透射光柵測光波波長實驗怎麼調分光計

高功率光纖鐳射器中少不了光纖光柵的使用。光纖光柵是一種透過一定方法使光纖纖芯的折射率發生軸向週期性調製而形成的無源器件。

光纖光柵的製作方法目前主要包括：光刻法、電弧放電法、離子束刻蝕法、機械微彎法等。

根據週期的大小可以分為：短週期光柵和長週期光柵。短週期光柵的週期在亞微米量級，一般是反射型光纖光柵；長週期光柵的週期在亞毫米量級，一般是透射型光纖光柵。作為一種新型無源器件，光纖光柵在諸多領域有著廣泛的應用。

圖1 光纖鐳射器結構示意圖

光纖光柵在光纖鐳射器中的應用主要有2個方面，包括：

1）作為腔鏡使用的光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵具有波長選擇特性，其主要用作光纖鐳射器的腔鏡。布拉格光纖光柵能夠將前向傳輸的纖芯模耦合至後向傳輸的纖芯模，週期為幾百奈米，在光纖鐳射器中起到諧振腔腔鏡的作用。

2）具有抑制非線性效應的特殊光纖光柵

用於抑制光纖鐳射器非線性效應的高功率光纖光柵，是近幾年興起的熱點，需要具備高承載功率、低溫度係數、能夠實現多種非線性效應限制。

如何抑制高功率光纖鐳射器的非線性效應？

目前民用與軍事領域急需具有高輸出功率與窄光譜線寬的光纖鐳射器。例如在引力波探測中，需要窄線寬、高功率光纖鐳射器作為干涉光源；在軍事領域，需要將多束高能激光合束到一起，這種合成需要窄線寬、高功率光纖鐳射器作為合束光源。非線性效應阻礙了光纖鐳射器向更窄線寬與更高功率方向發展。要做到窄線寬，就必須要抑制非線性效應。

如何抑制高功率光纖鐳射器的非線性效應？我們首先來了解一下光纖鐳射器的非線性效應。它主要包括：

1） 受激布里淵散射（ Stimulated Brillouin Scattering，SBS）

2） 受激拉曼散射（ Stimulated Raman Scattering，SRS）

3） 自相位調製（ Self-Phase Modulation，SPM）

4） 四波混頻效應（Four- Wave Mixing，FWM）

近年來科研界提出了多種利用光纖光柵抑制高功率光纖鐳射器非線性效應的方法，這裡主要介紹抑制SRS效應的一些研究進展：

1）利用啁啾傾斜布拉格光纖光柵抑制SRS效應

啁啾傾斜布拉格光纖光柵（Chirped and Tilted Fiber Bragg Grating，CTFBG）是短週期光柵的一種，其能夠將前向傳輸的纖芯模耦合至後向傳輸的包層模。CTFBG於1996年由美國羅切斯特大學提出，目前多應用於感測領域。

2017年國防科技大學利用 CTFBG抑制光纖鐳射器中的受激拉曼散射。兩年後，國防科技大學將其應用於MOPA光纖鐳射器的種子源中抑制SRS效應並取得了良好的抑制效果。2019年南京理工大學將 CTFBG應用於千瓦級單腔振盪型光纖鐳射器中抑制SRS效應並取得了良好的抑制效果。針對光柵柵區在高功率下發熱的問題提出低溫緩變結合高溫漸變的退火方法，而針對光柵入射端塗覆層在高功率下發熱的問題，則釆用了分段化學腐蝕法的包層光剝離技術。

該方法的優點包括光柵週期短、穩定性高、不易受環境影響導致抑制效果下降；該種高功率傾斜光纖光柵製作工藝相對較成熟。缺點則是存在一定的後向回光，極高功率下可能會影響鐳射器的效能；採用基於相位掩模板的光纖光柵刻寫方法，導致製作成本相對較高。

2）利用長週期光纖光柵抑制SRS效應

長週期光纖光柵（long period fiber grating，LPFG）的週期通常在亞毫米量級，能夠將前向傳輸的纖芯模耦合至前向傳輸的包層模。LPFG於1996年由美國貝爾實驗室研製出來，多應用於感測領域。

2009年德國耶拿大學提出利用LPFG來抑制脈衝光纖鐳射器中SRS效應；2020年南京理工大學將LPFG應用於高功率連續MOPA光纖鐳射器中分別抑制種子源與放大級激發的SRS效應。其中，釆用逐點掃描的方法刻寫LPFG；釆用高斯切趾技術降低光柵的插入提耗；採用低溫緩變結合高溫漸變熱處理方法降低光柵溫度係數；採用降敏封裝結構降低環境因素對LPFG中心波長的影響。

該方法的優點包括透射型光纖光柵，無後向回光；採用逐點掃描的光纖光柵刻寫方法，製作簡單成本低。缺點是週期較長，易受環境因素影響導致SRS效應抑制效果下降；該種高功率LPFG的工藝尚不成熟，目前仍在研發狀態。

