涂覆层对高频CO2激光刻写长周期光纤光栅的影响

江柳清, 朱国良, 江 超

(湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石　435002)

涂覆层对高频CO2激光刻写长周期光纤光栅的影响

江柳清, 朱国良, 江 超

(湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石435002)

摘要：研究涂覆层对高频CO2脉冲激光刻写长周期光纤光栅的影响。实验表明：在带涂覆层的光纤上刻写光栅时，光栅的谐振波长、峰值损耗和附加损耗的变化更趋平缓，而且平均损耗更小；涂覆层的存在会提高光栅的机械强度，但会增加刻写次数，易造成光栅刻写位置发生微小偏移。

关键词：长周期光纤光栅；高频CO2脉冲激光；涂覆层；附加损耗

中图分类号：TN29

文献标识码：A

文章编号：1009-2714(2015)04- 0064- 05

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.013

收稿日期:2015—09—25

基金项目：湖北师范学院2015年研究生创新基金资助;湖北师范学院2015年创新团队项目资助(T201502).

作者简介:江柳清(1990—) ，男，湖北十堰人，硕士研究生，研究方向为光电子器件.

0引言

长周期光纤光栅(long period fiber gratings, 简写为LPFG)出现于上世纪九十年代，刚问世便受到了人们的极大关注。对于LPFG的制作方法、理论分析、应用等的研究，产生了诸如紫外光刻法[1]、机械微弯法[2]、电弧放电法[3]、CO2脉冲激光直写法[4]等LPFG的制作方法，各法制作的LPFG性能各异、各有优劣，其中CO2脉冲激光直写法以其灵活、高效、经济等的特点吸引了相关人员的注意，在这片领域产生了许多令人兴奋的研究成果。通常在用高频CO2脉冲激光刻写LPFG时为了提高刻写效率都会先剥去涂覆层，然而剥去涂覆层的光栅机械强度大大降低，在传感应用领域，因为使用环境恶劣，要求传感用光纤光栅具有不同于通信用光纤光栅的光学和机械特性[5]，所以传感用光栅的刻写保留涂覆层是有必要的，涂覆层对光栅刻写的影响的研究也是有实际意义的。本文在实验的基础上对这一问题进行了探讨，分析了涂覆层对高频CO2脉冲激光刻写LPFG的影响。

1长周期光纤光栅的刻写

1.1　高频CO2激光器刻写LPFG的方法简介

实验中使用的是一台CO2激光打标机CT-LEG10，额定功率为10W，激光波长10.64μm，标刻最小线宽0.1～0.2mm，激光扫描速度设置为20mm/s，频率为5KHz.所用的光纤为标准通信单模光纤，芯径为9μm，宽带光源谱宽为1525～1600nm，光谱仪为横河AQ6370D，测量范围600～1700nm，精度为0.01nm.刻写光栅时为了使光纤始终处于水平直线状态，光纤一端固定在二维移动平台上，另一端加挂一个10g的小砝码。LPFG刻写示意图如图1所示。

1.2　高频CO2激光器在涂覆层没有剥去的光纤上刻写LPFG

利用图1所示的加工装置，我们在涂覆层没有剥去的单模光纤上刻写了LPFG，光栅周期为Λ=596μm，周期数为N=38.刻写时激光器功率取为额定功率的35%，刻写重复次数从1～12次。图2是刻写12次以后得到的光栅的透过谱，从谱线得出，光栅的谐振波长 λres1=1568.7nm，峰值损耗值A1=-11.68dB，3dB带宽约为17nm.

图1　高频CO2脉冲激光刻写LPFG示意图

图2　高频CO2脉冲激光在带有涂覆层的光纤上刻写的LPFG的透射谱

激光器功率为35%时，在涂覆层没有剥去的光纤上刻写LPFG，表1为光栅中心谐振波长、透射谱损耗峰幅值、附加损耗随刻写次数变化的数据。从表中可以看出，重复刻写第三次时，透射谱才会出现损耗值，损耗值随着刻写次数逐渐增大，到10次以上就慢慢饱和不再变化了；中心波长随刻写次数变化不大；附加损耗随着刻写次数也逐渐增大，达到7次以上也慢慢饱和不再变化了。

表1　激光器功率为35%时在涂覆层没有剥去的光纤上刻写LPFG的相关数据

1.3　高频CO2激光器在剥去涂覆层的光纤上刻写LPFG

利用图1所示的加工装置，我们在剥去涂覆层的单模光纤上刻写了LPFG，光栅周期为Λ=596μm，周期数为N=38.刻写时激光器功率取为额定功率的35%，刻写重复次数从1～12次。图3是刻写12次以后得到的光栅的透过谱，从谱线得出，光栅的谐振波长λres2=1560.8，峰值损耗值A2=-16.32dB,3dB带宽约为15nm.

激光器功率为35%时，在涂覆层没有剥去的光纤上刻写LPFG，表2为光栅中心谐振波长、透射谱损耗峰幅值、附加损耗随刻写次数变化的数据。从表中可以发现，刻写一次透射谱就出现较大损耗值，说明比带涂覆层的光纤更容易刻写；中心波长随刻写次数首先变大，然后慢慢变小，最后达到饱和；损耗值随着刻写次数逐渐增大，刻写4次就达到最大，然后就慢慢减小了；附加损耗与刻写次数没有什么对应关系，数值与带涂覆层时刻写光栅的差不多。对比表格1与2，我们发现在剥去涂覆层的

光纤上刻写LPFG，刻写4次就能够获得与前面刻写12次一样的光栅中心波长，但附加损耗更小(1.4dB)，损耗峰值达到-20.66dB.

