少模光纤光栅的飞秒激光制备及其特性

申莎莎

(运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000)

0 引 言

相比于传统的电学传感器，光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、易于组成传感网络等众多优点，在光纤通信和光纤传感技术领域得到了极其广泛的应用。用常规的紫外激光和相位掩模法在普通单模光纤中写入FBG时，要求光纤具有光敏性。这种FBG在120 ℃以下具有很好的温度和应变传感特性，但在500 ℃以上时会被逐渐擦除。热再生FBG[1]可耐受1 000 ℃的高温，但需要进行特殊保护处理。随着高温应变光纤传感和高功率光纤激光器技术的不断发展，迫切需要在非光敏材料和特种光纤中写入高温稳定的FBG。飞秒激光在光纤中写入光纤光栅是近十多年发展起来的，已经成为当前光纤光栅制备领域的研究热点之一。用飞秒激光在光纤中制备FBG主要有3种方法：直写法[2](也称为点对点法)、相位掩模法[3]和塔尔博特(Talbot)干涉仪法[4]。研究表明，该FBG表现出很强的模式耦合特性和双折射特性，而且可耐受1 000 ℃以上的高温。

其次，普通单模光纤中只能传输基模，在其中写入FBG后，反射光谱中只有一个对应于基模的布拉格反射峰。随着光纤通信系统中模分复用技术的发展，双模和四模等少模光纤相继被设计和拉制成功。少模光纤中会同时存在2个或4个不同的传输模式，在其中写入FBG后，会存在对应于不同传输模式的多个布拉格反射峰。这引起人们极大的兴趣，除了研究其基本特性的光谱特性[5]、模式耦合特性[6]和热再生少模FBG的耐高温特性[7]外，还开展其在温度、应变和弯曲传感[8～10]、双波长光纤激光器[11]和柱矢量光束产生系统[12～15]等方面的研究。目前大多采用常规的紫外激光在少模光纤中写入FBG，而用飞秒激光在少模光纤中制备FBG，并对其传感特性进行研究的文献甚少。 本文将利用飞秒激光和相位掩模法在双模光纤中制备FBG，并对其光谱特性和高温应变传感特性进行研究。

1 少模光纤与少模FBG

1.1 少模光纤

光纤的归一化频率V可表示为[16]

式中n1和n2分别为纤芯和包层的折射率，a为纤芯半径，λ为光波波长，k0为传播常数。归一化频率表征了光纤能够容纳传播模式的数量。

所谓的单模光纤，即当V<2.405时，光纤中只存在基模。当2.405

1.2 少模FBG

根据耦合模理论，光束在少模FBG中满足的光栅方程为[17]

对于自耦合，反向传播的两束光的模式相同，即μ=ν，式(2)可表示为

λμ=2neff,μΛ

(3)

式中λμ为布拉格共振波长，neff,μ为传输模式LPμ的有效折射率。

对于互耦合，反向传播的两束光的模式不同，即μ≠ν，式(2)可表示为

λμ,ν=(neff,μ+neff,ν)Λ

(4)

由式(4)可知，相邻两模式互耦合对应的布拉格反射峰位于自耦合对应的布拉格反射峰中间。

2 飞秒激光写入FBG的实验装置

飞秒激光在少模光纤中写入FBG的实验光路如图1所示[18]，飞秒激光器发出的一束飞秒激光，利用一1/2波片和偏振片的组合连续调节飞秒激光的强度，采用一柱面透镜将圆形激光束聚焦为片状激光束，经一0级抑制的相位掩模板衍射，在相位掩模板后1级衍射光形成近场干涉条纹，光纤紧贴相位掩模板放置，且通过三维微位移平台将光纤严格置于柱面透镜的焦线处。通过选择合适的飞秒激光强度和持续时间，即可在光纤中成功写入FBG。写入过程中，用一宽带光源(武汉欧光科技ASE-C+L-20)和光纤光谱仪(横河AQ6370D)实时监测FBG的透射谱。飞秒激光器的峰值强度最高可达1 mJ，中心波长为800 nm，频率为1 kHz，脉冲宽度为120 fs，光束直径为8 mm。实验中柱面透镜的焦距为100 mm。采用Ibsen公司的零级抑制相位掩模板，工作波长为800 nm，相位掩模板的光栅周期Λm为2.142 μm，±1级衍射效率大于70 %。因此，在光纤中写入的FBG光栅周期Λ为相位掩模板光栅周期Λm的1/2，即Λ=Λm/2=1.071 μm。实验中采用的激光强度为600 μJ。

