江柳清, 朱國(guó)良, 江 超

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石　435002)

涂覆層對(duì)高頻CO2激光刻寫(xiě)長(zhǎng)周期光纖光柵的影響

江柳清, 朱國(guó)良, 江 超

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

摘要：研究涂覆層對(duì)高頻CO2脈沖激光刻寫(xiě)長(zhǎng)周期光纖光柵的影響。實(shí)驗(yàn)表明：在帶涂覆層的光纖上刻寫(xiě)光柵時(shí)，光柵的諧振波長(zhǎng)、峰值損耗和附加損耗的變化更趨平緩，而且平均損耗更小；涂覆層的存在會(huì)提高光柵的機(jī)械強(qiáng)度，但會(huì)增加刻寫(xiě)次數(shù)，易造成光柵刻寫(xiě)位置發(fā)生微小偏移。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)周期光纖光柵；高頻CO2脈沖激光；涂覆層；附加損耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TN29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2714(2015)04- 0064- 05

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.013

收稿日期:2015—09—25

基金項(xiàng)目：湖北師范學(xué)院2015年研究生創(chuàng)新基金資助;湖北師范學(xué)院2015年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助(T201502).

作者簡(jiǎn)介:江柳清(1990—) ，男，湖北十堰人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆娮悠骷?

0引言

長(zhǎng)周期光纖光柵(long period fiber gratings, 簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)PFG)出現(xiàn)于上世紀(jì)九十年代，剛問(wèn)世便受到了人們的極大關(guān)注。對(duì)于LPFG的制作方法、理論分析、應(yīng)用等的研究，產(chǎn)生了諸如紫外光刻法[1]、機(jī)械微彎法[2]、電弧放電法[3]、CO2脈沖激光直寫(xiě)法[4]等LPFG的制作方法，各法制作的LPFG性能各異、各有優(yōu)劣，其中CO2脈沖激光直寫(xiě)法以其靈活、高效、經(jīng)濟(jì)等的特點(diǎn)吸引了相關(guān)人員的注意，在這片領(lǐng)域產(chǎn)生了許多令人興奮的研究成果。通常在用高頻CO2脈沖激光刻寫(xiě)LPFG時(shí)為了提高刻寫(xiě)效率都會(huì)先剝?nèi)ネ扛矊?，然而剝?nèi)ネ扛矊拥墓鈻艡C(jī)械強(qiáng)度大大降低，在傳感應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣，要求傳感用光纖光柵具有不同于通信用光纖光柵的光學(xué)和機(jī)械特性[5]，所以傳感用光柵的刻寫(xiě)保留涂覆層是有必要的，涂覆層對(duì)光柵刻寫(xiě)的影響的研究也是有實(shí)際意義的。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探討，分析了涂覆層對(duì)高頻CO2脈沖激光刻寫(xiě)LPFG的影響。

1長(zhǎng)周期光纖光柵的刻寫(xiě)

1.1　高頻CO2激光器刻寫(xiě)LPFG的方法簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)中使用的是一臺(tái)CO2激光打標(biāo)機(jī)CT-LEG10，額定功率為10W，激光波長(zhǎng)10.64μm，標(biāo)刻最小線寬0.1～0.2mm，激光掃描速度設(shè)置為20mm/s，頻率為5KHz.所用的光纖為標(biāo)準(zhǔn)通信單模光纖，芯徑為9μm，寬帶光源譜寬為1525～1600nm，光譜儀為橫河AQ6370D，測(cè)量范圍600～1700nm，精度為0.01nm.刻寫(xiě)光柵時(shí)為了使光纖始終處于水平直線狀態(tài)，光纖一端固定在二維移動(dòng)平臺(tái)上，另一端加掛一個(gè)10g的小砝碼。LPFG刻寫(xiě)示意圖如圖1所示。

1.2　高頻CO2激光器在涂覆層沒(méi)有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫(xiě)LPFG

利用圖1所示的加工裝置，我們?cè)谕扛矊記](méi)有剝?nèi)サ膯文９饫w上刻寫(xiě)了LPFG，光柵周期為Λ=596μm，周期數(shù)為N=38.刻寫(xiě)時(shí)激光器功率取為額定功率的35%，刻寫(xiě)重復(fù)次數(shù)從1～12次。圖2是刻寫(xiě)12次以后得到的光柵的透過(guò)譜，從譜線得出，光柵的諧振波長(zhǎng) λres1=1568.7nm，峰值損耗值A(chǔ)1=-11.68dB，3dB帶寬約為17nm.