图3　高频CO2脉冲激光在剥去涂覆层的光纤上刻写的LPFG的透射谱

刻写次数中心波长/nm损耗峰幅值/dB附加损耗/dB11554.0-4.421.5621569.5-12.122.6531569.0-21.841.8441568.1-20.661.4051566.2-17.881.3561564.2-17.201.4771562.9-17.160.8781562.0-17.081.1391561.3-16.621.45101561.1-16.261.88111561.1-16.121.95121560.8-16.322.19

2实验数据分析

为了直观描述涂覆层对光栅刻写过程的影响，利用刻写LPFG时的相关数据进行了对比研究。图4与图5分别反映了在同一参数下两种光栅的谐振波长和损耗峰幅值随刻写次数的变化情况。从图4可以看出两种光栅的谐振波长变化趋势是一致的，都是最初几次红移随后蓝移最终趋于稳定，但是带有涂覆层的光栅要比剥去涂覆层的光栅的谐振波长大。

在高频CO2脉冲激光单侧直写LPFG时，由于SiO2对10.64um波长处的激光吸收较强，使得透射光的能量沿激光入射方向逐渐减小[6]，由Turan Erdogan的耦合模理论[7]：

最初几次刻写时，沉积到芯部的能量所引起的纤芯导模有效折射率改变量要比包层吸收的能量所引起的包层模式有效折射率改变量小，此时其有效折射率差递减，所以最初都会红移，继而包层被划伤，这时有更多的能量沉积到纤芯，所引起的纤芯导模有效折射率改变量此时比包层模的大，这时它们的有效折射率差递增，所以波长会蓝移，随着多次刻写，纤芯导模和包层模的有效折射率改变量趋于饱和，这时波长漂移很小近乎稳定。而带涂覆层的光栅谐振波长大于剥去涂覆层的，可能是由于涂覆层的存在使得距离激光入射点远的纤芯吸收的能量相较于剥去涂覆层的情况更小，所以才会出现这样的情况。

图4　谐振波长随刻写次数的变化关系

图5中带涂覆层的光纤在刻写过程中其损耗峰幅值的变化明显的要比剥去涂覆层的情况缓慢许多，且在我们记录的这12次刻写中还没看到其最大峰值的出现，说明涂覆层吸收了部分能量导致在相同情况下需要刻写更多次才能使之达到最佳耦合状态。

图5　光栅损耗峰值与刻写次数的变化关系

图6　光栅刻写过程中的附加损耗值随刻写次数的变化关系

另外我们对刻写过程中的附加损耗也进行了对比，图6表示在带涂覆层和不带涂覆层的光纤中刻写光栅产生的附加损耗值随刻写次数的变化关系。从图中可以看出带涂覆层的光栅在刻写过程中的附加损耗变化更加平缓，而剥去涂覆层的光栅附加损耗变化幅度较大，这也进一步说明了涂覆层的存在会吸收部分入射激光能量，去掉涂覆层会使得光纤对沉积的激光能量的变化更加敏感。

3结束语

涂覆层作为裸光纤最外面的一个结构，对整个光纤起着保护的作用，它的存在会影响刻写光栅时的脉冲能量吸收，进而影响着光栅的光谱特性，不过涂覆层能够加强光栅的机械特性，这在传感应用中是非常重要的。在高频CO2脉冲激光刻写LPFG时，由于光纤涂覆层的存在起着缓冲激光辐照的作用，它会吸收部分激光能量。在带涂覆层的光纤上刻写的光栅，光栅的谐振波长、峰值损耗和附加损耗的变化更趋平缓，而且它的平均损耗更小。涂覆层的存在会增加光栅的机械强度，但在相同的功率下需要更多的刻写次数才能使之到达最佳耦合状态。

参考文献：

[1]Vengsarkar A M, Lemaire P J, Judkins J B,et al.Long-Period fiber gratings as band-rejection filters[J]. J Lightwave Technol, 1996,14(1): 58~64.

[2]Savin S, Digonnet M J F, Kino G S,et al.Tunable mechanically induced long-period fiber gratings[J]. Optics Lett, 2000,25(10): 710~712.

[3]In Kag Hwang, Seok Hyun Yun, Byoung Yoon Kim. Long period fiber gratings based on period microbends[J]. Optics Lett, 1999,24(18): 1263~1265.

[4]Rao Yun-Jiang, Wang Yi-Ping, Ran Zeng-Ling,et al.Novel fiber-optic sensors based on long-period fiber gratings written by hight-frequency CO2 laser pulses[J]. J Lightwave Technol, 2003,21(5): 1320~1327.

[5]张向东，李育林，王卫平, 等. 传感用光纤光栅写入技术的研究和发展[J].激光技术,2004, 28(5): 506~509.

[6]王义平. 新型长周期光纤光栅特性研究[D]. 重庆:重庆大学博士学位论文,2003.24.

[7]Turan Erdogan. Fiber Grating Spectra[J]. J Lightwave Technol, 1997,15(8): 1277~1294.

Effect of coat to long-period fiber gratings written

by high-frequency CO2laser pulses

JIANG Liu-qing,ZHU Guo-liang,JIANG Chao

(College of Physics and Electronics，Hubei Normal University，Huangshi435002，China)

Abstract:The effects of coat to long-period fiber grating written by high-frequency CO2laser pulses were studied in the paper. The experiment results showed that long-period fiber gratings written on coated fiber of its resonant wavelength, peak loss and additional loss not only changed smoothly, but also had a smaller average additional loss. Coats of fiber gratings could improve the gratings' mechanical characteristics, but it would need more times to writing, which may make the writing point have a tiny shift.

Key words:long-period fiber grating; high-frequency CO2laser pulses; coat; additional loss