丁寶艷，趙 強(qiáng),，王相飛，司鵬舉，付小涵，趙金磊,于 雨,

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) a. 海洋儀器儀表研究所； b. 海洋技術(shù)科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266061)

0 引 言

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是現(xiàn)在光通信網(wǎng)絡(luò)、光纖激光器和光纖傳感等多個(gè)領(lǐng)域的核心器件，自1978年 Hill等人[1]在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性，并通過(guò)駐波法在光纖中寫入FBG以來(lái)已有40多年歷史。利用紫外光誘導(dǎo)FBG的方法經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在橫向全息寫入技術(shù)[2]、逐點(diǎn)刻寫技術(shù)[3]和相位掩模板技術(shù)[4]等寫制技術(shù)方面的研究逐漸成熟，F(xiàn)BG的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，但利用這種方法制備FBG時(shí)，須對(duì)光纖進(jìn)行載氫增敏處理[5]，導(dǎo)致制備的光柵不能在高溫環(huán)境下使用。

針對(duì)傳統(tǒng)紫外光誘導(dǎo)FBG存在的上述問(wèn)題， Mihailov等人[6]首次使用飛秒激光結(jié)合相位掩模板技術(shù)，將FBG刻寫在標(biāo)準(zhǔn)的摻Ge電信光纖(康寧SMF-28)上，所刻光柵在溫度為300 ℃的情況下，兩周后依然沒(méi)有被擦除，表明其具有高溫穩(wěn)定性；2004年，英國(guó)Aston大學(xué)的Martinez等人[7]在沒(méi)有經(jīng)過(guò)光敏化的單模光纖中實(shí)現(xiàn)了飛秒激光逐點(diǎn)刻寫FBG，這種刻寫方法具有刻寫速度快的優(yōu)點(diǎn)；2005年，加拿大通訊研究中心的Smelser等人[8]利用飛秒激光結(jié)合相位掩模板技術(shù)在光纖(SMF-28)上刻寫了Ⅰ型(激光能量低于材料損傷閾值)和Ⅱ型(激光能量等于或高于材料損傷閾值)FBG，并對(duì)其形成原理進(jìn)行了對(duì)比研究，為兩種類型FBG的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；2009年，英國(guó)Aston大學(xué)的Suo等人[9]利用飛秒激光結(jié)合相位掩模板技術(shù)在鍺酸鹽和碲酸鹽單芯和多芯光纖中寫入二階和三階FBG，其中二階FBG具有較高的溫度靈敏度(24.7 pm/℃，10～70 ℃)和應(yīng)變靈敏度(1.219 pm/με)，為其應(yīng)用于溫度以及應(yīng)變傳感提供了可能；2012年，加拿大拉瓦爾大學(xué)的Bernier M等人[10]在未剝除光纖涂覆層條件下，利用飛秒激光結(jié)合相位掩模板技術(shù)在光纖上成功寫制高反射率(90%，100 ℃退火64 min后)的FBG，為全光纖中紅外激光光源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；2019年，Guo等人[11]利用飛秒激光逐線掃描法在單晶藍(lán)寶石光纖中制備了三階藍(lán)寶石FBG，溫度靈敏度(34.96 pm/℃，1 000～1 600 ℃)和應(yīng)變靈敏度(1.45 pm/με，1 600 ℃)穩(wěn)定，在惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；2020年，Liu等人[12]通過(guò)飛秒激光逐點(diǎn)刻寫技術(shù)在保偏光纖上刻寫FBG，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其溫度靈敏度超過(guò)14 pm/℃(30～90 ℃)，表明其可用于光纖傳感及光纖激光器領(lǐng)域。

相比于紫外激光刻寫技術(shù)，飛秒激光在刻寫FBG時(shí)不需對(duì)光纖進(jìn)行增敏處理，可直接對(duì)纖芯折射率進(jìn)行局域化調(diào)制，從而獲得光柵結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方法制備的光纖光柵溫度穩(wěn)定性極好，可在高溫下使用。鑒于飛秒激光制備的FBG的突出優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外飛秒激光制備FBG技術(shù)及其傳感應(yīng)用進(jìn)行了全面綜述，首先對(duì)各種利用飛秒激光制備FBG的方法進(jìn)行了介紹，其次總結(jié)分析了飛秒激光制備FBG在溫度、壓力(應(yīng)變)和折射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)及展望。

