高溫光纖光柵的研究進展

高溫光纖光柵的研究進展

1光纖光柵法制備的技術(shù)用石英光纖的紫外強度，通過特殊技術(shù)將光纖纖芯的折射規(guī)律調(diào)整平方，從而形成光纖纖芯的折射。它能反射波長在窄范圍內(nèi)的入射光。光纖光柵具有插入損耗低、波長選擇性好、不受電磁干擾、靈敏度高、重量輕、體積小、耐腐蝕等優(yōu)點,在光通信和光纖傳感系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用。1978年,Hill等使用488nm氬離子激光器作為光源,利用駐波干涉法成功制作了第一根光纖布拉格光柵(FBG);1989年,Meltz等提出了光纖橫向曝光成柵技術(shù),大大提高了光柵的制備效率;1993年,Hill等提出了相位掩模板法橫向?qū)懭爰夹g(shù),極大地降低了對光纖光柵制備系統(tǒng)的技術(shù)要求;同年,Lemaire等提出了光纖載氫技術(shù),可以大幅度地提高光纖對紫外激光照射的光敏性,使普通單模光纖的纖芯折射率變化幅度提高了兩個數(shù)量級,極大地提高了光纖光柵的制備效率,降低了成本。一般情況下,光纖纖芯在刻寫光柵的過程中發(fā)生折射率的正調(diào)制,即折射率變大,表現(xiàn)為中心反射波長在寫入過程中緩慢地向長波方向移動。這類光柵為普通光柵,適用面最廣,被稱為Ⅰ型光纖光柵。然而,Ⅰ型光纖光柵的折射率調(diào)制并不穩(wěn)定,在高溫環(huán)境下會逐漸退化,如寫制在普通硼-鍺共摻光纖中的Ⅰ型光纖光柵只適用于200℃以下的工作環(huán)境,當溫度高于200℃時,其反射率隨溫度的上升而下降,在350℃的高溫環(huán)境下退火幾小時光柵就可以完全被擦除。因此,Ⅰ型光纖光柵僅適用于常溫環(huán)境,不能用于高溫測量。為了滿足航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)、冶煉等一些高溫領(lǐng)域的傳感測量需求,國內(nèi)外研究人員在高溫光纖光柵的研制方面開展了大量工作,開發(fā)了多種具有不同高溫穩(wěn)定性的光纖光柵。本文對已報道的主要的高溫光纖光柵研究工作進行綜述,按照光柵結(jié)構(gòu)、特點和所用光纖的不同,將其分為Ⅱ型光纖光柵、ⅡA型光纖光柵、化學(xué)組分光纖光柵(CCG)、摻雜特殊離子的光纖光柵、結(jié)構(gòu)變化型長周期光纖光柵等,逐類進行了說明并對它們的制作方法、高溫特性、優(yōu)缺點等進行了介紹和簡評。2高溫光束光的制備和性能2.1準分子激光準分射法Ⅱ型光纖光柵的制備需要能量密度較高的激光,制備過程中存在著激光的非線性吸收效應(yīng),從而導(dǎo)致光纖中的玻璃晶格結(jié)構(gòu)的熔融,產(chǎn)生較大(10-3以上)的折射率調(diào)制,因此Ⅱ型光纖光柵具備優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性,能夠在800℃的高溫環(huán)境下正常工作。通過顯微鏡觀察Ⅱ型光纖光柵,可以清晰地看到光纖因玻璃熔融而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。圖1和圖2分別是準分子激光器和飛秒激光器刻寫的Ⅱ型光纖光柵的結(jié)構(gòu)圖。因為光纖纖芯發(fā)生了物理破壞,所以Ⅱ型光纖光柵的折射率調(diào)制大于Ⅰ型光纖光柵的折射率調(diào)制。目前用于刻寫Ⅱ型光纖光柵的激光器主要有大功率的準分子激光器和飛秒激光器。利用前者制備Ⅱ型光纖光柵的方法主要是相干寫入法和相位掩模板寫入法,而利用后者刻寫光柵的方法可歸為相位掩模板寫入法和逐點寫入法。表1列出了刻寫Ⅱ型光纖光柵的幾種典型方法。采用相干寫入法時,入射激光經(jīng)分光鏡分為兩束,經(jīng)全反射后相交于光纖上,產(chǎn)生干涉場,形成正弦分布明暗相間的干涉條紋。光纖經(jīng)過一定時間的照射,在纖芯內(nèi)部引起和干涉條紋相同分布的折射率變化,從而在光纖上寫入正弦分布的光柵。