光纤光栅是一种在纤芯层引入周期性折射率调制的光纤无源器件，对温度、应变、折射率、弯曲与扭曲等外界环境参量变化具有较高灵敏度，同时还具有插入损耗小、带宽宽、体积小、耐高温高压、背向反射低和抗电磁辐射干扰等优点。在光通讯、国防工业、航空航天等极端苛刻环境的通信和传感领域中有广阔的发展前景。
根据光纤特性、光栅周期及光栅用途等特点，光纤光栅也有不同的分类。这里不一一介绍了，可查看之前的推文：刻写光纤光栅之前，这些概念和刻写要点需了解，详细了解。
光纤光栅的制作方法
目前，光纤光栅的制作方法有：双光束干涉法、掩模法、飞秒激光直写法、离子束注入法、机械微弯变形法、腐蚀刻槽法、物理变形法。
双光束干涉法采用两束相干紫外光在光敏光纤侧面形成明暗相间的干涉条纹来制作光栅，通过改变激光波长及两相干光束间的夹角，改变干涉条纹的间距获得适宜周期的光栅，如图1所示。
图1 双光束干涉法制备光纤光栅的加工装置示意图
双光束干涉法制作的光栅面积大、频率高，但是此方法对激光光源的空间和时间相干性要求很高，且制作的光栅还需要进一步处理，给实验测试增加了难度。
相位掩模法写入不采用衍射光束干涉条纹“模制”折射率调制图案的办法，而是模板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化而成栅的。写入后对其退火，以稳定光学特性。
相位掩模板通常用于长周期光纤光栅的写入。实验装置如图2所示。飞秒激光脉冲（波长固定）经过柱面透镜聚焦，垂直入射，穿过相位掩模板（周期固定）进行相位调制，产生干涉条纹，±1级衍射能量最强，并且是规则的周期性分布的。
图2 相位掩模法制备光纤光栅的加工实验系统光路示意图
这种方法对激光的相干长度要求大大降低，可实现光纤光栅的大批量生产。但由于掩模板的价格昂贵，且一旦掩模板确定，制得的光纤光栅的周期确定，周期个数也确定，灵活性较差。
而且从图3中也可以看到，折射率变化的区域从纤芯扩展到包层，这是由于飞秒激光与透明的材料作用时产生的自聚焦成丝的效果。折射率调制区域通常沿激光传输方向延伸（瑞利长度范围）。
图3 相位掩模法刻写长周期光纤光栅（FBG）的示意图[1]
激光直写是将聚焦激光沿光纤轴向扫描，直接诱导内部折射率调制，曝光移动一段距离，然后遮挡激光再移动相同距离，重复该过程，完成光纤内部的周期性折射率调制，如图4所示。可以通过调节入射激光的功率、偏振特征、重复频率、波长与入射角等参数，在光纤表面制作不同周期的光纤光栅。
图4 激光直写光纤光栅的装置示意图
激光直写光纤光栅具有精度高、不用模具、周期调控灵活、光栅热稳定性好以及不易老化等优点。但要真正应用该方法制作光纤光栅，还有诸多问题需解决，如激光直写光纤光栅的过程中，纳米乳突、纳米颗粒等多种不同的表面纳米结构也会在光纤中被制备出来，增大了传输损耗。
此外，激光入射到柱状结构光纤的包层到纤芯时，激光焦点形状以及功率因着光纤的形状发生变化，引起加工误差。
离子注入法是利用高能氢（H+）氦（He2+）离子束，沿光纤轴向方向周期性注入光纤中，使光纤纤芯和包层周期性局部密度增加，这种方法最高可形成10-2折变量调制，且不需要事先对光纤进行增敏预处理。但是由于受离子束入射深度的影响，在纤芯和包层中折射率调制分布并不均匀，破坏光纤的偏振对称性。图5为离子注入法刻蚀光纤光栅示意图。
图5 离子注入法刻蚀光纤光栅示意图
电弧放电法是将光纤放在一对电极之间沿光纤轴向局部进行周期性放电，放电部位光纤熔融微弯变形，通过调节放电电流大小和时间就可以控制光纤加热时间，制备出不同周期的长周期光纤光栅。该方法制备的长周期光纤光栅具备良好的高温稳定性。图6为电弧放电法刻蚀光纤光栅示意图。
图6 电弧放电法刻蚀光纤光栅示意图
腐蚀刻槽法是仿照半导体工艺中刻蚀技术，在光纤表面涂覆周期性的金属薄膜作为掩模，将光纤浸入氢氟酸中，刻蚀掉外面的光纤部分，留下一系列周期性的凹槽结构。由于周期性腐蚀，光纤结构发生了破坏，纤芯模和包层模之间耦合对应力变化十分敏感，是一种很有发展前景的应力传感器。