圖1　高頻CO2脈沖激光刻寫(xiě)LPFG示意圖

圖2　高頻CO2脈沖激光在帶有涂覆層的光纖上刻寫(xiě)的LPFG的透射譜

激光器功率為35%時(shí)，在涂覆層沒(méi)有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫(xiě)LPFG，表1為光柵中心諧振波長(zhǎng)、透射譜損耗峰幅值、附加損耗隨刻寫(xiě)次數(shù)變化的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，重復(fù)刻寫(xiě)第三次時(shí)，透射譜才會(huì)出現(xiàn)損耗值，損耗值隨著刻寫(xiě)次數(shù)逐漸增大，到10次以上就慢慢飽和不再變化了；中心波長(zhǎng)隨刻寫(xiě)次數(shù)變化不大；附加損耗隨著刻寫(xiě)次數(shù)也逐漸增大，達(dá)到7次以上也慢慢飽和不再變化了。

表1　激光器功率為35%時(shí)在涂覆層沒(méi)有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫(xiě)LPFG的相關(guān)數(shù)據(jù)

1.3　高頻CO2激光器在剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w上刻寫(xiě)LPFG

利用圖1所示的加工裝置，我們?cè)趧內(nèi)ネ扛矊拥膯文９饫w上刻寫(xiě)了LPFG，光柵周期為Λ=596μm，周期數(shù)為N=38.刻寫(xiě)時(shí)激光器功率取為額定功率的35%，刻寫(xiě)重復(fù)次數(shù)從1～12次。圖3是刻寫(xiě)12次以后得到的光柵的透過(guò)譜，從譜線得出，光柵的諧振波長(zhǎng)λres2=1560.8，峰值損耗值A(chǔ)2=-16.32dB,3dB帶寬約為15nm.

激光器功率為35%時(shí)，在涂覆層沒(méi)有剝?nèi)サ墓饫w上刻寫(xiě)LPFG，表2為光柵中心諧振波長(zhǎng)、透射譜損耗峰幅值、附加損耗隨刻寫(xiě)次數(shù)變化的數(shù)據(jù)。從表中可以發(fā)現(xiàn)，刻寫(xiě)一次透射譜就出現(xiàn)較大損耗值，說(shuō)明比帶涂覆層的光纖更容易刻寫(xiě)；中心波長(zhǎng)隨刻寫(xiě)次數(shù)首先變大，然后慢慢變小，最后達(dá)到飽和；損耗值隨著刻寫(xiě)次數(shù)逐漸增大，刻寫(xiě)4次就達(dá)到最大，然后就慢慢減小了；附加損耗與刻寫(xiě)次數(shù)沒(méi)有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)值與帶涂覆層時(shí)刻寫(xiě)光柵的差不多。對(duì)比表格1與2，我們發(fā)現(xiàn)在剝?nèi)ネ扛矊拥?/p>

光纖上刻寫(xiě)LPFG，刻寫(xiě)4次就能夠獲得與前面刻寫(xiě)12次一樣的光柵中心波長(zhǎng)，但附加損耗更小(1.4dB)，損耗峰值達(dá)到-20.66dB.

圖3　高頻CO2脈沖激光在剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w上刻寫(xiě)的LPFG的透射譜

刻寫(xiě)次數(shù)中心波長(zhǎng)/nm損耗峰幅值/dB附加損耗/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實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了直觀描述涂覆層對(duì)光柵刻寫(xiě)過(guò)程的影響，利用刻寫(xiě)LPFG時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究。圖4與圖5分別反映了在同一參數(shù)下兩種光柵的諧振波長(zhǎng)和損耗峰幅值隨刻寫(xiě)次數(shù)的變化情況。從圖4可以看出兩種光柵的諧振波長(zhǎng)變化趨勢(shì)是一致的，都是最初幾次紅移隨后藍(lán)移最終趨于穩(wěn)定，但是帶有涂覆層的光柵要比剝?nèi)ネ扛矊拥墓鈻诺闹C振波長(zhǎng)大。

