本發明涉及長周期光纖光柵領域，特別涉及一種飛秒直寫長周期光纖光柵。

背景技術：

長周期光纖光柵(long period fiber grating,LPFG)是一種只有透射光譜的光纖傳感器，具有不受電磁干擾、質量輕和精度高等優點，因此廣泛應用于溫度測試、折射率測量、應變測試、光纖激光器等領域。傳統的長周期光纖光柵制作方法有紫外曝光掩模板法、高頻CO2激光逐點寫入法和腐蝕刻槽等方法，但是在光纖載氫處理、高溫穩定性、機械強度和靈敏度等方面都具有不同程度的缺陷。飛秒激光作為一種新興的加工手段，具有超短脈沖、超強峰值功率和高聚焦能力等優點，能夠實現超精細三維微加工，其制作的光纖光柵不需要經過載氫處理，并且具有高靈敏度和耐高溫等優勢。

目前利用飛秒激光刻寫長周期光纖光柵一直是國內外研究的熱點。2011年LiB等人采用紫外飛秒激光逐點刻寫方法實現了諧振波長為1476nm，柵區長度為25mm的LPFG制備，并將LPFG用于液體折射率傳感測試，觀察到隨著折射率的增加，LPFG的透射波長發生藍移。2012年苗飛等人利用飛秒激光制作出柵區長度為40mm的LPFG并對該LPFG的高溫傳感特性進行了研究。2014年李海濤等人采用矩形掃描的方式制作了光柵長度為16.5mm的LPFG；2015年Ahmed F等人利用飛秒激光首次在無摻雜的純硅光纖中制作了光柵長度為26.97mm的LPFG，并對LPFG的高溫和折射率特性進行分析，發現隨著折射率的增加諧振波長發生藍移。2016年LiuS等人利用飛秒激光通過加工微孔的方式在光子晶體光纖中制作LPFG，并對該LPFG的應力特性進行了分析。綜上所述，利用飛秒激光刻寫LPFG的柵區較長，并且液體折射率靈敏度較低。因此，利用飛秒激光制備短柵區、高折射率靈敏度的LPFG具有重要意義。

技術實現要素：

應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

本發明提供了一種基于飛秒激光直寫法制作長周期光纖光柵的系統，其特征在于：包括鈦藍寶石飛秒激光器、半波片、偏振片、衰減片和高反鏡，所述鈦藍寶石飛秒激光器出射的紅外激光首先經過半波片、偏振片、衰減片和高反鏡，然后通過顯微物鏡將光斑聚焦在由光纖夾具固定的HI-1060的光纖上，光纖夾具固定在高精度三維運動平臺上。

優選地，所述鈦藍寶石飛秒激光器的中心波長為800nm、脈沖寬度為120fs、重復頻率為1kHz。

優選地，所述平臺的精度可達到10nm。

優選地，調節所述衰減片將光斑能量衰減到所述光纖的閾值功率附近。

優選地，所述顯微物鏡為放大倍數為100倍、數值孔徑為0.70，用于保證激光光斑能夠聚焦到纖芯中。

優選地，所述光纖夾具上方和下方分別安裝一個LED照明設備，保證可以通過聚焦物鏡上方的CCD觀測到飛秒激光光斑在光纖中的聚焦位置和光纖的加工形貌。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據本發明的光纖帶隙能與激光光子能量的關系；

圖2示出了飛秒激光制作LPFG系統結構；

圖3示出了LPFG刻寫軌跡示意圖；

圖4示出了光學顯微鏡下的LPFG柵區結構圖；

圖5示出了LPFG的透射光譜圖；

圖6示出了LPFG測量折射率實驗系統；

圖7示出了LPFG的NaCl溶液折射率特性曲線；(a)不同折射率下的LPFG的透射光譜；(b)LPFG的諧振波長與折射率的擬合曲線；

圖8示出了LPFG的蔗糖溶液折射率特性曲線；(a)不同折射率下的LPFG的透射光譜；(b)LPFG的諧振波長與折射率的擬合曲線。

圖9示出了LPFG的酒精溶液折射率特性曲線；(a)不同折射率下的LPFG的透射光譜；(b)LPFG的諧振波長與折射率的擬合曲線。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

