高频CO2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究讲解.docx

1、高频CO2激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究讲解第卷第期年月光学学报，高频激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究魏石磊张伟刚范弘建耿鹏程尚佳彬殷丽梅薛晓琳（）南开大学现代光学所光电信息技术教育部重点实验室，天津，摘要利用高频运用改造的耦合模理论对基于高频）激光脉冲写制了倾斜长周期光纤光栅（激光脉冲写制的实验研究了倾斜折射率调制对分析了倾斜角度进行了理论分析，光谱特性的影响，利用高频低对模式耦合特性的影响。实验结果表明，具有新颖的耦合特性，激光脉冲写制的阶次包层模的耦合系数大于高阶次包层模，倾斜折射率调制不仅可以提高纤芯基模与包层模的耦合系数，还可以且随着倾斜角的增大可以明显提高

2、光栅的写制效率。激励纤芯基模向高阶包层模式耦合，关键词光纤光学；长周期光纤光栅；倾斜光纤光栅；高频二氧化碳激光；耦合模理论：中图分类号文献标识码（，），）（，；引言倾斜光纤光栅（是一种特殊的光纤光栅，）它与传统光纤光栅的不同之处在于光栅成栅平面的；收到修改稿日期：收稿日期：波矢方向与光纤轴线方向有一定的夹角。通过改变即倾斜角，可以控制光纤内部传播的不同波长夹角，的光波以不同的角度耦合到光纤包层。所以与传统，）基金项目：国家自然科学基金（和天津市应用基础与前沿技术研究计划（资助课题。，：作者简介：魏石磊（男，硕士研究生，主要从事光子晶体光纤光栅方面的研究。），导师简介：张伟刚（男，教授，博士生导

3、师，主要从事光子技术与现代光传感和新型光电子器件等方面的研究。）：光学学报光纤光栅相比，因而成具有很多独特的特性，为近年来的研究热点。与普通光纤光栅相比，具有很多独特的优点，如能够激励纤芯基模向一系列同向或反向传输的高阶包层模或辐射模耦合，具能够提高对外界响应的灵有新颖的偏振相关特性，。传统意义上的光纤光栅因其光栅平面敏度等泛应用于光通信和传感领域。用于分析光纤光栅光谱特性的理论主要有耦合模理论、傅里叶变换理论和传输矩阵法等。其中耦合模理论可以精确地分析光纤光栅中各种模式间的耦合特性，是分析光纤光成功地将栅模式耦合特性的有力工具，耦合模理论用于紫外曝光法写制的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的研

4、究；通过对耦合模理论的改造，进而又对紫外曝光法写制的倾斜长周期光纤光栅进行了研究。但对于不同种类的光纤光栅及不同写制方法写制的光纤光栅，须对耦合模理论进行改造才能将其应用于具体的光栅分析。本文借鉴了其中的一些思路和方法，对耦合模理论进行了改造，对高频进行了初步的激光脉冲写制的理论研究，分析了倾斜折射率调制对耦合特性的影响。模式耦合对于紫外曝光写制的光纤光栅，主要利用光纤的光敏效应。光敏光纤的光敏性与锗硅玻璃中的缺陷中心有关，这些缺陷中心使得光敏光纤对人们认为锗氧波段的紫外光有强烈的吸收，空位缺陷是引起光致折变的主要原因。在写制机理方面，紫外曝光法的特点是仅对纤芯折射率进行调对包层折射率则没有影

5、响，其折制且调制分布均匀，射率调制如图所示。在写制技术方面，该方法有）光栅只能在光敏光纤上写以下不足而应用受限：制，而且需要相位模板或振幅模板，写制系统较为复）制备的光纤光栅热稳定性差、杂；成本高、效率）写制的光栅局限于纤芯，低；在非光敏的包层不能写制光栅。与紫外曝光写制方法相比，高频：激光脉冲写制法具有很多特点和优势在写制机波矢方向与光纤轴向一致使其结构和功能受到很大而使限制；由于倾斜角可根据需要进行设计，其折射率调制的空间分布灵活多变，丰富了光栅结构设计，可实现优异光学特性，为新型光纤光栅功能。器件研制拓展了更宽的研究领域光纤光栅的发展是与其写制方法和技术密切相关的，自等提出利用激光脉冲轴