在高頻CO2脈沖激光單側(cè)直寫(xiě)LPFG時(shí)，由于SiO2對(duì)10.64um波長(zhǎng)處的激光吸收較強(qiáng)，使得透射光的能量沿激光入射方向逐漸減小[6]，由Turan Erdogan的耦合模理論[7]：

最初幾次刻寫(xiě)時(shí)，沉積到芯部的能量所引起的纖芯導(dǎo)模有效折射率改變量要比包層吸收的能量所引起的包層模式有效折射率改變量小，此時(shí)其有效折射率差遞減，所以最初都會(huì)紅移，繼而包層被劃傷，這時(shí)有更多的能量沉積到纖芯，所引起的纖芯導(dǎo)模有效折射率改變量此時(shí)比包層模的大，這時(shí)它們的有效折射率差遞增，所以波長(zhǎng)會(huì)藍(lán)移，隨著多次刻寫(xiě)，纖芯導(dǎo)模和包層模的有效折射率改變量趨于飽和，這時(shí)波長(zhǎng)漂移很小近乎穩(wěn)定。而帶涂覆層的光柵諧振波長(zhǎng)大于剝?nèi)ネ扛矊拥?，可能是由于涂覆層的存在使得距離激光入射點(diǎn)遠(yuǎn)的纖芯吸收的能量相較于剝?nèi)ネ扛矊拥那闆r更小，所以才會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。

圖4　諧振波長(zhǎng)隨刻寫(xiě)次數(shù)的變化關(guān)系

圖5中帶涂覆層的光纖在刻寫(xiě)過(guò)程中其損耗峰幅值的變化明顯的要比剝?nèi)ネ扛矊拥那闆r緩慢許多，且在我們記錄的這12次刻寫(xiě)中還沒(méi)看到其最大峰值的出現(xiàn)，說(shuō)明涂覆層吸收了部分能量導(dǎo)致在相同情況下需要刻寫(xiě)更多次才能使之達(dá)到最佳耦合狀態(tài)。

圖5　光柵損耗峰值與刻寫(xiě)次數(shù)的變化關(guān)系

圖6　光柵刻寫(xiě)過(guò)程中的附加損耗值隨刻寫(xiě)次數(shù)的變化關(guān)系

另外我們對(duì)刻寫(xiě)過(guò)程中的附加損耗也進(jìn)行了對(duì)比，圖6表示在帶涂覆層和不帶涂覆層的光纖中刻寫(xiě)光柵產(chǎn)生的附加損耗值隨刻寫(xiě)次數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出帶涂覆層的光柵在刻寫(xiě)過(guò)程中的附加損耗變化更加平緩，而剝?nèi)ネ扛矊拥墓鈻鸥郊訐p耗變化幅度較大，這也進(jìn)一步說(shuō)明了涂覆層的存在會(huì)吸收部分入射激光能量，去掉涂覆層會(huì)使得光纖對(duì)沉積的激光能量的變化更加敏感。

3結(jié)束語(yǔ)

涂覆層作為裸光纖最外面的一個(gè)結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)光纖起著保護(hù)的作用，它的存在會(huì)影響刻寫(xiě)光柵時(shí)的脈沖能量吸收，進(jìn)而影響著光柵的光譜特性，不過(guò)涂覆層能夠加強(qiáng)光柵的機(jī)械特性，這在傳感應(yīng)用中是非常重要的。在高頻CO2脈沖激光刻寫(xiě)LPFG時(shí)，由于光纖涂覆層的存在起著緩沖激光輻照的作用，它會(huì)吸收部分激光能量。在帶涂覆層的光纖上刻寫(xiě)的光柵，光柵的諧振波長(zhǎng)、峰值損耗和附加損耗的變化更趨平緩，而且它的平均損耗更小。涂覆層的存在會(huì)增加光柵的機(jī)械強(qiáng)度，但在相同的功率下需要更多的刻寫(xiě)次數(shù)才能使之到達(dá)最佳耦合狀態(tài)。

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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