南理工团队解决了CTFBG无法承载高功率激光的难题

采用具有自主知识产权的新型光纤光栅退火技术以及高功率包层光剥离技术，南京理工大学朱日宏、沈华教授团队解决了啁啾倾斜布拉格光纤光栅

（Chirped and Tilted Fiber Bragg Grating, CTFBG）无法承载高功率激光的难题，首次研制出既能够承载千瓦级信号激光，同时又能够抑制光纤激光器中受激拉曼散射效应的啁啾倾斜布拉格光纤光栅。

CTFBG在高功率下存在的问题以及解决方案

造成CTFBG难以承载高功率激光的原因主要有两个：

（1）在刻写完的CTFBG内部仍残留着大量未反应的以游离态存在的分子，同时光栅内部也存在着因紫外光辐照而形成的等化学键。这些物质具有很强的红外吸收特性，在通入高功率激光时会使光栅产生严重的发热甚至烧毁，限制了CTFBG的承载功率。

（2）CTFBG能够将测试系统纤芯中存在的斯托克斯光耦合为后向传输的包层激光，包层激光在空气-包层界面满足全反射条件从而继续向后传输。但当包层激光传输至包层-涂覆层界面时，由于光纤涂覆层的折射率要大于空气的折射率，此时无法满足全反射条件，因此致使部分包层激光入射至涂覆层中并被涂覆层吸收进而造成发热现象。

为解决以上难题，南京理工大学朱日宏、沈华教授团队对此开展了深入研究。

针对第一个问题，南京理工大学研究团队采取了低温缓变结合高温渐变的新型退火技术对CTFBG进行热处理。研究团队首先对光栅进行低温缓变退火处理，从而去除CTFBG内部残留的氢分子。之后对CTFBG进行了高温梯度式退火处理，将CTFBG从室温开始以50°C为间隔缓慢加热至300°C，停留15分钟后再逐渐将至常温，如图1(a)所示。其中高温退火的目的在于降低光栅内部羟基浓度，而阶梯式升温与降温的目的在于避免在光栅内部产生因温度剧烈变化而导致的残余热应力。

针对第二个问题，研究团队提出了将CTFBG与包层光剥离技术相结合的方法，在CTFBG的上利用该研究团队提出的分段化学腐蚀技术对光栅表面进行腐蚀处理，从而实现被耦合至包层的斯托克斯光的去除。其结构如图1(b)所示，研究团队利用氢氟酸对CTFBG的包层表面分两段进行腐蚀且表面粗糙度依次增加（即段粗糙度大于段粗糙度）。与单段腐蚀方法相比，该方法的优势在于能够有效提高包层光剥离的均匀性，避免了单段腐蚀易造成光纤局部过热的问题，从而使其能够承载更高的包层光功率。

图1 (a)为高温渐变式梯度退火技术示意图；(b)为CTFBG结合包层光分段剥离技术的示意图

通过攻克以上难题，南京理工大学研究团队首次实现了既能够承载千瓦级信号激光同时又能够抑制光纤激光器中SRS效应的CTFBG，实物图如图2所示。

图2 南京理工大学研制的千瓦级CTFBG实物

高功率CTFBG测试效果

同时，南京理工大学团队利用其自研的kW级连续振荡型光纤激光器对其研制的CTFBG的光谱特性、承载功率、温度系数、插入损耗以及SRS效应抑制效果进行了测试。图3(a)为CTFBG的透射光谱，图3(b)为通入1 kW信号光时CTFBG的热像图，图3(c)为系统接入CTFBG之前的输出光谱，图3(d)为系统接入CTFBG之后的输出光谱。从测试结果可以看出，南京理工大学研制的CTFBG承载功率达到1 kW，温度系数优于0.015°C/W，插入损耗优于3%，SRS的抑制效果超过95%。

图3 CTFBG测试结果：(a)为CTFBG的透射光谱；(b)为CTFBG在1kW信号光作用下的热像图；(c)为系统接入CTFBG之前的输出光谱；(d)为系统接入CTFBG之后的输出光谱

该成果以“Fabrication of kW-level chirped and tilted fiber Bragg gratings and filtering of stimulated Raman scattering in high-power CW oscillators”为题，发表在High Power Laser Science and Engineering杂志上。同时本工作得到装备发展部预研领域基金重点项目的大力支持。