將朝更高承載功率與長波長方向發展

從發展趨勢上來看，高功率光纖光柵未來將主要朝著更高承載功率（>5 kW）以及長波長方向（中紅外波段）發展。

飛秒鐳射用於光纖光柵的刻寫技術近年來不斷髮展，但在國內尚未有實質性應用，主要見於國外報道。從下圖來看，用飛秒鐳射打到鍍光膜上，透過一系列反應產生等離子體，等離子體微爆後產生折射率變化。

圖2 飛秒鐳射光纖光柵刻寫原理圖

飛秒鐳射的波段基本上在800 nm左右，能夠突破塗膜層直接打到芯徑上。因此，基於飛秒鐳射的光纖光柵刻寫技術可為上述發展方向提供解決方案。德國耶拿大學將飛秒鐳射製作的光纖光柵功率提升至5 kW，但目前國內仍處於研究空白。

利用飛秒鐳射刻寫高功率近紅外光纖光柵有以下優點：

1）免剝除塗覆層，提高光柵承載功率以及穩定性；

2）無需對光纖進行載氫，簡化光柵製作工藝；

3）刻寫能量高波段，刻寫速度提高數倍。

中紅外光纖鐳射器是目前的研究熱點，它的氟化物和硫化物光纖不具備光敏性，因此紫外光刻法便失效了。飛秒鐳射也可刻寫中紅外光纖光柵。從研究上來說，加拿大拉瓦爾大學利用飛秒鐳射在氟化物及硫化物光纖上製作出了中紅外光纖光柵。該技術可使中紅外光纖鐳射器純光纖化，隨之將促進鐳射器功率提升、應用拓展。

飛秒鐳射刻寫高功率中紅外光纖光柵的優勢包括：

1）利用飛秒鐳射的多光子效應，在無光敏性的中紅外光纖上也能製作出光纖光柵；

2）免剝除塗覆層，避免了中紅外光纖包層暴露在空氣中發生潮解。

高功率光纖光柵如此重要，產業發展如何呢？

總體來說，國外生產高功率光纖光柵的公司主要有加拿大的ITF公司以及TeraXion公司。

而放眼國內，近年來國內諸多團隊攻克了高功率光纖光柵研製技術，能夠生產高功率光纖光柵的公司也越來越多，包括長飛光纖光纜股份有限公司、珠海光庫科技股份有限公司、天津瑞晟昱發鐳射科技有限公司等。其中天津瑞晟昱發鐳射公司為南京理工大學團隊的產業化成果，完成了千瓦級以上高功率光纖光柵的製作工藝與質量保證體系，在國內實現工業級穩定量產。

目前能夠製作不同波長、不同型號光纖的高穩定性高功率光纖光柵，產品在國內光纖鐳射器行業得到認可並批次使用。

關於高功率光纖光柵，大家還比較關注以下幾個方面，我們作一整理，供大家參考。

1分鐘技術問答

Q1

國內高功率光纖光柵產業化情況如何？

答：

近幾年，國內高功率光纖光柵剛剛發展起來，相關企業增多。包括銳科鐳射、創鑫鐳射等自制光柵的公司，另外一部分則是從國外進口。產業化的推進使得光纖光柵能夠得到普及並應用。

Q2

包層上刻寫光柵可否提高抽運利用率？

答：

由於包層裡面沒有光敏性，因此包層上不能刻光柵。

Q3

5 kW以上承載功率，一般採用什麼方法？只有飛秒刻寫嗎？

答：

如果作為腔鏡，達到5 kW以上，可以形成一個諧振腔，另一種是MOPA結構，用一個種子源，透過MOPA進行放大，很快就能夠達到5 kW。MOPA結構有一個缺點，使用的時候，光返回後可能會燒掉種子源。因此，工業用鐳射器，基本上都是基於諧振腔的。目前，市場上能夠買到的功率達到2 kW的就已經很好了，3 kW也有，但工業用要求苛刻，不是很穩定。

Q4

光柵窗囗的再塗覆塗層怎樣改善溫度導致的影響？

答：

由於再塗覆屬於一個汙染過程，有縫隙、裂痕、氣泡和灰塵，處理不好就會影響光柵的穩定性，因此需要特別注意。

Q5

光纖的柵區域發熱的主要原因是什麼？

答：

主要是殘留的鍺化氫造成，如果鍺化氫全部去除了，就沒有光柵的效果，但濃度太高的話，也會造成溫度高。因此，要注意保持一定的濃度，不能過高或過低。

Q6

光柵裡殘餘的氫會產生熱，氫產生的熱會導致拉曼效應嗎？

答：

拉曼效應的產生與氫沒有直接的關聯。

Q7

多大能量的飛秒鐳射器才能用於刻蝕光柵呢？

答：

目前，用飛秒鐳射刻寫光柵正在研究中，暫且無法定論。