1 飛秒激光制備FBG的方法

飛秒激光有著極窄的脈沖寬度和極高的峰值功率，可以作用在石英和藍(lán)寶石等光纖上實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)的熱量累積加工，從而獲得較大的折射率調(diào)制，形成光纖光柵。目前運(yùn)用飛秒激光制備FBG的方法主要有3種：相位掩模板法[4]、飛秒激光直寫法[11,13]和全息干涉法[13]。

1.1 飛秒激光相位掩模板法

飛秒激光相位掩模板法是將飛秒激光光束經(jīng)過(guò)具有特定周期的相位掩模板后發(fā)生衍射，將入射的飛秒激光分成兩束光，在兩束光的重疊區(qū)域形成干涉條紋，從而在光纖中刻寫光柵。圖1所示為飛秒激光相位掩模板法制備FBG示意圖，在實(shí)際使用時(shí)，需對(duì)其零級(jí)衍射光進(jìn)行抑制，通常控制在5%以下[14]，由±1級(jí)衍射光參與干涉。最初的裝置中相位掩模板的位置是固定的，稱之為靜態(tài)相位掩模板法，但采用這種方法產(chǎn)生的干涉圖案長(zhǎng)度受到光束直徑的限制，且制成的FBG無(wú)法全部覆蓋纖芯，由此，研究人員提出了一種動(dòng)態(tài)相位掩模板法，又被稱為掃描相位掩模板法，Thomas等人[15]采用光纖與掩模板之間位置保持不變，而相對(duì)于激光光束一起平移的掃描方法制作了較長(zhǎng)的光柵，在刻寫FBG時(shí)，當(dāng)光柵長(zhǎng)度大于20 mm時(shí)，光柵效率將不再變化，這意味著能夠延伸光柵長(zhǎng)度到帶寬極限，因此利用這種方法可以刻寫任意長(zhǎng)度的FBG。

圖1 飛秒激光相位掩模板法制備FBG示意圖

相位掩模板法[4]為目前研究和應(yīng)用最為廣泛的一種飛秒激光制備FBG的方法，其具有制備工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好和成品率高等優(yōu)點(diǎn)。然而利用該方法刻寫FBG時(shí)，折射率調(diào)制的周期依賴于相位掩模板周期，需要根據(jù)光纖的折射率和FBG波長(zhǎng)來(lái)選擇特定周期的相位掩模板，同時(shí)由于掩模板的限制，光柵在光纖中生成的位置是不可靈活控制的，并且掩模板的價(jià)格也非常昂貴[16]，盡管如此，基于相位掩模板的FBG刻寫技術(shù)依然在FBG批量生產(chǎn)中有著重要地位。

1.2 飛秒激光直寫法

飛秒激光直寫法通常分為逐點(diǎn)刻寫法[17]、逐線刻寫法[18]和逐面刻寫法[19]。其中，飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法刻寫FBG是采用數(shù)值孔徑較高的顯微鏡聚焦，利用飛秒激光沿著光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描，從而在纖芯中形成光柵的方法，圖2所示為采用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法制備FBG的加工系統(tǒng)。由于這種方法可以通過(guò)控制光纖移動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)FBG的周期大小，因此其在新型FBG刻寫和研究領(lǐng)域具有重要的地位[20]。1999年，Kondo等人[17]首次提出了飛秒激光逐點(diǎn)刻寫技術(shù)，為后續(xù)將其應(yīng)用于FBG刻寫領(lǐng)域做了重要的鋪墊；2019年，Wang教授課題組[21]創(chuàng)新性地在同一根光纖的纖芯內(nèi)，采用逐點(diǎn)刻寫法平行地寫制了多個(gè)FBG，飛秒激光逐點(diǎn)法刻寫FBG在此得到了充分的發(fā)展。

圖2 飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法制備FBG的加工系統(tǒng)