基于对双光束干涉法、相位掩模法、激光直写法、离子注入法、电弧放电法、腐蚀刻槽法与机械弯曲法等不同制栅方法的总结，清楚的了解到每种方法都有自己的一定局限性。为了解决加工效率低、折射率调制面积小、光纤光栅尺寸小、光纤光栅传输损耗大等问题，易光电结合湿法刻蚀设计了智能可视化光纤光栅刻蚀系统。
飞秒脉冲激光直写光纤光栅的光路实验系统
飞秒脉冲激光直写光纤光栅的光路系统如图7所示，加工系统由激光聚焦系统、实时监视系统、三维精密定位及调节系统四部分组成。飞秒激光依次经过准直光阑、电控高速快门和扩束系统，最后经显微物镜聚焦到样品上。出射的飞秒激光先后通过半波片和偏振分光棱镜，调节波片快轴方位可以连续调节飞秒激光的功率大小。
成像观测系统由白光LED照明系统、变焦透镜组、显微物镜和CCD相机组成。光纤浸在折射率匹配液中，使用光纤夹具将光纤固定在精度为20 nm的二维俯仰精密调整架上，调整架固定在三维移动平台上。测量光谱时，在光纤两端连接超连续谱光源和一台光谱仪(OSA) ，记录直写过程中光纤光栅的光谱变化。
图 7 飞秒脉冲激光直写光纤光栅及光谱测试系统装置示意图
利用飞秒脉冲激光沿光纤纤芯轴向划线和垂直光纤划线两种方式刻写光栅，如图8a所示，激光垂直光纤方向划线，每经过一个光栅周期，激光在纤芯区域竖直扫描10 μm，此时当加工光栅周期达到几百微米时，透射光谱中光纤光栅损耗峰强度微弱，折射率调制颇为低效，在透射光谱中无法观察到尖锐狭长的长周期光纤光栅损耗峰。
图8b所示是激光焦点沿光纤纤芯轴向方向划线刻写光栅，激光每扫过纤芯中心半个光栅周期长度时，立刻关闭关闸，同时焦点相对光纤继续移动半个光栅周期长度，使折射率调制区域与未调制区域维持占空比1:1，激光焦点与光纤始终保持匀速地相对位移。随着光栅周期个数的增加，在光谱仪中可一边观察光纤光栅的损耗带变化，一边记录光谱，探寻光谱效果最优的加工参数。
图 8 （a）飞秒脉冲激光垂直光纤划线刻写光栅（b）沿纤芯轴向划线刻写光栅
[Zhong-Ming Zheng，IEEE Sensor (2018)]
易光电完善的基于飞秒脉冲激光直写光纤光栅的光路系统设计方案，对飞秒激光进行扩束，空间光调制器对光束进行整形与光谱测试系统结合起来，优化了飞秒脉冲激光直写光纤光栅工艺，提高了光纤光栅的结构稳定性和灵敏度。
该设计方案中还加入了加工过程实时成像监控系统，以便通过CCD观测系统实时监测材料加工过程与微纳结构形状，以实时调整加工参数，改善加工效果。同时，将光纤和物镜光纤浸在折射率匹配液中，可解决激光入射到柱状结构光纤的包层到纤芯时，激光焦点形状以及功率因光纤的形状发生变化，引起加工误差的问题。
在本方案中，整个飞秒脉冲激光直写光纤光栅系统会通过软件将系统使用的光学器件及设备结合起来，形成一个智能化光纤光栅刻蚀系统。
易光电是面向光电技术服务需求的对接平台，可提供飞秒激光直写系统的设计和搭建服务、专业的光电技术服务，如技术开发、系统搭建、技术攻关等。技术服务需求方可通过该平台与平台上的专家、实验室对接，解决光电技术服务方面的技术难题。包括超快激光微纳加工、非线性光学系统、显微成像系统、空间光通信系统和教学实验系统等。
参考文献
[1] Zhong-Ming Zheng, Yong-Sen Yu, Xuan-Yu Zhang, Qi Guo, and Hong-Bo Sun, Femtosecond laser inscribed small-period long-period fiber gratings with dual- parameter sensing, IEEE Sensor J. 18, 1100 (2018).
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封面来源：fibergratings.com
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