213nm激光在FBG制造中的应用

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

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。

 

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

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

3.2 FBG的光谱图

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 213KrF准分子激光器进行了对比,如图 3.4

 

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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248nm213nm 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。