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FQCW266nm激光器加工光纤布拉格光栅
翻译:北京丰通丰创光电科技有限责任公司

低噪声200mw,266nm连续光激光器,适于在各种掺杂玻璃制成的光纤中写入高对比度的光栅。

一、介绍:

光纤布拉格光栅是一种长度很短的光纤,几厘米长,折射率系数沿着光纤长度方向正弦变化。当光进入光纤后,由于光栅干涉导致某一波长处产生强反射,这一波长由光纤布拉格光栅的周期决定。光纤布拉格光栅的两个常见应用,包括光通信和光纤传感。在光通信中,FBG提供一个波长,锁定光源或探测器。啁啾光纤可用于补偿长距离光通信中的色散。FBG也可用于波分复用网络作为加减波长应用。在光纤传感中, 物理应力和温度的变化,导致FBG中反射和透射的变化。特定的应用,包括桥和其它民用工程,如智能结构。

当今,FBG写入主要依靠气体激光器,如准分子激光器或倍频Ar离子激光器。但近年来,一种体积小、性价比高的固体激光器,成为替代的解决方案,单模,四倍频DPSS固态激光器。本文解释了如何使用266nm激光器加工FBG,和FBG的测量结果。 

二、FBG加工的背景

FBG由阶跃指数、锗石英光纤,放置于高强度的紫外光激光器下;激光调制成条纹的图案状。光纤通常掺杂氢,来加强对紫外光的敏感。锗掺杂的光纤芯径,在紫外光下产生永久的折射率系数改变。常用三种基本方法,来加工高频指数调制,保证准确度:干涉法,相位掩模,投影掩模。

在干涉法中,激光光束进入两个器件,然后在光纤处重新结合,来产生干涉图案。这需要激光光束有足够好的相干长度,最好是单纵模输出。这种技术的缺点是,干涉条纹间距和放置,对系统光学准直高度敏感。而且,为保证足够的条纹对比度,需要高的机械稳定性,并和周边环境振动隔离。最后,这种方法不能用于加工可变条纹间距的啁啾光栅。另一方面,干涉法很灵活,允许快速的改变光纤参数。 

相位掩模的方法,使用衍射光栅,将一束激光分成几个衍射级次。不同级次的干涉在光纤中产生所需的图案。相位掩模的方法,灵活性比干涉法差。但相位掩模的方法,对振动和准直不敏感;使得相位掩模的方法更适用于生产环境。而且,使用相位掩模可以加工啁啾光栅,这对远距离波分复用中的色散很有用。 

第三种方法,是掩模投影技术。在这种技术中,激光光束均匀分布,并穿过掩模。这种照射产生的条纹,以高的对比度投影在光纤上。掩模投影的优点是它可以用于生产真实的各种复指数周期或非周期的结构。但不同于前两种方法,不适于加工亚微米结构。 

三、FBG加工的现有光源

图1显示了无氢光纤的光学灵敏度。在掺锗的标准光通信光纤中,最灵敏的光波长是240nm。直到现在,满足紫外光光束质量和紫外光功率,用于FBG生产的激光器,只有准分子激光器和Ar离子激光器。但这两种激光器都有缺点。

无氢掺锗光纤光灵敏度与中心三态激发光谱-丰通丰创

图1:无氢掺锗光纤(10%摩尔)光灵敏度与锗氧不足中心的三态激发光谱。曲线使用两个高斯型加法拟合。

离子激光器具有足够的空间和时间相干、稳定输出和好的光束均匀度。它的主要缺点是光功率太低。这导致了长的曝光时间,如45分钟;这就需要仔细的消除环境振动、热循环和气体流动。并且,长时间的曝光会导致光纤加热,引起光纤尺寸改变,并改变光纤的特性。 

从实用的角度看,氩离子激光器需要208V/60A,三相电源,却仅输出几瓦的光功率。大部分的输入电功率,转化成热散发掉。而且,连续激光器的倍频,是一个非线性很高的工艺,对光强很敏感。因此,在488nm的输出光功率微小改变,会导致244nm的输出光功率巨大改变。 