6、向写以来，由于其写制方法制长周期光纤光栅（）的灵活方便以及其写制机理的新颖性，使得激光写制法成为一种备受关注的写制方法。将利等激光的调制频率改为几千赫兹，用高频脉冲能量集中、加热时间短的特性，提高了加因此提高了光栅的写制效率。热的效率，等计算了单侧激光曝光的光纤横截面能量分布。曝光侧能量较大，背光侧激光能量极小。为此，进行双侧曝光，当等损耗峰达到，把光纤绕轴线旋转对另一侧曝一定深度后，光，直到达到需要的损耗峰深度。于清旭等提出一种由柱面镜、两个平面镜构成的互成的光学用聚焦系统，激光对光纤进行圆周均匀曝光，写制了均匀折射率调制。高频激光脉冲写制法以其写制机理的独特性和写制技术的灵活性，成为新一代

7、长周期和超长周期光纤光栅写制的首选，并且极大地促进了光纤光栅的发展，为新一代光纤光栅器件的研制开辟了更为广阔的空间，这就决定了利用高频理方面，脉冲激光器主要利用热冲击效应实现对光纤的折射率调制，其写制机理包括残余应力应变释放、非弹性应变冻结、粘弹性冻结、光纤表面刻蚀等，激光脉冲写制法的特点是写制过程为单侧曝光，折射率调制区域主要位于光纤包层曝光一激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅（具）有许多独特的潜力，因此对基于高频激光脉冲写制的进行光谱特性研究具有十分重要的意义。本文利用高频激光脉冲写制了运用改造的耦合模理论对基于高频，激光脉冲写制的实验研进行了理论分析，究了倾斜折射率调制对分光谱特性的影响，

8、析了倾斜角度对并模式耦合特性的影响，将与普通进行了比较。图紫外曝光法写制的光纤光栅折射率调制示意图理论分析光纤光栅作为一种重要的光学无源器件，已广魏石磊等：高频激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究侧，对纤芯的折射率扰动较小，单侧曝光导致折射率调制具有不对称性，而倾斜不仅加大了折射率调制而且改变了纤芯基模向各阶包层模的的不对称性，耦合强度；在写制技术方面激光脉冲写制为包层半径。在包层引入折射率扰动后，光纤中的纤芯模式和包层模式在满足相位匹配条件时会发生耦合。鉴于耦合模理论不能直接用于光纤折射率空间倾斜调制的分析，因此对不同的空间折射率调制分布，须对包括耦合模理论的交叠积分等方面进行改造，

9、以适用于对的理论分析。为简化并不失一般性，首先考虑纤芯基模与同向传输的某一阶包层模的耦合。因轴向耦合系数很小，故可忽略轴向耦合系数对耦合强度的影响。于是，简化后的耦合模方程为（，）（）（，）方程中的电场振幅，为纤芯基模（）表示为长周期光纤光栅模式间包层模的电场振幅，相位匹配的失谐量，即，（）（）式中的传播常数，为纤芯基模（）为包法更加灵活和方便，不需要振幅模板，由计算机控制可以方便地写制各种复杂形状的光纤光栅，对光纤的种类没有要求，可以在任意光纤上写制写，制效率高，所制备光纤光栅具有热稳定性好等优点。因此利用高频并对其，激光脉冲写制进行理论分析。对于高频激光脉冲写制的其折射率调制主要位于包层曝