Archambault等采用能量為40mJ(約889mJ/cm2)、波長為248nm的準分子激光脈沖,在數(shù)值孔徑為0.25的摻鍺(物質(zhì)的量分數(shù)15%)光纖中以干涉法制作出了Ⅱ型光纖光柵,其反射譜與透射譜如圖3所示。顯然,Ⅱ型光纖光柵的反射帶寬(7.5nm)遠大于Ⅰ型光纖光柵的帶寬,而且短于布拉格波長的光被耦合進包層而產(chǎn)生損耗,大于布拉格波長的光仍可在纖芯中傳輸。該方法制作的Ⅱ型光纖光柵在800℃的高溫環(huán)境下放置24h后,反射率無明顯降低;在900℃的高溫環(huán)境下放置24h后,反射率則出現(xiàn)較大幅度的降低;在1000℃的高溫環(huán)境下放置4h光柵就會被完全擦除,其高溫特性曲線如圖4所示。研究表明,在高雙折射光纖上制作Ⅱ型光纖光柵所需的激光能量密度較低。Hill等利用能量密度為60mJ/cm2的倍頻染料激光脈沖,在高雙折射光纖上成功制作了Ⅱ型光纖光柵。與文獻相比,激光能量密度降低了一個數(shù)量級,這是由于高雙折射光纖內(nèi)部存在著應(yīng)力,在紫外激光照射下發(fā)生了應(yīng)力釋放效應(yīng)。逐點寫入法利用精密機構(gòu)控制光纖的運動位移,每隔一個周期曝光一次。Martinez等采用功率密度約為1014W/cm2的飛秒激光脈沖在SMF-28光纖上以逐點寫入法制得了Ⅱ型光纖光柵,并發(fā)現(xiàn)這類光柵能夠在1000℃的高溫環(huán)境下正常工作。但是,逐點寫入法的缺點是需要復(fù)雜的光學(xué)聚焦系統(tǒng)和精確的位移移動技術(shù),而且寫入效率低,不能用于批量生產(chǎn)。相位掩模板寫入法則利用激光垂直照射相位掩模板所產(chǎn)生的衍射條紋來對光纖進行曝光。Mihailov等采用功率密度為2.9×1012W/cm2的飛秒激光器及相應(yīng)的相位掩模板在標準SMF-28光纖上制作出了折射率調(diào)制達1.9×10-3的Ⅱ型光纖光柵,該方法刻寫的Ⅱ型光纖光柵能夠承受1050℃的高溫。在同等實驗條件下,將SMF-28光纖載氫之后,飛秒激光器刻寫Ⅱ型光纖光柵所需的功率密度是在無載氫光纖上的1/3。為了進一步增強Ⅱ型光纖光柵的高溫特性,Grobnic等用飛秒激光器在多模水晶藍寶石光纖上制作了Ⅱ型光纖光柵,能夠在1500℃的高溫環(huán)境下正常工作而反射率無明顯衰減,其溫度靈敏度隨著溫度的上升而升高,在1200℃附近的溫度靈敏度為25pm/℃。Ⅱ型光纖光柵的高溫性能遠比Ⅰ型光纖光柵優(yōu)越,能夠在800℃的高溫環(huán)境下長期工作,并且制備效率高。然而,Ⅱ型光纖光柵也存在著一些不足,如制作Ⅱ型光纖光柵需要高功率激光器,增加了制作成本。另外,Ⅱ型光纖光柵具有反射譜帶寬大和透射譜短波損耗大等缺陷,影響了其溫度測量精度和波分復(fù)用能力。2.2光柵平均轉(zhuǎn)化率ⅡA型光纖光柵是指利用光纖對紫外(UV)激光的雙光子吸收效應(yīng)產(chǎn)生折射率負調(diào)制的光纖光柵。這類光柵具有良好的高溫穩(wěn)定性,能夠承受500℃700℃的高溫,因此成為了研究熱點。Dong等采用ArF激光器(波長為193nm,重復(fù)頻率20Hz,能量密度0.31J/cm2)快速地在硼鍺共摻光纖上寫入折射率負調(diào)制(約-3.0×10-4)的ⅡA型光纖光柵。在激光的照射下,光纖光柵的折射率先增加(Δn>0)然后逐漸減小,直至產(chǎn)生折射率負調(diào)制(Δn<0),折射率變化曲線如圖5所示。因為波長為193nm的激光要比波長為244nm或248nm的激光能量高,所以采用波長為193nm的激光器更容易制備出ⅡA型光纖光柵。Dong等研究發(fā)現(xiàn),在刻寫ⅡA型光纖光柵的過程中,激光能量密度越高,則能量累積速度越快,即刻寫光柵所需的時間越短,但是折射率負調(diào)制的最大值與激光脈沖的能量密度無關(guān)。Groothoff等采用非穩(wěn)腔準分子激光器來減少脈沖能量的波動,刻寫出的ⅡA型光纖光柵具有更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性,能承受700℃的高溫。