飛秒激光逐線刻寫法刻寫FBG是將飛秒激光沿光纖軸向的垂直方向掃描形成的，這樣可以刻寫出貫穿纖芯的結(jié)構(gòu)，制備出的FBG偏振響應(yīng)特性大幅減弱[18]，具有和掩模板法制備的FBG相近的散射損耗，與逐點(diǎn)刻寫法相比降低了一個(gè)量級(jí)[20]，圖3所示為逐線刻寫法刻寫光纖光柵的示意圖。2010年，英國(guó)Aston大學(xué)的Zhou等人[18]首次采用飛秒激光逐線刻寫法制備了FBG；之后，華中科技大學(xué)的Huang等人[22]以及深圳大學(xué)Wang Y P課題組[23]均采用逐線刻寫法在光纖中成功寫制了具有溫度和應(yīng)變敏感性的相移FBG。

圖3 逐線刻寫法示意圖

飛秒激光逐面刻寫法刻寫FBG是在光纖截面上通過(guò)二維掃描形成的，這種方法避免了采用逐點(diǎn)和逐線刻寫法制備FBG過(guò)程中光纖纖芯很難對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，且使用逐面刻寫法可以控制纖芯和包層的覆蓋面積，從而減少FBG的偏振損耗[24]，圖4所示為飛秒激光逐面刻寫FBG裝置圖。塞浦路斯科技大學(xué)的Kalli課題組對(duì)飛秒激光直寫技術(shù)有很深入的研究，2016年，該課題組[25]在未去涂覆層單模光纖上利用飛秒激光逐面刻寫的方式刻寫了8個(gè)不同諧振波長(zhǎng)的光纖光柵陣列；2017年，該課題組[26]利用飛秒激光逐面刻寫的方法在一光纖上刻寫了只有一個(gè)諧振峰的FBG。

圖4 飛秒激光逐面刻寫FBG裝置圖

采用飛秒激光直寫法制備FBG時(shí)，可以靈活調(diào)控刻寫光柵的周期、長(zhǎng)度和折射率調(diào)制度分布等[27]，制備出具有折射率調(diào)制以及長(zhǎng)度和色散可控的光纖光柵，制備過(guò)程中不需要模板支持，設(shè)計(jì)比較自由，加工精度也非常高。直寫法與相位掩模板法相比，飛秒激光直寫法更容易實(shí)現(xiàn)隔涂覆層加工，可有效保持光纖的強(qiáng)度和物理完整性，但是對(duì)于設(shè)備的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度要求較高，同時(shí)還會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的損耗。

1.3 飛秒激光全息干涉法

全息干涉法是利用激光的干涉特性制備FBG，用兩束相干光相互疊加聚焦在材料上，材料內(nèi)部會(huì)形成明暗相間的干涉條紋，利用光纖材料的光敏性來(lái)獲得周期性的光柵結(jié)構(gòu)，圖5所示為飛秒激光全息干涉法制備FBG示意圖。2001年，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的Ken等人[13]首次利用飛秒激光全息干涉技術(shù)制備出了FBG；2008年，德國(guó)耶拿光子技術(shù)研究所Becker等人[28]利用深紫外飛秒激光(波長(zhǎng)262 nm)和塔爾博特干涉儀實(shí)現(xiàn)了FBG的全息干涉寫制。

圖5 飛秒激光全息干涉法制備FBG示意圖

利用全息干涉法制備FBG時(shí)不需要?jiǎng)內(nèi)ス饫w的涂覆層[29]，光柵的機(jī)械強(qiáng)度較好，且制備過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整兩束激光的角度，靈活地改變干涉條紋的折射率周期性調(diào)制的間距[30]，即可以改變FBG的周期，但是FBG制備過(guò)程中兩束相干光需要在飛秒激光空間寬度內(nèi)相互匹配，由于飛秒激光脈寬極窄，匹配的難度非常大，因此對(duì)于設(shè)備的重復(fù)性和準(zhǔn)確性要求極高，并且采用此法制備光柵所需的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不適用于大批量生產(chǎn)應(yīng)用[31]。

2 飛秒激光刻寫FBG的傳感應(yīng)用

當(dāng)FBG 區(qū)域的外界環(huán)境改變時(shí)，F(xiàn)BG的周期或折射率會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，從而改變其波長(zhǎng)或能量，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)或能量的分析，即可得到外界環(huán)境的變化信息，達(dá)到傳感的目的。圖6所示為FBG傳感原理圖。

