作者
吕瑞东,陈涛,范春松,司金海,侯洵
西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院，陕西省信息光子技术重点实验室
光纤Bragg光栅(FBG)是构成全光纤激光器的关键器件，主要用作激光反馈腔镜和滤波器。
目前FBG主要是利用紫外连续或准分子激光在光敏光纤上刻写。然而传统紫外激光制备的光纤布拉格光栅热稳定性差，高温条件下易被擦除，需要繁琐的光纤载氢预处理，不适用于高温环境。而飞秒激光微纳加工技术由于具有无热效应影响、加工材料范围广、突破衍射极限的加工精度以及能够在透明材料内实现三维加工等优点，被用于玻璃、晶体、金属等各类材料的微纳加工。同时光纤光栅飞秒激光制备技术也引起了广泛关注。
那么，飞秒激光制备FBG的方法有哪些优势和特点？该技术面临哪些挑战？未来发展趋势如何？下面我们简单给大家介绍一下。
一
FBG飞秒激光制备技术
飞秒激光具有极窄的脉冲宽度和极高的峰值功率，可用于加工任何材料，同时也适用于制备光纤光栅刻写技术。光纤光栅飞秒激光刻写技术具有以下特点:
１) 加工工艺简单；
２) 对光纤材料没有限制；
３) 折射率调制度高；
４) 制备的FBG耐温性好；
５) 刻写的FBG带外损耗小；
６) 在光纤内刻写的光栅位置灵活可控，可调控FBG双折射及模式耦合特性。
01
FBG飞秒激光刻写方法
由于飞秒激光脉冲极短，空间长度仅在数十微米，对双光束干涉装置稳定性要求极高，因此常用的FBG飞秒激光刻写方法主要包括相位掩模板法和直写法两种。
1）相位掩模板法
利用相位掩模板法刻写光纤光栅的加工装置如图１(a)所示。飞秒激光经柱透镜聚焦后入射到相位掩模板上，在掩模板后产生零级以及对称分布的±1级等各级衍射光。由于极少的零级和其他高级衍射光仍然会对±1级的双光束干涉强度分布产生影响，因此光纤需要离掩模板有一定的距离。此时，±1级衍射光和零级以及其他各级衍射光由于走离效应(walk-offeffect)在时间上分开,形成单纯的±1级干涉，从而避免产生塔尔博特(Talbot)效应，如图１(b)所示。
图1 飞秒激光相位掩模板法制备FBG原理图。 (a)刻写装置图；(b)不同衍射级次的走离效应
相位掩模板法光纤光栅刻写技术，由于±1级干涉光在时间上自然匹配，对于光源的相干性要求较低，且稳定性和重复性好、加工效率高、损耗低，适合于批量化生产。然而，这种方法制备的FBG的布拉格波长依赖于掩模板周期，需根据光纤折射率以及布拉格波长来选择特定周期的相位掩模板，故其灵活性较差，且掩模板价格非常昂贵。
2）飞秒激光直写法
飞秒激光直写法是利用显微物镜将飞秒激光聚焦在光纤内部，通过光纤的精密移动逐一写出FBG的每一个周期结构。其研究过程主要从点到线，再到面的一个过程。
飞秒激光直写法可以灵活调控刻写光栅的周期、长度、折射率调制度分布，制备出具有折射率调制以及长度和色散可控的光纤光栅。此外，相对于相位掩模板法，飞秒激光直写法更容易实现隔涂覆层加工，有效保持光纤的强度和物理完整性。但是该方法对设备稳定性和精度要求较高，目前普遍采用 Aerotech公司的空气导轨电动平移台控制光纤移动，价格昂贵。此外，相对于相位掩模板法，该方法制备的光栅容易在短波长处产生较强的永久性损耗，用于激光器中时高功率下容易产生光学损伤。
02
飞秒激光制备光纤光栅的光源
刻写FBG的飞秒激光光源主要有掺钛-蓝宝石激光器和掺镱激光器以及各自的倍频激光。目前报道的飞秒激光刻写光纤光栅所使用的激光光源波长涵盖266 nm 到1030 nm。