ⅡA型光纖光柵的溫度特性曲線如圖6所示,中心波長隨溫度的上升而變大,在小于700℃的溫度范圍內(nèi),光柵的反射率和透射率基本無變化,當溫度超過700℃時,反射率逐漸下降,透射率逐漸上升。Riant等研究發(fā)現(xiàn),ⅡA型光纖光柵一般在高摻鍺、小纖芯且光纖內(nèi)部存在較高應(yīng)力的光纖中更容易實現(xiàn),但是無法在載氫之后的光纖中寫入。這表明光纖載氫改變了光纖的化學(xué)或物理特性?？傊?就高溫穩(wěn)定性而言,ⅡA型光纖光柵的表現(xiàn)介于Ⅰ型和Ⅱ型光纖光柵之間,能夠承受500℃~700℃的高溫。制作ⅡA型光纖光柵對激光器的要求低,而制作周期較長(數(shù)分鐘至幾小時,與激光能量密度、重復(fù)頻率有關(guān))。2.3化學(xué)組分光纖光柵化學(xué)組分光纖光柵中纖芯折射率的調(diào)制是由纖芯中化學(xué)組分的周期性分布引起的,其制作過程中包括光柵的退化和再生過程,因此也被稱為再生光纖光柵。這類光柵具有優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性,能夠在1000℃的高溫環(huán)境下正常工作?；瘜W(xué)組分光纖光柵的制作過程一般包括光纖載氫、紫外刻寫、氫的擴散過程和高溫退火處理等步驟。光柵的退化和再生發(fā)生在高溫退火階段。Fokine采用244nm的氬離子激光器在載氫的摻氟光纖上刻寫初始光柵,然后以20℃/min的升溫速度從室溫加熱到1000℃將初始光柵進行退火處理。初始光柵的反射率會隨著溫度的上升而下降,在950℃附近完全被擦除,在被擦除之后又重新長出一個反射率約為25%的再生光纖光柵,測得其折射率調(diào)制幅度約為5.6×10-5。初始光柵的退化和化學(xué)組分光纖光柵的再生過程如圖7所示。將制作完成的化學(xué)組分光纖光柵依次在1000℃和1200℃的高溫環(huán)境下進行高溫試驗,在1000℃的高溫環(huán)境下放置120min之后,反射率幾乎無變化,緊接著放置在1200℃的高溫環(huán)境下60min之后,折射率調(diào)制降為原來的20%。化學(xué)組分光纖光柵的高溫試驗過程如圖8所示。研究還發(fā)現(xiàn),在圖7所述的退火過程中,將700℃溫度下的退火時間延長至24min,最后制得的CCG折射率調(diào)制幅度增大至4.6×10-4,提高了一個數(shù)量級,而且初始光柵的反射率越高,則最后制得的化學(xué)組分光纖光柵反射率也越高。在載氫普通通信光纖(不摻氟)上制成的氧周期性分布的化學(xué)組分光纖光柵具有更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性,在1230℃下放置7.5h之后反射率仍能超過50%,其折射率的周期性調(diào)制被認為是水分子的周期性分布引起的。最近幾年,研究人員在摻鉺及硼鍺共摻[28~30]的光纖中制作了化學(xué)組分光纖光柵,并證明了化學(xué)組分光纖光柵能夠在1295℃的高溫環(huán)境下正常工作。摻雜光纖中硼鍺含量越高,制作出的化學(xué)組分光纖光柵的反射率也越高,而擦除溫度越低,熱穩(wěn)定性越差。在高溫退火處理時,光纖中游離態(tài)的氫能提高化學(xué)組分光纖光柵的反射率,但同時也導(dǎo)致光柵反射率在高溫環(huán)境下的不穩(wěn)定。為了提高化學(xué)組分光纖光柵的反射率,Canning等在小纖芯、高數(shù)值孔徑的光纖中制得了高反射率的化學(xué)組分光纖光柵。化學(xué)組分光纖光柵具有1000℃以上的高溫穩(wěn)定性,其溫度靈敏度在低溫區(qū)是9.0pm/℃,在1000℃附近是17.5pm/℃。制作化學(xué)組分光纖光柵對激光器和光纖的要求較低,因而制作成本低。然而,化學(xué)組分光纖光柵同樣存在著一些不足,如反射率低、退火時間長、退火之后光纖非常脆弱等。2.4光纖光柵的高溫穩(wěn)定性在摻雜某些特殊離子[如錫(Sn4+)、銻(Sb3+)、銦(In3+)、鉍(Bi3+)等]的光纖上刻寫的光柵也能承受較高的溫度。