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中红外玻璃光纤光栅制备方法有哪些？

光电汇OESHOW

2023-07-14

导读：都是经验之谈

刘婷^1,3,4 李耀威^1,3,4 戴世勋^1,3,4 王训四^1,3,4 王鹏飞² 张培晴^1,3,4

1 宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室

2 哈尔滨工程大学理学院

3 浙江省光电探测材料及器件重点实验室

4 先进红外光电材料及器件浙江省工程研究中心

光纤光栅是一种高效的光无源器件，具有插入损耗低、光纤兼容性好、特异性波长选择等优点，在光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。其工作原理是利用光纤的光敏特性，通过对光纤纤芯的折射率进行周期的调制，使特定波长的光传输受到损耗或反射。制备方法主要有驻波法、全息干涉法、相位掩模法和激光直写法等。

随着红外材料及器件科学技术的发展，红外基质的光纤光栅引起国内外学者的广泛关注和持续研究，已成为现代光学研究的热点之一。中红外光纤光栅是全光纤化中红外激光的关键元件，虽然国内外对其的研究已取得丰富成果，但与传统石英光纤光栅相比，中红外光纤光栅制备及研究水平还处于起步阶段，存在一些关键的科学问题和技术难题尚待深入探索。

中红外光纤光栅制备研究进展

氟化物光纤光栅

氟化物光纤尤其是ZBLAN光纤在可见、近红外和中红外波段具有低损耗传输性能，被广泛应用于中红外光纤激光器中。由于ZBLAN光纤没有光敏性，基于紫外光源干涉的刻写光栅技术无法适用于氟化物光纤光栅的制备。一种可行的方法是在ZBLAN玻璃基质中掺杂稀土元素，以提高其光敏性。

随着科研人员的不断研究发现，利用飞秒激光刻写氟化物光纤光栅开始成为获得高光谱质量和高稳定性光纤光栅的最有效方法，是制备高质量氟化物光纤光栅最成功的技术。飞秒激光制备氟化物光纤光栅主要包括相位掩模法和激光直写法。

相位掩模法

相位掩模法制备光纤光栅具有较高的光学质量和较好的重复性，已经被成功地应用于各种中红外光纤激光器中。但相位掩模法每次只能写入特定波长的光纤光栅，且对于双包层光纤和光子晶体光纤等复杂结构的光纤光栅的制备存在较大的困难。此外，由于相位掩模板与光纤相隔很近，相位掩模板的低损伤阈值限制了飞秒激光可使用的脉冲能量范围。

2018年，加拿大拉瓦尔大学的Aydin等在6.5 m长的Er³⁺:ZBLAN光纤两端使用 800 nm的飞秒脉冲和扫描相位掩模技术，写入了中心波长为2.82 μm、反射率分别为99.5%的高反射率和8%的低反射率FBG，采用双向同时泵浦得到了2.82 μm波长处41.6 W的激光输出功率，是迄今为止中红外光纤激光器的最大平均输出功率，其实验装置如图1所示。

图1 工作在2.82 μm处41.6 W的氟化物光纤激光器的实验装置

激光直写法

飞秒激光直写法制备光纤光栅结构灵活，可以在双包层或微结构光纤中直写出高质量的光栅结构。2018年，日本大阪大学的Goya等采用波长较短的513 nm飞秒激光在双包层掺Er³⁺:ZBLAN光纤中写入了2.5 mm长、中心波长2.8 μm和周期0.947 μm的一阶光栅，折射率调制为1.1×10^-3，反射率达到97%，用于光纤激光器中得到了高达29.1%的激光输出效率。

近年来，国内在低损耗氟化物光纤制备方面也开展了大量的研究，如中国科学院上海光学精密机械研究所和哈尔滨工程大学等研究团队在氟化物玻璃（ZrF₃基、AlF₃基和 InF₃基玻璃）方面取得了卓有成效的系列研究成果，并实现了稀土掺杂光纤激光输出。但总体而言，国内在低损耗氟化物光纤制备、光纤光栅刻写和激光性能方面与国际水平仍有一定的差距。

硫系光纤光栅

硫系玻璃是一种优良的红外玻璃材料，在光学上具有极宽的红外透过范围、高的线性和非线性折射率、极低的声子能量等优点，可以用于制备衍射光栅、波导和光纤结构，引起研究人员的极大兴趣，成为可替代石英材料实现红外光子调控的理想材料。硫系玻璃光纤光栅的制备方法与石英和氟化物光纤光栅相似，主要采用双光束全息干涉法、掩模法以及逐点直写法，光刻光源包括连续激光和飞秒激光。

虽然连续激光具有较高的光束质量，刻写硫系光纤光栅时光路简单，但由于其为线性吸收，光刻时需要利用材料的光敏性，对照射激光存在明显的波长依赖，且刻写的光栅的折射率调制度较小，热学稳定性和抗激光损伤特性较差，众多实验中虽能观察到明显的光学带隙，但制备的光纤光栅均未见其在光纤激光器及传感领域应用的报道。相较而言，飞秒激光直写技术是制备高质量硫系光纤光栅的最有力手段。

2014年，Bernier等利用飞秒激光在单模As₂S₃光纤中刻写光纤光栅，搭建出级联拉曼光纤激光器，实现了3.77 μm的中红外激光输出，这是目前在硫系拉曼光纤激光器中的最长输出波长。

