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飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅

明昕宇 国旗 薛兆康 潘学鹏 陈超 于永森

明昕宇, 国旗, 薛兆康, 潘学鹏, 陈超, 于永森. 飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0015
引用本文: 明昕宇, 国旗, 薛兆康, 潘学鹏, 陈超, 于永森. 飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0015
MING Xin-yu, GUO Qi, XUE Zhao-kang, PAN Xue-peng, CHEN Chao, YU Yong-sen. A Femtosecond Laser-inscribed Fine-core Long-period Grating with Low Temperature Sensitivity[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0015
Citation: MING Xin-yu, GUO Qi, XUE Zhao-kang, PAN Xue-peng, CHEN Chao, YU Yong-sen. A Femtosecond Laser-inscribed Fine-core Long-period Grating with Low Temperature Sensitivity[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0015

飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅

doi: 10.37188/CO.2020-0015
基金项目: 国家自然科学基金项目(No.91860140,618741119);吉林省科技发展规划项目(No.20180201014GX)
详细信息
    作者简介:

    明昕宇(1994—),男,黑龙江佳木斯人,硕士,2013年于吉林大学获得学士学位,现为吉林大学电子科学与工程学院硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究。E-mail:519113175@qq.com

    于永森(1974—),男,吉林长春人,博士生导师,2005年于吉林大学获得博士学位,现为吉林大学电子科学与工程学院教授,主要从事光纤传感,激光微纳加工研究。E-mail:yuys@jlu.edu.cn

  • 中图分类号: TN253

A Femtosecond Laser-inscribed Fine-core Long-period Grating with Low Temperature Sensitivity

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No.91860140,618741119) ,Technology Development Project of Jilin Province (No.20180201014GX)
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    Corresponding author: yuys@jlu.edu.cn
  • 摘要: 为了降低折射率与应变测试时,由于温度影响所带来的串扰,对细芯长周期光纤光栅的温度、折射率和应变响应特性进行了研究。通过飞秒激光直写方法在纤芯直径为6 μm的单模光纤上成功制备了周期为50 μm的长周期光纤光栅。结果表明:在细芯光纤中以低激光能量加工的长周期光纤光栅,具有较低的温度灵敏度,同时保持较大的消光比和较好的光谱质量。这种细芯长周期光纤光栅损耗峰在20~700 °C温度范围仅漂移1.7 nm。该光栅对折射率变化也同时具有较好的响应,环境折射率在1.4065~1.4265范围内,灵敏度最高可达882.51 nm/RIU,应变灵敏度为−2.2 pm/με。这种细芯长周期光纤光栅可以较好地降低折射率与应变测试中由于温度影响带来的串扰。
  • 图  1  飞秒激光直写LPG的实验装置示意图

    Figure  1.  Schematic of experimental device for femtosecond laser direct writing LPG

    图  2  LPG的CCD照片与光纤横截面显微镜照片

    Figure  2.  CCD photo and fiber cross section microscope photo

    图  3  FC-LPG透射光谱

    Figure  3.  FC-LPG transmission spectrum

    图  4  退火过程谐振波长随温度变化曲线

    Figure  4.  Relationship between resonance wavelength and temperature

    图  5  退火前后透射峰对比图

    Figure  5.  Comparison of transmission peaks before and after annealing

    图  6  退火后谐振波长随温度变化曲线

    Figure  6.  Change curve of resonance wavelength with temperature after annealing

    图  7  不同纤芯直径的单模光纤光栅透射谱对比

    Figure  7.  Comparison of transmission spectra of single-mode fiber gratings with different core diameters

    图  8  纤芯直径为9 μm的光纤中刻写的LPG的温度响应测试

    Figure  8.  Temperature response test of coarse-core fiber grating

    图  9  透射峰随折射率变化灵敏度曲线以及波长漂移曲线

    Figure  9.  Refractive index response curve and sensitivity curve

    图  10  谐振波长与应变拟合曲线以及光谱漂移曲线

    Figure  10.  Resonant wavelength strain response curve

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  • 网络出版日期:  2020-06-29

飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅

doi: 10.37188/CO.2020-0015
    基金项目:  国家自然科学基金项目(No.91860140,618741119);吉林省科技发展规划项目(No.20180201014GX)
    作者简介:

    明昕宇(1994—),男,黑龙江佳木斯人,硕士,2013年于吉林大学获得学士学位,现为吉林大学电子科学与工程学院硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究。E-mail:519113175@qq.com

    于永森(1974—),男,吉林长春人,博士生导师,2005年于吉林大学获得博士学位,现为吉林大学电子科学与工程学院教授,主要从事光纤传感,激光微纳加工研究。E-mail:yuys@jlu.edu.cn