Dong等研究發(fā)現(xiàn),采用能量密度約0.25J/cm2的KrF準分子激光,以相干寫入法在摻Sn4+光敏光纖上刻寫的光柵能夠承受800℃的高溫。將制作完成的光纖光柵進行高溫特性的測試,依次在200℃、400℃、600℃、800℃的高溫環(huán)境下退火24h,退火之后的反射率仍有8%左右,比摻鍺及硼鍺共摻的光纖上刻寫的光柵具有更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性,光柵的退化曲線如圖9所示。Shen等采用248nm的KrF激光照射摻Sb3+光纖,刻寫的光柵比摻Sn4+光纖上刻寫的光柵具有更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn),在激光脈沖能量相同的情況下,脈沖重復(fù)頻率越高以及光纖中光敏性摻雜組分的陽離子尺寸越大,則寫入的光柵的高溫穩(wěn)定性就越好(Sn4+和Sb3+的尺寸分別是71pm和76pm)。他們還分別在摻銦(In3+)、摻鉍(Bi3+)光纖中寫入光柵,在900℃的高溫下退火24h之后的光柵反射率均能超過20%,具體的制作方法如表2所示。Shen等提出了陽離子跳躍模型來解釋摻雜特殊離子的光纖光柵的高溫特性。其原理如下:在激光照射摻雜特殊離子的光纖的過程中,光纖中的陽離子從原來的位置發(fā)生跳躍被玻璃晶格中的空位俘獲,并陷于連續(xù)分布的能量阱中,從而實現(xiàn)了光纖的折射率調(diào)制。在退火過程中,隨著退火溫度的上升,當陽離子獲得的能量可以克服相應(yīng)的能量壁壘時,陽離子就會被緩慢釋放,直至恢復(fù)到原來的位置,對應(yīng)的折射率變化也就消失。脈沖重復(fù)頻率越高的激光在刻寫過程中引起的光纖局部溫升也會越高,從而會產(chǎn)生更多的缺陷中心,同時陽離子也會被激發(fā)到能量更深的空位上去。因此,同樣在脈沖能量12mJ的情況下,以300Hz脈沖重復(fù)頻率刻寫的光纖光柵的高溫穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于以200Hz和100Hz的脈沖重復(fù)頻率刻寫的同種光纖光柵。在高溫退火的過程中,尺寸大的陽離子要獲得較大的能量才能克服能量壁壘得以擴散,因此,在摻大尺寸陽離子的光纖中刻寫的光柵比在摻小尺寸陽離子的光纖中刻寫的光柵具有更好的高溫穩(wěn)定性?？傊?摻雜特殊離子的光柵具有良好的高溫穩(wěn)定性,能夠承受800℃以上的高溫,對激光器的要求低,制作過程簡單方便。然而,制作這類光柵需要對光纖進行特殊的摻雜,并且這類光柵在高溫環(huán)境下的反射率較低。2.5先等工藝刻寫lpfg1996年,AT&T貝爾實驗室的Vengsarkar等采用紫外光通過振幅掩模板照射載氫的硅鍺光纖,首次制成了長周期光纖光柵(LPFG)。LPFG可實現(xiàn)同向傳輸?shù)幕：透邔幽Ｖg的耦合,無反向反射,屬于透射型帶阻濾波器,所以LPFG常常也被稱為透射光柵。LPFG的諧振波長公式為滿足相位匹配條件的特定波長由纖芯耦合進包層,在向前傳輸?shù)倪^程中很快被衰減掉。因此,在透射譜上只有一個損耗峰,而其他不滿足相位匹配條件的波長則基本無損耗地在光纖纖芯中傳輸,從而具有波長選擇性損耗的特性。LPFG的寫入方法很多,主要包括紫外光寫入法、電弧放電法、離子束入射法、CO2激光寫入法、腐蝕刻槽法、機械微彎變形法等。上述刻寫方法各有優(yōu)缺點,CO2激光寫入法與電弧放電法的成柵機理本質(zhì)是一致的,都是通過局部周期性加熱使光纖結(jié)構(gòu)和/或折射率發(fā)生周期性調(diào)制從而寫入LPFG,所以采用這兩種方法制作的LPFG都具有高溫穩(wěn)定性。Davis等采用CO2激光脈沖在SMF-28光纖上刻寫LPFG,該方法刻寫的LPFG能在1200℃的高溫環(huán)境下正常工作,其高溫穩(wěn)定性遠遠高于紫外光刻寫的LPFG。利用三束聚焦的高頻CO2激光脈沖對稱寫入長周期光纖光柵,具有寫入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,易于控制和調(diào)節(jié)等優(yōu)點。該