圖6 FBG傳感原理圖

2.1 飛秒激光制備FBG應(yīng)用于溫度傳感

當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，熱脹冷縮會(huì)引起FBG周期和有效折射率發(fā)生變化，最終導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，溫度傳感原理主要是通過(guò)檢測(cè)中心波長(zhǎng)的變化來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。

2019年，Zhang等人[32]用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫技術(shù)在單模光纖(康寧SMF-28)中制備FBG并將其與光子晶體光纖和多模光纖依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成干涉結(jié)構(gòu)用于折射率和溫度的測(cè)量，在30～120 ℃范圍內(nèi)，F(xiàn)BG的溫度靈敏度為11.46 pm/℃，光子晶體光纖法布里-珀羅(Photonic Crystal Fiber Fabry-Perot，PCF-FP)溫度靈敏度為8.62 pm/℃；2020年，Viveiros D等人[33]通過(guò)飛秒激光直寫法在單模光纖(SMF-28e)中寫入離軸FBG，圖7(a)所示為離軸3.0 μm FBG在不同溫度下的反射譜，圖7(b)所示為非線性波長(zhǎng)漂移隨溫度的變化，結(jié)果表明離軸3.0 μm的FBG，在23～300 ℃范圍內(nèi)，其溫度靈敏度為12 pm/℃；2021年，Chen等人[34]利用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法在單模光纖中刻寫FBG，光纖纖芯中的FBG用于溫度傳感，20～80 ℃溫度范圍內(nèi)其溫度敏感度為9.94 pm/℃；2021年，Zhu等人[35]提出了一種利用飛秒激光逐點(diǎn)法在單模光纖中刻寫具有包層模式耐高溫達(dá)1 000 ℃的高溫穩(wěn)定FBG，實(shí)驗(yàn)測(cè)試25～65 ℃溫度范圍內(nèi)其溫度靈敏度大致為10 pm/℃。由以上進(jìn)展可知， FBG的溫度靈敏度大約為10 pm/℃。

圖7 溫度傳感器進(jìn)展圖

通信單模光纖的最高溫度限制在石英光纖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度1 050 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)這一溫度時(shí)，光纖內(nèi)的折射率調(diào)制將完全消失，而藍(lán)寶石光纖的熔化溫度可達(dá)2 050 ℃，耐高溫性明顯優(yōu)于石英光纖。 Grobnic 等人[36]首次利用飛秒激光相位掩模板法制備出耐高溫的藍(lán)寶石FBG，圖7(c)所示為藍(lán)寶石FBG在室溫下的反射譜，由圖7(d)可知，在0～1 500 ℃的溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)BG共振波長(zhǎng)隨溫度穩(wěn)定變化，適用于2 000 ℃以下的分布式光學(xué)傳感器陣列。Busch等人[37]用飛秒激光相位掩模板法在單晶藍(lán)寶石光纖中刻寫FBG，在測(cè)試系統(tǒng)中加入多模激勵(lì)使所產(chǎn)生的藍(lán)寶石FBG的反射強(qiáng)度在高達(dá)1 745 ℃的高溫下也保持穩(wěn)定。雖然藍(lán)寶石FBG具有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，但其損耗較大，不適用于長(zhǎng)距離傳輸。

熱再生光柵也可提高FBG的高溫穩(wěn)定性。2012年，Cook等人[38]提出了一種經(jīng)過(guò)熱再生處理的再生FBG，這種光柵可在900 ℃高溫下存活4 h以上，但其再生效率較低；2016年，He等人[39]提出了一種熱再生的負(fù)折射率光纖光柵，獲得了較高的再生效率，可在1 000 ℃的環(huán)境中穩(wěn)定工作超過(guò)10 h，實(shí)驗(yàn)表明，這種負(fù)折射率光柵熱穩(wěn)定性高于I型折射率調(diào)制，低于II型折射率調(diào)制。

2.2 飛秒激光制備FBG應(yīng)用于壓力(應(yīng)變)傳感

外界環(huán)境壓力或應(yīng)變作用到光纖上時(shí)，會(huì)使 FBG的有效折射率和光柵周期改變，表現(xiàn)為FBG波長(zhǎng)漂移，從而反映出壓力或應(yīng)力的變化。

