213nm激光在FBG制造中的应用
一、FBG简介
光纤Brag光栅（FBG）是在光纤纤芯中引入周期性折射率调制而形成的光波导器件，周期为光波长量级，其结构和工作原理示意图如1.1所示。FBG可视为具有窄带宽的光纤集成反射器或透射滤波器，目前它已经广泛应用于色散补偿器件、光互联网、集成光纤激光器和物联网等方面。
图 1.1 光纤Bragg光栅的结构和原理示意图
FBG制备主要是在光纤纤芯中通过UV激光吸收光印制出一个全息图案。主要利用光纤的光敏特性。光纤的光敏特性与增加UV吸收系数和缺陷或“色心”形成有关。主要方法有两种：一是增加光纤纤芯中Ge离子浓度，或Ge与其它离子共掺；二是对光纤进行载氢处理，但是会增加制造成本。
二、FBG激光制备方法
近年来，随着人们对光纤光栅的不断认识，在光纤光栅制备技术方面也取得了飞跃性的发展，人们已经研究了多种写入方法和实用技术，主要包括全息法、逐点刻写法以及相位掩模法。其中相位掩模法（如图2.1）对于光源的相干性要求低，更为稳定、简单，适用于大规模生产。其中光栅中心波长依赖于掩膜版周期，因此制作不同中心波长的光栅需要不同周期的掩模板。迄今为止，相位掩模法已经被广泛工业生产中。
图2.1 左边为大光斑静态掩模法，左边为小光斑动态掩模法
三、213 nm激光制备FBG
主要采用小光斑动态掩模法，激光器为Xiton IMPRESS 213 nm激光器，焦距为20cm的聚焦镜，掩模板周期209nm，设计方案如图3.1
图3.1 213nm激光FBG制备方法
采用无载氢技术，降低了制造成本，制备的光栅长度达到3.5mm，通过光栅光谱图（图3.2），FBG的透射峰为1554nm
图 3.2 FBG的光谱图
图 3.3 213nm激光器不同功率下折射率的改变速率
测试了213nm激光器不同功率对折射率改变速度的影响（图 3.3）。Type Ⅰ型折射率的改变在20s左右达到最大，然后Type Ⅱ型（负折射率）迅速改变，且随着功率增加其变化率增加。
慕尼黑应用科学大学Roths教授将IMPRESS 213与KrF准分子激光器进行了对比，如图 3.4
图3.4 IMPRESS 213 nm激光与KrF准分子激光器制备FBG的对比图
从上图得知248nm和213nm 纳秒激光器都具有较高的光敏特性。能量密度大小一样时，213nm激光器对折射率变化的影响大于248nm激光器对折射率的影响量，而且光栅的中心也差不多，248nm稍微大一些。
综上可知，213nm是制备FBG的完美光源，其简单、廉价、高效的制备方法，非常适合大规模的工业生产。