1飛秒激光與光纖作用原理

光纖材料對飛秒激光的光子吸收機制是由激光的波長決定的，圖1是激光光子能量與鍺硅光纖帶隙能的關系。鍺硅光纖的帶隙能為7.1eV，當采用準分子激光器(193nm、248nm)刻寫光纖光柵時，光子吸收機制主要為單光子吸收，這是將高激發能傳遞到光纖中的第一種方法；采用中心波長為264nm和211nm的紫外飛秒激光制作LPFG時，光纖材料通過雙光子吸收將價帶電子激發到導帶，從而將高激發能傳遞到光纖中；第三種方法是多光子吸收過程，例如中心波長為352nm的紫外飛秒激光的單光子能量較小，雙光子激發能也不足以使纖芯的折射率改變，需要經歷三光子吸收過程。

光纖在高強度800nm的飛秒激光作用下，介質材料的電子通過五光子吸收作用從價帶躍遷到導帶，致使光纖纖芯的折射率發生改變。在高強度飛秒脈沖作用下，光纖的折射率在激光聚焦中心變小，在聚焦中心外側逐漸增加，從而實現光纖的折射率調制。

2飛秒激光加工系統及長周期光纖光柵制備

2.1飛秒激光加工系統

基于飛秒激光直寫法制作長周期光纖光柵的系統組成如圖2所示。刻寫系統使用的激光器中心波長800nm、脈沖寬度120fs、重復頻率1kHz的鈦藍寶石飛秒激光器。激光器出射的紅外激光首先經過半波片、偏振片、衰減片和高反鏡，然后通過100倍的顯微物鏡將光斑聚焦在由光纖夾具固定的HI-1060的光纖上，光纖夾具固定在高精度三維運動平臺上，平臺的精度可達到10nm。

采用JDSU公司生產的寬帶光源作為測試光源，該光源的出射波長范圍為1530nm～1600nm。光譜分析儀為日本YOKOGAWA公司的AQ6375光譜分析儀，工作波長范圍1200nm～2400nm，最小分辨精度為0.02nm。在加工過程中利用光譜分析儀實時觀測光纖光柵的透射光譜，通過軟件控制三維運動平臺的移動和Shutter的閉合從而完成長周期光纖光柵的制作。

2.2寫制過程

將未經載氫處理的HI-1060光纖的涂覆層去掉，然后通過光纖夾具固定在三維運動平臺上。由于飛秒激光出射的脈沖光斑能量高，因此需要調節衰減片將光斑能量衰減到光纖的閾值功率附近。為了保證激光光斑能夠聚焦到纖芯中，采用放大倍數為100倍、數值孔徑為0.70的顯微物鏡，并在光纖夾具上方和下方分別安裝一個LED照明設備，保證可以通過聚焦物鏡上方的CCD觀測到飛秒激光光斑在光纖中的聚焦位置和光纖的加工形貌。

飛秒激光通過逐線寫入的方式對光纖進行加工，其刻寫軌跡如圖3所示。圖中為LPFG的周期，b為每個周期內刻寫長度，a為刻線間距。實驗通過軟件控制三維運動平臺的移動軌跡和Shutter的閉合，實現對LPFG的刻寫周期、加工速度、占空比、加工功率等參數的控制。

2.3實驗結果

設置飛秒激光的加工速度為10μm/s，功率為50μw，光柵周期Λ＝400μm，逐點劃線間距a＝40μm，單周期內刻寫長度b＝200μm，占空比為0.5，圖4為LPFG的柵區結構圖。實驗中，刻寫8個周期，在1520nm～1610nm波段內LPFG的透射光譜如圖5所示，該LPFG在1548.4nm處諧振峰峰值深度為12dB，半高全寬(full width at half maximum,FWHM)為6.5mm。光纖柵區長度小于4mm，刻寫時間小于3min。LPFG透射光譜中出現諧振峰是因為光纖的纖芯模耦合到包層模所導致，LPFG的諧振波長λ_PM與前向傳輸纖芯模和包層模滿足以下關系：