10、光一侧，且，其折射率调制如图所示，其写制过程为单侧曝光，），其中为倾斜角（即波矢与光纤轴的夹角，为光栅周期。图高频折射率调制示意图激光脉冲写制的层模的传播常数，为光栅周期。，分别表示自耦合系数和交叉耦合系数：），（）（）建立理论分析的方法和步骤如下。首先，将折射率调制加在光纤的包层上，并假设对纤芯折射率扰动很小，可忽略不计；其次，考虑高频激光脉冲的写制特点，探索并建立倾斜角与包层模耦合系数的关系式；进而，从光纤包层单侧曝光入手，分析仅由倾斜角引起的包层折射率倾斜调制分布对包层模耦合系数的影响。借鉴耦合模理论，可将周期性折射率改变视为一种微扰。于是，对激光脉冲曝光一侧的光纤包层折射率扰动表示为，

11、）（）式中坐标变换为；，为折射率调制的慢变包络。而对于未曝光的）（）（），（）式中为圆频率，为纤芯折为真空介电常数，射率，为周期性的折射率扰动。在计算自耦合系数和交叉耦合系数时，将方位角的积分区间设定为，使之更符合单侧曝光的情况；将径向积分即只有包层受到折射率扰动。区间设定为，经对上述关系式分析可知，耦合强度可用耦合系数表征，通过计算两个模式间的交叠积分与折射率微即可计算出模式间的耦合系数。扰的乘积，耦合系数计算利用上述改造的耦合模理论，对基于高频，激光脉冲在单模光纤（上写制的）的耦合系数进行了数值模拟和理论分析。光纤参数为：纤芯折射率纤芯半径，包层折射率包层半径，）光纤一侧，假设其包层折射率

12、未受到调制，根据光纤三层介质模型，可得到光纤折射率的分布形式为，（）（），式中为纤芯折射率，为包层折射率，为环境折射率，为包层折射率扰动；为纤芯半径，光学学报，光栅周期，环境折射率周期数，。首先，对紫外曝光在单模光纤上写制的将方位角积分区的耦合系数进行了模拟，间设定为径向积分区间设定为图，为纤芯基模（向一阶奇次包层模（，），）的耦合系数，从图可以看出，对于紫外，曝光法写制的倾斜角对一阶包层模耦合，只有当倾斜角接近时才会产生系数影响不大，明显影响，且高阶次包层模比低阶次包层模的耦合系数大；当倾斜角接近时，耦合系数急剧下降。对激光脉冲在单模光纤上单侧曝光写制的进行了模拟。单侧曝光一侧的包层折射率而

13、纤芯及未曝光一侧包层的折射率扰动很扰动大，小，可忽略不计，因此将方位角积分区间应设定为径向积分区间应设定为，。图为纤芯基模（向一阶的奇次包层模（，），）的耦合系数，从图可以看出，对于基于高频，随着倾斜角的增，激光脉冲写制的加，可以提高包层模的耦合系数；且低阶次包层模比高阶次包层模的耦合系数大。由理论分析及数值模拟可知，基于高频随，激光脉冲写制的着倾斜角的增大可以显著地提高光栅的写制效率。实验结果与分析在单模光纤上设计并利用高频激光脉冲写制了具有不同倾斜角度的。图为高频激的实验装置。其中，激光脉冲写制光器为生产的型二氧化输出波长为碳气体激光器，最大输出功率为光束经，透镜聚焦后光斑为，实验采用二维

14、振镜线性扫描标记法打标。图高频实验装置图激光脉冲写制）将光纤一端与宽带光的写制步骤为：）源（连接在一起，另一端通过活动连接头与光纤）将光纤待曝光区域（光谱仪（相连。剥掉涂）置于两个光纤支架中间，光纤的一端固定，覆层部分）图紫外曝光法写制的包层模耦合系数另一端通过滑轮支架加一个重使光纤的砝码，在写制过程中处于平直状态且保持恒定的轴向应力。）利用“打标软件”将光栅结构设计成图，设置激光器打标参数。）通过计算机控制激光打标过程，在线完成的写制。利用图所示的实验装置，对单模光纤进行了的写制研究。经过多次探索和反复实成功写制出高质量的验，。图为光学显微图高频包层模耦合系数激光脉冲写制的图的折射率调制实物