2019年，Laarossi等人[40]利用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法在覆金光纖上刻寫FBG，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其最大應(yīng)變測(cè)量可達(dá)到4 144 με，應(yīng)變靈敏度為1.06 pm/με；2019年，Sun等人[41]利用飛秒激光相位掩模板法制備了FBG，并將其與傾斜FBG組合在一起形成相移FBG，測(cè)量范圍0 ～3 500 με內(nèi)其應(yīng)變靈敏度為0.867 pm/με，可應(yīng)用于應(yīng)變檢測(cè)。

飛秒激光制備FBG的應(yīng)變傳感在大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著極其重要的作用。Ecke等人[42]研制了基于多路FBG技術(shù)的光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)，在-1 000 ～+3 000 με的應(yīng)變范圍內(nèi)，F(xiàn)BG波長(zhǎng)偏移超過(guò)2.6 nm，將其用于確定X-38飛船框架組件的機(jī)械載荷分布。J?rg等人[43]用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫FBG并用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電力電纜應(yīng)變監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)艙(含發(fā)電機(jī))旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致電纜內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)確定電纜的壽命。

飛秒激光制備的FBG具有較高耐熱性，在高溫等惡劣環(huán)境下的傳感也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Liu等人[44]利用飛秒激光相位掩模板法制備出多模FBG，如圖8(a)所示，由隨應(yīng)變變化的6個(gè)共振波長(zhǎng)位移圖可知，其應(yīng)變靈敏度大約為0.98 pm/με，該FBG能承受1 100 ℃以上的高溫；2018年，Chen等人[45]利用飛秒激光相位掩模板法刻寫了高階藍(lán)寶石FBG，如圖8(b)所示，其四階和五階共振的應(yīng)變靈敏度分別為1.39和1.00 pm/με，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試溫度最高達(dá)1 690 ℃； 2018年，Xiang等人[46]利用飛秒激光相位掩模板法在多芯光子晶體光纖中刻寫耐高溫FBG，傳輸損耗降低到50%所對(duì)應(yīng)的溫度約為970 ℃，如圖8(c)所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，其應(yīng)變靈敏度為1.2 pm/με。飛秒激光制備的FBG也可在高溫環(huán)境下進(jìn)行壓力傳感；2010年，Jewart等人[47]利用飛秒激光相位掩模板法在帶氣孔的微結(jié)構(gòu)光纖中誘導(dǎo)出FBG用于800 ℃高溫下的壓力傳感。

圖8 壓力(應(yīng)變)傳感進(jìn)展圖

FBG也多用于水壓氣壓的監(jiān)測(cè)。2017年，Huang等人[48]利用飛秒激光相位掩模板法在微結(jié)構(gòu)光纖中刻寫FBG用于井下壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(d)所示，對(duì)于不同的溫度，其壓力靈敏度幾乎保持不變，從40 ℃的3.30 pm/bar升到290 ℃的3.35 pm/bar；2018年，Ko等人[49]提出了一種基于FBG用于動(dòng)態(tài)水壓測(cè)量的傳感器，該傳感器的測(cè)量范圍為0～10 000 Pa，分辨率為2 Pa；2020年，Luo等人[50]設(shè)計(jì)了一種由空腔調(diào)制的相移FBG來(lái)測(cè)量氣體壓力的裝置，F(xiàn)BG由飛秒激光逐線刻寫法制備，其壓力靈敏度為1.22 nm/MPa。

2.3 飛秒激光制備FBG應(yīng)用于折射率傳感

光纖光柵的纖芯或包層的模式有效折射率會(huì)隨著外界環(huán)境折射率變化而變化，并引起耦合模相位匹配條件的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光柵諧振峰波長(zhǎng)漂移和損耗峰幅值變化，這一特性使得光纖光柵可應(yīng)用到折射率傳感領(lǐng)域[51]。

