，每个凹槽都位于三轴平台上并处于张力下，这为刻写系统提供了高重复性。 通过使用偏振器前面的旋转半波片来调节直写光束的脉冲能量。纤芯中的光栅尺寸经计算为约 5 μm × 6 mm，仅覆盖部分模场直径（约 9 μm）。 而后，使用线性驱动器 (PI M-230) ± 10 μm 围绕纤芯扫描、垂直于光纤轴和写入光束的光轴； 光纤一端通过循环器连接到放大自发发射 (ASE) 源，另一端连接到光谱分析仪 (Yokogawa AQ6370D OSA)； FBG 传输光谱在刻写过程中以 20 pm 分辨率和 4 pm 采样间隔进行监测。

实验结论：

使用 800 nm 飞秒脉冲和 PM 技术通过 SMF 的丙烯酸酯聚合物涂层和低 NA 透镜（40 mm 柱面透镜）刻写 FBG 的方法。 只有对丙烯酸酯聚合物涂层进行适当的飞秒预光处理后，才能实现透过聚合物涂层的光纤光栅刻写；最终可以实现透过光纤的丙烯酸酯聚合物涂层写入的高质量 FBG，在 SMF 中的中心布拉格波长约为 1548.5 nm 时、传输损耗为 -30 dB。 最终测量的波长对应变的灵敏度约为 0.8 pm/με，测量的波长对温度的灵敏度约为 10.7 pm/°C，这些数据与去除涂层刻写FBG的灵敏度非常相似 。 实验表明：采用低NA透镜透过聚合物涂层刻写FBG的预光处理的新方法可能为在LMA光纤和用于激光应用的双包层光纤中刻写FBG提供新的生产方法。