钛宝石激光器的应用最为广泛，其输出波长约为800 nm，通过二倍频和三倍频可以产生400 nm和266 nm左右波长的飞秒激光。相比于800 nm激光，通过400 nm波长的飞秒激光曝光可以得到具有更高温度稳定性的高反射II型光栅；而266 nm深紫外飞秒激光曝光由于波长短，多光子吸收过程中所需的光子数量减少，因此刻写阈值更低，制备的光栅强度增长效率相比于800 nm 和400 nm更高。
掺镱飞秒激光放大器输出波长约为1030 nm。由于光纤对该波长激光的吸收低于800 nm飞秒激光，因此以掺镱飞秒激光放大器为光源刻写FBG的工作效率相对较低。为了提高FBG的刻写效率，更多的是利用掺镱飞秒激光放大器输出激光的倍频和三倍频激光刻写FBG，特别是在利用相位掩模板法制备FBG中。
目前，刻写布拉格光栅的飞秒激光主要采用高斯光束。在制备体布拉格光栅等一些大尺寸的器件时，利用贝塞尔光束相比于高斯光束有更快的布拉格光栅刻写速度，能够大大提高制备效率。对飞秒激光光束进行时空调控，可以实现不同规模和需求的布拉格光栅制备，同时在精度和灵活性方面也有提高。
除了飞秒激光，皮秒激光也可作为加工光源刻写光纤光栅。最近研究人员利用1064 nm的皮秒激光结合逐点刻写法制备了FBG，并将其作为高温传感器应用在液态钠处理的工业管道温度监测中。相对飞秒激光,利用皮秒激光刻写FBG的研究较少，但是皮秒激光器具有价格低、稳定性好等优点，在产品应用中具有优势。
二
飞秒激光制备光纤光栅的应用
光纤激光器的输出波长覆盖了近红外(掺杂铒、镱、铒镱共掺等)和中红外波长(掺杂铥、钬、镝、铒等)。由于石英光纤在2 μm以上损耗较大，因此主要用于2 μm以下光纤激光器。从光纤纤芯直径、模式来看，目前光纤激光器所用的FBG主要有小纤芯直径的单模光纤、多模光纤和大模场光纤，其中大模场光纤主要用于高功率激光器。
光纤材料、掺杂离子是决定刻写FBG机制和性能的关键因素，而光纤材料基本上决定了光纤激光器输出波长的范围。下面将以光纤激光器的工作波长以及光纤直径作为分类，探讨飞秒激光刻写FBG技术在光纤激光器领域的应用。
01
近红外单模光纤激光器
近红外光纤主要采用石英光纤作为基质，而利用飞秒激光刻写FBG最早也是在石英光纤上实现的。因此，近红外光纤激光器成为FBG飞秒激光制备研究最广泛的方向。近红外光纤激光器主要以掺铒、掺镱和铒镱共掺有源光纤为增益光纤，输出波段分别在C＋L波段和1030-1100 μm。至今为止，利用飞秒激光已经在掺铒、掺镱、铒镱共掺等各类有源光纤中刻写FBG实现了近红外激光输出。
在各类单模光纤激光器中，单纵模光纤激光器由于线宽窄(一般为 kHz量级)、相干性好,在干涉检测、海洋通信、光纤水听器、引力波探测以及雷达与勘探等领域表现出广阔的应用前景和市场潜力。
飞秒激光制备FBG的偏振依赖特性、高阶光谱响应特性等也引起了研究人员极大的兴趣。飞秒激光经聚焦后诱导结构改变的局域性及非对称性，使得FBG具有强双折射特性，特别是飞秒激光逐点写入法制备的FBG。线偏振光纤激光器在非线性变频和共聚焦光束组合等方面具有重要的应用价值。
图2 基于FBG的线偏振光纤激光器装置及其输出特性。(a)激光器装置图；(b)光纤激光输出光谱；(c)不同偏振态的输出功率与抽运功率关系图
02
中红外波段光纤激光器
中红外激光器在相干多普勒激光雷达以及传感等领域应用极为广泛。近年来，中红外波段光纤激光器结合功率放大技术实现的高功率窄线宽光纤激光器成为下一代激光干涉引力波探测器的首选光源。中红外波段的光纤器件成本较高，在制作工艺成熟度方面不及近红外波段器件，因此中红外波段FBG对中红外光纤激光器简化工艺、减小损耗、降低成本具有重要意义。