15、图魏石磊等：高频激光脉冲写制的倾斜长周期光纤光栅光谱特性研究镜下放大其中的倾斜倍的显微照片，条纹为光纤包层折射率在激光脉冲扫描后留下的调制结构。实验写制的的光栅周期为，光栅周期数即光栅长度为，。图为在相同写制条件下不同倾斜角度的的透，射谱，打标脉冲激光器的释放时间为），其中图（中分别为次数为，（，。实验发现，在相同的写制条件下，随着倾斜角的增加，且写制效率明显提高；低阶包层模的耦合强度大于高阶包层模，这与上述高频耦合特性理论激光脉冲写制的分析相吻合；且在和附近出现了新的谐振峰，根据相位匹配条件，计算了位于处谐振峰为纤芯基模（向）包层模的耦合，位于向附近谐振峰为纤芯基模（）包层模的耦合，位于处的

16、谐振峰为纤芯基模（向二阶一次位于）包层模的耦合，附近谐振峰为纤芯基模（向）包层模的耦）合，如图（所示。由此可见，折射率倾斜调制不而且能够激励高阶非对称仅提高了光栅写制效率，包层模的耦合。为了研究倾斜角对光纤光栅写制效率的影响，固定其他因素，写制得到了不同倾斜角度长周期光纤光栅在不同打标次数下的光谱图，图为追踪其中附近的谐振峰深度随打标次数的变化。由图可见，随着倾斜角的增大，光栅写制效率明显提高。图写制效率随倾斜角度的变化曲线通过对基于高频激光脉冲写制的理论分析和实验研究，可以发现高频激光脉冲写制的模式耦合特性不同于紫外曝光）包层倾斜折射率调制可以明显改变纤芯基模法：与包层模的耦合系数；光栅）随

17、着倾斜角的增大，的写制效率明显提高；高频）与紫外曝光相比，低阶次包层模比高，激光脉冲写制的阶次包层模的耦合系数大；其）对于普通，和一阶奇次包层模模式耦合主要是纤芯基模（），之间的耦合（而，可以，激励纤芯基模向高阶非对称包层模的耦合。由于包层折射率调制及倾斜折射率调制可以增增强其传感的灵敏强光波与外界环境的相互作用，度，所以预期折射率、扭转等外界在弯曲、参量传感方面有更高的灵敏度；其新颖的折射率调制分布也使得其具有独特的偏振相关和色散特性。由以上分析可知，基于高频激光脉冲写制的因此对具有很多新颖的特性，的特性分析及应用研究还有广阔的探索空间，对于设计特种光纤光栅、研制新型的光栅器件以及拓宽光纤光

18、栅在光纤通信与传感领域的应用具有重要的意义。图相同写制条件不同倾斜角度下的透射谱结论利用高频通过；激光脉冲写制了光学学报对耦合模理论进行改造，使其适用于分析单侧倾斜包层折射率调制的并将其与普通，和紫外曝光法写制的进行了对比分析。通过理论分析和实验研究发现，利用高频激光脉冲写制的低阶次包具有很多优异的特性：层模比高阶次包层模的耦合系数大；倾斜折射率调制可以改变包层模的耦合系数，且随着倾斜角的增大可以明显提高光栅的写制效率；倾斜折射率调制可以激励纤芯基模向高阶非对称包层模的耦合等。单侧包层倾斜折射率调制引起的空间折射率调制分布非对称，突破了以往仅靠倾斜角改变纤芯折丰富了光栅结构，使得光栅结射率调制分布的限制，构设计更具灵活性，其光波控制功能愈加丰富，涉及色散特性、传感与滤波特的偏振相关特性、性以及调控功能等还有待进一步的认识与挖掘。参考文献，（）：，（）：，