  • 中图分类号: TN253

摘要: 为了降低折射率与应变测试时,由于温度影响所带来的串扰,对细芯长周期光纤光栅的温度、折射率和应变响应特性进行了研究。通过飞秒激光直写方法在纤芯直径为6 μm的单模光纤上成功制备了周期为50 μm的长周期光纤光栅。结果表明:在细芯光纤中以低激光能量加工的长周期光纤光栅,具有较低的温度灵敏度,同时保持较大的消光比和较好的光谱质量。这种细芯长周期光纤光栅损耗峰在20~700 °C温度范围仅漂移1.7 nm。该光栅对折射率变化也同时具有较好的响应,环境折射率在1.4065~1.4265范围内,灵敏度最高可达882.51 nm/RIU,应变灵敏度为−2.2 pm/με。这种细芯长周期光纤光栅可以较好地降低折射率与应变测试中由于温度影响带来的串扰。

English Abstract

明昕宇, 国旗, 薛兆康, 潘学鹏, 陈超, 于永森. 飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0015
引用本文: 明昕宇, 国旗, 薛兆康, 潘学鹏, 陈超, 于永森. 飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0015
MING Xin-yu, GUO Qi, XUE Zhao-kang, PAN Xue-peng, CHEN Chao, YU Yong-sen. A Femtosecond Laser-inscribed Fine-core Long-period Grating with Low Temperature Sensitivity[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0015
Citation: MING Xin-yu, GUO Qi, XUE Zhao-kang, PAN Xue-peng, CHEN Chao, YU Yong-sen. A Femtosecond Laser-inscribed Fine-core Long-period Grating with Low Temperature Sensitivity[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0015
    • 光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)由于其具有体积小,抗干扰,抗腐蚀等优良特性,广泛应用于航天航空、船舶、桥梁以及铁路等苛刻环境中[1-8]。在过去数十年里,光纤光栅在传感领域取得了非常大的进步[9-13],而长周期光栅(long-period gratings,LPG)的出现也使得光纤传感在传感领域能够发挥更大的作用[14-19]。虽然LPG能够测量很多环境参量,但是由于LPG对很多物理量敏感[20],例如温度,应变,折射率等,导致其在测试过程中由于存在交叉敏感问题使得测量结果不精确。已经有很多文献提出了解决交叉敏感问题的方法[21-25],例如将LPG与FBG级联[26],以及通过在光栅上涂覆材料[27-29]来解决测试时出现的交叉敏感问题。2013年吉林大学Jing-Chun Guo等人使用4%的氢氟酸溶液腐蚀光纤,制作了一种能够测试折射率与应变的紧凑型微孔光纤光栅[30],其温度灵敏度仅为9.95 pm/°C,虽然这些方法都能够有效的降低温度所带来的串扰影响,但是通过级联、涂覆材料以及氢氟酸溶液腐蚀的方法会增加器件制作的复杂程度,也会导致器件的机械强度降低。在以往的报道中,以电弧放电[31]和二氧化碳激光器烧蚀制备的长周期光纤光栅[32],光栅折射率调制区较大,温度灵敏度较高传统紫外光刻写光纤光栅的方法所得到的Ⅰ型光栅不能承受较高的温度,在高温情况下易被擦除[33]。而相位掩模法刻写光栅的方法并不灵活且成本较高[34]。在本文中,我们使用飞秒激光[35-37]直写的方法在纤芯直径为6 μm的单模光纤中刻写了周期为50 μm的LPG,得到了细芯长周期光纤光栅(fine-core long-period gratings,FC-LPG)。经过700 °C高温退火3小时后,测试发现,其温度灵敏度较低,并对应变和折射率的变化有较好的光谱响应。

    • 在光栅加热的过程中,由于热光效应和热膨胀效应,光纤纤芯和包层材料的有效折射率及光栅周期都会发生改变,使得透射峰能够随着温度的变化而发生漂移。

      长周期光栅中纤芯模与同向传输的包层模发生耦合,继续传输一段距离后辐射到外界,在透射谱上形成损耗峰,其满足的相位匹配条件为:

      $${\lambda _{res}} = (n_{eff}^{co}{\rm{ - }}n_{eff}^{cl,m})\Lambda ,$$ (1)

      式中$ {\lambda }_{\rm{res}} $为谐振波长,$n_{eff}^{co}$$n_{eff}^{cl,m}$分别为纤芯和m阶包层模的有效折射率,若此时光栅只受到温度影响,将(1)式中的$ {\lambda }_{\text{res}} $对T求导可以得到LPG谐振波长的温度灵敏度为

      $${K_T} = \dfrac{{d{\lambda _{res}}}}{{dT}} = \lambda _{res}^m \cdot {\gamma ^m} \cdot [\alpha + \Gamma _{temp}^m],$$ (2)