中红外有源光纤掺杂的稀土离子主要包括铥、钬、镝、铒等，基质为石英玻璃的有源光纤，一般只能输出2 μm左右的中红外激光。波长2 μm以上的光纤激光器则采用氟化物及硫化物等基质材料的光纤。氟化物光纤对传统的248 nm紫外激光没有光敏性，只有掺杂铈离子之后才能刻写光纤光栅，而利用飞秒激光可以直接在有源或者无源氟化物光纤中刻写 FBG。此外，氟化物等光纤质地脆弱易断，飞秒激光隔涂覆层加工能有效解决这个问题，同时增强了FBG的鲁棒性。
目前开展该研究的单位主要有加拿大拉瓦尔大学、澳大利亚悉尼大学等，国内开展相关研究的单位较少。在中红外光纤激光器发展的推动下，该方向将会吸引更多研究者的关注。
03
大模场光纤激光器
普通单模光纤纤芯直径一般小于10 μm，所产生的激光由于强束缚极易产生强非线性效应，影响激光功率的提升。采用大模场光纤可以大大减弱光纤激光器中的非线性效应，成为实现高功率光纤激光器的必然选择。
最新的研究是，Krämer等利用飞秒激光在20 μm/400 μm无源光纤中刻写 FBG，并与掺镱光纤熔接成激光器，实现了５kW 的激光输出，其承载功率与传统紫外激光刻写的大模场FBG的承载功率相当。同时，他们发现光纤激光器运转时产生自退火效应可大大减小飞秒激光刻写FBG时所产生的缺陷，提高激光器的输出效率。这对利用飞秒激光制备适用于高功率激光器的大模场FBG研究来说具有深远的意义。
图3 基于掺镱大模场 FBG 的光纤激光器实验装置及输出功率特性。(a)激光器装置示意图；(b)激光输出功率与抽运功率的关系
对于大芯径的少模大模场光纤激光器，模式控制技术非常关键。利用飞秒激光能够灵活控制写入光纤中光栅的位置及截面折射率分布结构，实现激光横向模式和偏振的选择。这为在较大数值孔径的大模场光纤中实现模式抑制，输出单模激光提供可能。
三
结 语
FBG飞秒激光制备技术及其在单模近红外光纤激光器的应用研究已经很多，多模光纤FBG飞秒激光制备技术及其在激光器的应用研究正在兴起。利用飞秒激光在氟化物等中红外光纤中刻写FBG，并实现中红外光纤激光器已经成为近期的研究热点。在大模场FBG方面，利用飞秒激光在有源光纤中直接制备高功率FBG已成为可能。
由于光纤激光器对光纤光栅的损耗和模式具有极高的要求，利用飞秒激光刻写用于光纤激光器的FBG仍需要解决以下问题：
首先，如何通过控制飞秒激光参数实现飞秒激光诱导光栅结构物性的靶向控制，是实现低损耗高稳定性FBG的关键。
其次，光纤的柱形结构导致的像差以及折射，会使飞秒激光在光纤内的焦点位置发生偏折和畸变，影响飞秒激光刻写FBG结构在光纤截面上的分布位置和均匀性。
最后,飞秒激光诱导FBG所产的色心结构，存在宽带吸收损耗，不仅带来光纤激光器谐振腔的损耗，在高功率激光器中更容易使FBG温度升高，从而导致其布拉格波长偏移甚至破坏。
飞秒激光制备的FBG独特的物理、化学特性，赋予了它广阔的应用前景。随着各类光纤激光器的不断发展及工业需求，基于FBG的光纤激光器将会在众多领域大放光彩，为科学、国防、工业及公众的日常生活增添新的活力。
本文摘编自：吕瑞东,陈涛,范春松等.飞秒激光制备光纤 Bragg光栅在光纤激光器中的应用[J].激光与光电子学进展,2020, 57(11):111426
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