其中，是纖芯的有效折射率，是m階包層模的有效折射率，Λ為LPFG的周期。光纖的包層模由于散射等因素進入到空氣中，外部折射率的變化會導致LPFG諧振波長的改變，因此LPFG可用于液體折射率傳感測試。

3液體折射率特性實驗

為了探究長周期光纖光柵的液體折射率特性，實驗分別采用NaCl、酒精和蔗糖三種溶液對LPFG的折射率特性進行測試，實驗系統如圖6所示。實驗系統由美國JDSU公司生產的寬帶光源、日本YOKOGAWA公司的光譜分析儀、NaCl溶液、酒精溶液和蔗糖溶液等裝置組成。實驗過程中為了避免溫度對LPFG的影響，整個實驗在超凈間里完成。將長周期光纖光柵的兩端分別連接寬帶光源和光譜分析儀，通過光譜分析儀實時監測不同溶液濃度下LPFG的諧振波長變化。

3.1 LPFG的NaCl溶液折射率特性

為了測量長周期光纖光柵的NaCl溶液折射率特性，實驗分別測試了蒸餾水和濃度為5％、10％、15％、20％和25％的NaCl溶液，其溶液折射率變化范圍為1.3331～1.3796。將LPFG分別放到六種液體中，用光譜分析儀觀察其透射光譜的變化。圖7(a)和(b)分別是NaCl溶液的折射率在1.3331～1.3796范圍內LPFG的透射光譜圖和LPFG諧振波長與折射率的變化關系曲線。如圖所示，隨著溶液折射率的增加，LPFG的諧振峰向長波方向移動，發生紅移，其折射率響應靈敏度為175.34nm/RIU，線性擬合度為0.9922。

3.2 LPFG的蔗糖溶液折射率特性

實驗分別準備了蒸餾水和濃度為5％、10％、15％、20％、25％和30％的蔗糖溶液，其折射率變化范圍為1.3331～1.338。用LPFG分別對配置好的液體進行測量，LPFG在不同折射率下的透射光譜如圖8(a)所示，隨著蔗糖溶液折射率的增加，LPFG的諧振波長向長波方向移動，諧振峰發生紅移。圖8(b)為LPFG的諧振波長與折射率的擬合曲線。實驗中，基于飛秒激光制作的LPFG的折射率響應靈敏度為175.31nm/RIU，線性擬合度為0.9875。

3.3 LPFG的酒精溶液折射率特性

實驗將LPFG分別放入蒸餾水和濃度為10％、20％、30％、40％、50％的酒精溶液中，其中幾種液體的折射率變化范圍為1.3331～1.3496，用光譜分析儀監測其在不同濃度酒精溶液下的透射波長。圖9(a)為不同酒精溶液折射率下LPFG的透射光譜，從圖中可以看出，隨著酒精溶液折射率的增加，LPFG的諧振波長發生紅移。圖9(b)為酒精折射率與LPFG諧振波長的擬合曲線。該LPFG的酒精溶液折射率響應靈敏度為331.89nm/RIU，線性擬合度可達0.9985。

本發明的有益效果為：

利用中心波長為800nm的紅外飛秒激光器和三維運動平臺等器件搭建了長周期光纖光柵刻寫系統，通過逐點劃線的方法在去涂敷層、未經載氫處理的HI1060光纖中制作了諧振波長為1548.4nm、諧振強度為12dB的LPFG，該LPFG的柵區長度小于4mm，整個加工過程不足3min。實驗中，基于飛秒激光制作的LPFG在NaCl溶液、蔗糖溶液和酒精溶液的折射率靈敏度分別為175.34nm/RIU、175.31nm/RIU和331.89nm/RIU，其線性擬合度分別為0.9922、0.9875和0.9985。因此基于飛秒激光制作的LPFG具有加工速度快、折射率靈敏度高等特點，在液體折射率傳感領域具有巨大的應用意義。

結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。