      式中λresm阶次谐振峰的波长,α为光纤的有效热膨胀系数,${\gamma ^{\rm{m}}}$$\Gamma _{temp}^m$分别表示光纤波导色散因子和温度灵敏度因子,表达式如下:

      $${\gamma ^m} = \dfrac{{\rm{1}}}{{{\rm{1 - }}\dfrac{{{\lambda _{res}}}}{{n_{eff}^{co}{\rm{ - }}n_{eff}^{cl,m}}}\dfrac{{d(n_{eff}^{co}{\rm{ - }}n_{eff}^{cl,m})}}{{d\lambda }}}},$$ (3)
      $$\Gamma _{temp}^m = \dfrac{{\xi _{eff}^{co}n_{eff}^{co} - \xi _{eff}^{cl}n_{eff}^{cl,m}}}{{n_{eff}^{co} - n_{eff}^{cl,m}}},$$ (4)

      其中$\xi _{eff}^{co}$$\xi _{eff}^{cl}$分别为纤芯和包层的有效热光系数[38]

      从(4)式可以看出影响KT的主要因素是有效热光系数、纤芯和包层有效折射率差。加工分辨率可以用激光聚焦光斑直径D来衡量:

      $$ {\rm{D}} = 1.22\lambda /{\rm{NA}}, $$ (5)

      式(5)中λ为激光波长,NA为聚焦物镜数值孔径。当使用短波长激光(515 nm)和较大的数值孔径物镜(Olympus油浸物镜,NA=1.42)加工时,可以在光纤纤芯内获得较小的聚焦光斑。以低激光能量加工,折射率调制区会更小,纤芯和包层折射率差越小,温度灵敏度因子越小,从而温度灵敏度越低。

    • 光纤光栅飞秒激光直写系统如图1所示,我们使用的飞秒激光(Light-Conversion Pharos)波长为1030 nm,脉宽为290 fs,重复频率和单脉冲能量分别为10 kHz和56 nJ。1030 nm飞秒激光经过倍频晶体($\beta {\rm{ - Ba}}{{\rm{B}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}$)倍频后获得了波长为515 nm的飞秒激光。通过60倍高数值孔径油浸物镜将激光聚焦在细芯单模光纤(Nufern 1060-XP)中,并通过CCD实时观察光纤制备过程。

      图  1  飞秒激光直写LPG的实验装置示意图

      Figure 1.  Schematic of experimental device for femtosecond laser direct writing LPG

      光纤浸在折射率匹配液中,使用光纤夹具将光纤固定在精度为20 nm的三维气浮平台(Aerotech)上,通过计算机来控制三维位移平台的移动,光纤的移动速度为0.1 mm/s,通过控制激光器光闸开关来控制LPG的占空比,光闸开关周期为0.25 s,光栅周期Ʌ=50 μm,占空比为1∶1,周期数为300,光栅长度为15 mm。如图2所示,为加工后的芯径6 μm细芯单模光纤显微照片和横截面显微镜照片。

      图  2  LPG的CCD照片与光纤横截面显微镜照片

      Figure 2.  CCD photo and fiber cross section microscope photo

      图3是FC-LPG退火前的透射光谱,从光谱图中可以看出损耗峰A消光比较高,测试时可获得较高分辨率,故选择此损耗峰作为测试峰。

      图  3  FC-LPG透射光谱

      Figure 3.  FC-LPG transmission spectrum

    • 将光栅置于管式炉中进行高温退火,测试从室温开始进行测试,每次升温100 °C,保温时间为30 min并记录光谱,退火温度到700 °C,使用宽带光源(Superk Compact,NKT Photonics)和光谱仪(AQ6370B,Yokogawa)进行测试。波长随温度变化曲线如图4所示。

      图  4  退火过程谐振波长随温度变化曲线

      Figure 4.  Relationship between resonance wavelength and temperature

      图4可以看出,退火过程中温度由20 °C升温到300 °C光谱红移了5 nm,由300 °C升温到700 °C,光谱红移了2.18 nm。这主要是由于随着温度的升高和退火时间的增加,光纤内部应力逐渐释放,导致光谱整体红移。

      退火后和退火前的透射光谱对比如图5所示,退火后光纤内应力释放,相比于退火前整体透射光谱红移,且退火对光纤内部加工区域有一定的热修饰,呈现较大的消光比和较好的光谱质量。