光纖光柵本身對(duì)周圍環(huán)境折射率變化不敏感，通常利用特殊的光柵或者對(duì)光柵進(jìn)行特殊處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率傳感。華中科技大學(xué)的Zhang等人[52]從理論上推導(dǎo)出微納FBG的傳輸模型，得出微納FBG的靈敏度是隨著光纖光柵直徑的減小而增大的結(jié)論，該研究為微納FBG折射率傳感的應(yīng)用做了理論鋪墊；2010年，香港理工大學(xué)的Fang等人[53]通過(guò)飛秒激光相位掩模板法在微納光纖上成功刻寫FBG，制成了微納FBG折射率傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(a)所示，當(dāng)光纖直徑為2 μm、折射率為1.44時(shí)，其最大靈敏度為231.4 nm/RIU；2014年，Warren-smith等人[54]利用飛秒激光直寫法將FBG寫入露芯微結(jié)構(gòu)光纖中，折射率靈敏度為1.1 nm/RIU，雖然其靈敏度不高，但在一定條件下其最小折射率差為5.5×10-3RIU，且可以通過(guò)減小纖芯直徑的方法提高靈敏度；2016年，Liao等人[55]利用飛秒激光逐點(diǎn)法刻寫了D形FBG且成功用于液體折射率傳感，在折射率為1.45處?kù)`敏度為30 nm/RIU;2018年，Zhang等人[56]利用飛秒激光相位掩模板法刻寫了帶超折射率調(diào)制的高階傾斜FBG，折射率靈敏度最大值為33.71 nm/RIU；2020年，He等人[57]利用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法刻寫FBG并結(jié)合光纖包層拋光，改變光柵區(qū)域周圍的倏逝場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率傳感，測(cè)氯化鈉溶液折射率時(shí)其折射率靈敏度和線性度分別為854.2 nm/RIU和0.998 9；2021年，Zhao等人[58]設(shè)計(jì)了一種基于飛秒激光刻寫FBG用于溫度傳感，對(duì)光纖光柵進(jìn)行氫氟酸腐蝕實(shí)現(xiàn)高靈敏度折射率傳感，折射率在1.333 0～1.402 7范圍內(nèi)，靈敏度為-49.044 dBm/RIU；同年， Zhu等人[35]利用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法制備了具有包層模式的高溫穩(wěn)定FBG，可用于1 000 ℃高溫下的折射率傳感，如圖9(b)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其共振波長(zhǎng)越小，折射率靈敏度越高。由以上進(jìn)展可知，飛秒激光制備的FBG折射率傳感器具有折射率靈敏度高和耐熱性良好等優(yōu)點(diǎn)，在生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用前景。

圖9 折射率傳感進(jìn)展圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)飛秒激光制備FBG的3種主流方法包括飛秒激光相位掩模板法、飛秒激光直寫法和飛秒激光全息干涉法進(jìn)行了介紹，之后對(duì)飛秒激光制備FBG在溫度、壓力(應(yīng)變)和折射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。飛秒激光制備FBG在溫度傳感領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，通常石英光纖中刻寫的FBG溫度靈敏度在10 pm/℃左右，但其測(cè)量最高溫度受制于石英玻璃轉(zhuǎn)化溫度1 050 ℃；藍(lán)寶石FBG的測(cè)溫最高能達(dá)到1 700 ℃以上，在高溫傳感領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但其損耗問(wèn)題嚴(yán)重，成本昂貴，影響了其實(shí)用化進(jìn)度；熱再生光柵是一種特殊的具有高溫穩(wěn)定性的光柵，可在1 000 ℃左右穩(wěn)定超過(guò)10 h，提高其再生效率是熱再生處理的關(guān)鍵；飛秒激光制備FBG的壓力(應(yīng)變)傳感在大型結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、高溫下的壓力(應(yīng)變)傳感和水壓氣壓檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也非常多；FBG本身對(duì)折射率變化不敏感，選用微納光纖或?qū)饫w進(jìn)行特殊的處理，可以實(shí)現(xiàn)折射率傳感，其在生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

利用飛秒激光制備的FBG傳感器件非常豐富，如河水和湖泊領(lǐng)域用于測(cè)量溫度和深度的溫深儀，海洋領(lǐng)域的溫鹽深探測(cè)器件，海底熱液和冷泉等特殊環(huán)境監(jiān)測(cè)器件，應(yīng)用于管道及井下的壓力計(jì)等，隨著各領(lǐng)域應(yīng)用需求的增加以及科研工作的進(jìn)行，飛秒激光制備的FBG將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為國(guó)防、工業(yè)以及人們的生活增添新的活力。