在硫系光纤光栅的飞秒光刻制备过程中，折射率调制度的精确控制是实现高质量光纤光栅的关键，由于硫系玻璃的物化和光学特性与传统石英玻璃存在较大的不同，该问题的研究仍面临不小的挑战。除激光写入法和掩模法以外，研究人员还利用机械应力和超声波等方法获得了硫系光纤光栅。

2006年，澳大利亚悉尼大学Eggleton等利用机械应力装置（图2）将螺纹杆压在6 μm纤芯的As₂Se₃光纤上制备了LPFG，获得了1.55 μm的透射带隙，最后通过加热光栅装置监测透射光谱，在1540 nm处测量的波长偏移为0. 43 nm/℃，这大约比使用同样的工艺在石英光纤中制备的LPFG大一个数量级。2008年， Eggleton等利用830 kHz超声波共振技术在As₂Se₃写入了135 mm的LPFG，光栅周期约为0.76 mm，获得了1.55 μm的透射带隙，并将其成功应用于超快光开关中。

图2 机械应力装置制备LPFG示意图

碲酸盐光纤光栅

碲酸盐玻璃具有较高的折射率和光学非线性，较低的声子能量，耐腐蚀、低熔融温度高辐射率以及机械强度高等优点，从可见光到中红外区域（＜6 μm）的传输性能良好。碲酸盐光纤光栅是一种很有发展前景的光子学材料，可应用于非线性光学开关、光学放大器和激光器设备中，已成为生物、化学和气体传感应用中的理想光纤主体。

由于碲酸盐光纤对于紫外吸收非常大，所以这种光纤可以通过紫外辐射的方法来刻写光栅结构。2003年，Fujiwara等发现，掺铒的碲酸盐玻璃在紫外准分子激光的照射下，玻璃的折射率发生了大幅度的变化，这种光致折射率变化适用于在碲酸盐掺铒光纤放大器中制作布拉格光栅。2012年，Shi等通过数值模拟在无源高折射率碲酸盐光纤中写入相移布拉格光栅，可以在100 mW范围内使用阈值功率的厘米长激光器实现拉曼分布式反馈光纤激光器振荡，其在红外波段的振荡距离远大于目前使用的稀土掺杂二氧化硅玻璃。

2017年，Behzadi等通过理论分析与结构设计研究了基于π相移FBG的中红外分布反馈（DFB）拉曼光纤激光器（RFL）的潜在性能特征，将布拉格光栅写入低声子能量的碲酸盐与硒化砷（As₂Se₃）中红外光纤中。

中红外玻璃光纤光栅的应用领域

中红外光纤激光器

中红外光纤激光器因其特殊的输出波长和良好的光束质量，在军事对抗、生物医疗、环境监测、材料加工、科学研究等重要领域有着广泛的应用前景。中红外光纤光栅是构建高功率全光纤中红外激光器的基础。为了使中红外光纤激光器具有结构紧凑、工作稳定的全光纤结构，更好地满足机载和军事等领域对高功率的需求，世界各国研究人员展开了针对多种中红外光纤光栅的探索工作，有力地促进了全光纤结构中红外光纤激光器的发展。

中红外光纤传感器

中红外光纤光栅除了在非线性光学领域有许多重要的应用外，在光纤传感方面也起着举足轻重的作用。中红外光纤光栅作为传感器具有抗电磁干扰、光学插入损耗小、体积小、重量轻、灵敏度高和抗恶劣环境等优异特性，并且可以克服传统石英光纤无法应用于2 μm以上波段的限制。根据光栅周期的长短，可以将中红外区域的传感应用分为FBG传感器和LPFG传感器。FBG的芯-芯模耦合，LPFG的芯-包层模耦合，形成光纤光栅的谐振波长对外界环境的变化非常敏感，如温度、折射率、应力、浓度和其他外部因素等，因此被有效地应用于光纤传感中。

由于中红外光纤光栅在中红外波段具有宽的工作范围和极高的非线性效应，除上述红外拉曼激光器、光纤传感等领域有重要的应用外，在光纤光开关、光学耦合器方面也扮演着十分重要的角色。

展望

随着激光和新材料技术的进步，中红外波段的激光源和光器件在国防建设和国民经济中的作用日益凸显。在中红外光纤激光器中，光纤光栅是实现全光纤化红外激光器的关键光学器件；而在中红外光纤传感器、光纤光开关和光纤滤波器等应用中，光纤光栅也是不可或缺的组成元件。

基于光纤光栅的光器件由于结构紧凑、易于维护、抗电磁干扰强等优点，越来越受到研究者的重视。中红外光纤激光及光器件特殊的应用环境也对高质量中红外光纤光栅的性能提出了更高的要求。与石英材料相比，软玻璃光纤光栅具有更高的折射率和光学非线性，但其光学、热学和化学稳定性及机械损伤阈值更低，特殊的应用场合亟需开发新型高稳定性中红外光纤基质材料。

此外，与可见光和近红外波段相比，中红外玻璃光纤由于光学和热学稳定性较差，高质量中红外光纤光栅制备技术仍存在巨大的挑战，仍需不断地改进和完善。

本文经作者授权，改写自《光学学报》中的“中红外玻璃光纤光栅制备及其应用研究进展”一文，点击文末“阅读原文”查看原文。