      图  5  退火前后透射峰对比图

      Figure 5.  Comparison of transmission peaks before and after annealing

      光纤在退火后,又对其进行了温度重复测试。将测试温度从室温升到700 °C,每次升温100 °C,保温30 min并记录光谱。测试结果如图6所示,室温时峰A位于1416.78 nm处,温度升到700 °C时,峰A红移到1418.48 nm,仅红移1.7 nm。FC-LPG制备过程中,515 nm飞秒激光经过高数值孔径油浸物镜聚焦后,可以在光纤纤芯内获得较小聚焦区域,同时以较低能量进行加工,折射率调制深度会变的更小,由(4)式可以得出,当纤芯折射率调制深度变小时,温度灵敏度因子变小,从而使温度灵敏度变低。

      图  6  退火后谐振波长随温度变化曲线

      Figure 6.  Change curve of resonance wavelength with temperature after annealing

      当单脉冲能量相同时,在纤芯直径为9 μm的单模光纤(Corning SMF-28)中刻写了与FC-LPG实验参数一致的LPG,两种光纤光栅的透射光谱对比如图7所示,细芯光纤光栅透射谱的消光比较大,光谱质量较好。由于使用相同能量加工,激光调制区域相同,芯径较细的光纤,同向传输的纤芯模和包层模的耦合效率更高,可以获得较大消光比的LPG。

      图  7  不同纤芯直径的单模光纤光栅透射谱对比

      Figure 7.  Comparison of transmission spectra of single-mode fiber gratings with different core diameters

      对芯径9 μm的LPG进行温度测试,从室温测试到700 °C。如图8所示,从20 °C−700 °C透射峰仅红移1.88 nm,主要是低功率飞秒激光刻写的LPG,纤芯折射率调制深度较小,温度灵敏度较低。

      图  8  纤芯直径为9 μm的光纤中刻写的LPG的温度响应测试

      Figure 8.  Temperature response test of coarse-core fiber grating

    • 对FC-LPG的折射率和轴向应变响应进行了研究,首先将FC-LPG浸入到折射率为1.3400~1.4265的甘油水混合溶液中进行测试。每次测试后使用无水乙醇和去离子水进行清洗,直到光谱恢复为原始光谱。从图9可以看出,在不同的折射率溶液中,FC-LPG的透射峰发生红移。峰A在1.3400~1.4265折射率范围内随着折射率的增加表现出了良好的光谱响应。在折射率范围分别为1.3400~1.3850和1.3850~1.4065时,峰A的灵敏度分别142.81 nm/RIU和307.72 nm/RIU。环境折射率值在1.4065~1.4265范围内,灵敏度最高可达882.51 nm/RIU。

      图  9  透射峰随折射率变化灵敏度曲线以及波长漂移曲线

      Figure 9.  Refractive index response curve and sensitivity curve

    • 使用应变测试仪对FC-LPG的轴向应变进行测试。轴向应变公式如下

      $$\varepsilon = \dfrac{F}{{\pi {{\rm{r}}^{\rm{2}}}E}},$$ (6)

      式中F是光纤轴向拉力,r是光纤包层半径,E是石英的杨氏模量,轴向应变可以由(6)式算出。

      FC-LPG应变测试结果如图10所示。应力从0增加到0.9 N,间隔0.1 N,并记录该光谱。应变的测试范围为0−1008 με,从图7可以看出随着应变的增加,FC-LPG透射光谱发生蓝移,应变响应较好,应变灵敏度为−2.22 pm/με。

      图  10  谐振波长与应变拟合曲线以及光谱漂移曲线

      Figure 10.  Resonant wavelength strain response curve

    • 本文使用飞秒激光直写的方法在芯径为6 μm的细芯光纤上刻写了长周期光栅,并对其温度、折射率、应变响应进行了测试。与大芯径光纤相比芯径较小的光纤,加工时使用较低的激光能量可以获得较大消光比和较好光谱分辨率的LPG。这种FC-LPG的纤芯折射率调制深度较小,使其具有较低的温度灵敏度。退火后的FC-LPG,在20 °C−700 °C温度范围,光谱仅红移1.7 nm。FC-LPG对折射率和应变的变化也具有较好的响应特性。在折射率范围为1.3400~1.3850和1.3850~1.4065时,折射率灵敏度分别为142.81 nm/RIU和307.72 nm/RIU。在环境折射率值为1.4065~1.4265时,折射率灵敏度可达882.51 nm/RIU。在0~1008 με范围内,应变灵敏度为−2.22 pm/με。由于FC-LPG温度灵敏度较低,而折射率和应变响应较好,可为解决因温度所带来的交叉敏感问题提供理论参考和实验依据。

参考文献 (38)

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