图1 飞秒激光写入FBG的实验装置示意

3 少模FBG特性

3.1 光谱特性

实验中所用的少模光纤为长飞光纤光缆股份有限公司生产的阶跃型双模光纤，其参数如下：芯径为16 μm，包层直径为125 μm，它可同时传输两种模式：LP01模和LP11模。实验得到的少模FBG反射光谱如图2所示，可见其反射光谱中有3个主反射峰Peak 1、Peak 2和Peak 3。Peak 1和Peak 3的中心波长分别为1 551.45 nm和1 547.94 nm，反射强度分别为42.1 dB和25.4 dB，分别对应于LP01模和LP11模的自耦合。而Peak 2位于Peak 1和Peak 3的正中间，其中心波长和反射强度分别为1 549.70 nm和37.8 dB，由此可见，它对应于LP01模和LP11模之间的互耦合。

图2 少模FBG的反射光谱

3.2 温度响应特性

将制备的少模FBG置于高温管式炉内。利用宽度光源、光谱分析仪和光纤环形器测量其反射光谱。在16～800 ℃范围对其高温特性进行测量，温度间隔约为100 ℃。少模FBG反射光谱随着温度增加的演化过程如图3所示，可见其整个反射光谱呈现出明显的红移，在800 ℃时其光谱形状随着温度的升高稍微有些衰减。反射光谱中3个主反射峰的中心波长随温度的变化曲线如图4所示，可见，随着温度的增加，3个主反射峰的中心波长均发生了线性漂移，拟合得到的温度灵敏度分别为kT1=14.27 pm/℃，kT2=14.23 pm/℃和kT3=14.25 pm/℃，稍高于用紫外激光在普通单模光纤上制备的FBG的温度灵敏度10.2 pm/℃。

图3 少模FBG反射光谱随温度的演化过程

图4 少模FBG主反射峰的中心波长随温度的变化关系

3.3 应变响应特性

将少模FBG置于高温管式炉内，温度设置为500 ℃，同时利用环氧树脂胶将其两端粘贴于2个手动的微位移平台上，通过调节其中一个维位移平台，对少模FBG施加应变。在(0～2 000)×10-6范围对其应变特性进行测量，应变间隔约为100×10-6。利用宽度光源、光谱分析仪和光纤环形器测量其反射光谱。少模FBG的反射光谱随着应变增加的演化过程如图5所示，可见其反射光谱呈现出明显的红移，且其光谱形状基本保持不变。反射光谱中3个主反射峰的中心波长随应变的变化曲线如图6所示，可见，随着应变的增加，3个主反射峰的中心波长均发生线性漂移，拟合得到的应变灵敏度kε1，kε2和kε3均为1.77 pm/10-6，稍高于用紫外激光在普通单模光纤上制备的FBG的应变灵敏度1.2 pm/10-6。

图5 少模FBG反射光谱随应变的演化过程

图6 少模FBG主反射峰的中心波长随应变的变化关系

4 结 论

针对现有光纤高温应变传感的局限性，利用飞秒激光和相位掩模法在少模光纤中成功制备了FBG，并实验研究了其反射光谱特性和高温应变传感特性。结果表明：少模FBG的反射光谱中具有3个主反射峰，两边的主反射峰对应2个模式的自耦合，中间的一个主反射峰对应不同模式之间的互耦合。该FBG在16～800 ℃范围具有很好的温度响应，温度灵敏度为14.27 pm/℃，且500 ℃温度下，在(0～2 000)×10-6范围时具有很好的应变响应特性，应变灵敏度为1.77 pm/10-6。其有望在高温应变传感和多波长光纤激光器方面得到一定的应用。