另一方面,准分子激光器是目前为止最强力的紫外光光源,可以在几秒钟,而不是几分钟加工好FBG光栅。但准分子激光器,不是生产FBG光栅的灵丹妙药,因为它的尺寸很大,功耗很大,价格很贵。另外,准分子激光器的空间相干和光束质量差,需要额外的透镜进行光束整形,限制了它们用于相位掩模和投影掩模的方法。 

部分由于这些气体激光器的限制,FBG加工有时需要对光纤掺氢。增加光纤的光灵敏度,和扩大峰值的吸收,从而允许使用较长的激光波长。通过使用氢掺杂,光栅加工的报道中使用了255 nm, 271 nm 和289 nm的铜蒸汽脉冲激光器、以及266nm的四倍频YAG连续激光器。这些研究表明,好的光栅,可以通过较长的波长加工出来。 

CRYLAS提供FQCW266nm连续光固态激光器,具有好的相干效果。这个激光器工作在单纵模,内置集成谐振腔,将532nm转化成266nm。对应光子能量4.72eV。而且,光束稳定性很高< 3 μrad / K,TEM00模M2 <1.3,束腰直径0.55 mm。激光器尺寸390 x 270 x 91 mm。

FQCW266nm连续光固态激光器-丰通丰创

266nm激光器谐振腔-丰通丰创

266nm激光器谐振腔-丰通丰创

FQCW266 DPSS激光器也具有离子激光器的所有优点,如相干长度长1000米,低噪声< 0.5% rms( 100 KHz–10MHz ), 光束质量好,而不具有耗电高的缺点,平均功率100W。相对于离子激光器,FQCW在长的使用寿命中,可以更高效稳定的运行,而不需要用户维护。需要的设施很少,只需要一个电源插头。在半导体行业生产和科研应用中,具有多年的应用经验,被用户所推崇。 

当然,266nm比248nm准分子激光器的波长要长,相应的,266nm不是无氢的光纤光栅加工的理想选择,尽管有些无氢光纤可以使用266nm加工。但通常FBG加工中都掺杂氢,所以,可以使用FQCW266nm激光器。 

四、使用FQCW加工FBG光纤

英国Aston University大学的Prof Lin Zhang组,测试了FQCW266-100mw激光器。他们的回复如下:

“我们测试了FQCW266-100,与我们现有的244nm激光器相比较,发现crylas的激光器可以用于在SMF28上制造光栅,与下面的应用1相似。我们也测试了其它的光纤类型,取得了一些成功。总之,我们的一些成员认为,相对于我们现有的244nm激光器而言,需要更长的时间来加工标准的光栅,这限制了CRYLAS系统的实用性。当然,有200mw的266nm激光器FQCW266-200,可以加速生产过程。” 

下面应用1中使用的激光器,是另一家供应商生产的。这种激光器价格更高、尺寸更大、耗电量更高,而且需要水冷散热。而CRYLAS FQCW266-200只需要空气冷却。并且,FQCW266具有更长的相干长度1000米,更窄的线宽< 300 KHz,8小时功率(模式)稳定1%rms,这对于加工FBG光栅很重要。

应用1:掩模处激光器的功率200mw,光束直径1.2mm。在80摄氏度、220Bar下加入氢。

测试的光纤类型如下:

1)标准通信光纤,康宁SMF-28

 三种光敏光纤

2)Fibercore SM-1500,高锗掺杂光纤

3)Fibercore PS-1250/1500, 硼锗共同掺杂的光纤

4)Fiberlogix光敏光纤,另一种高锗掺杂光纤

FBG光栅测试光纤-丰通丰创

五、氢加载光纤

氢加载光纤-丰通丰创

上图显示了氢加载SMF28,在200mw和100mw 266nm激光器下,一些光栅的透射损失的变化。

在200mw激光器功率下,曝光200-300秒后,光栅反射率在95%-98%之间饱和。对应折射率改变~0.0036至0.0045。当激光器的功率降低到100mw,没有观察到饱和光栅的透射损失;尽管达到饱和的曝光时间平均增加到800秒。

氢加载SM1500光栅透射损失-丰通丰创

上图显示了氢加载SM1500,在200mw和100mw 266nm激光器下,一些光栅生长的透射损失的变化。在200mw激光器功率下,曝光90秒后,光栅反射率在95%-96%之间饱和。对应折射率改变~0.0036至0.0038。通过减小激光器功率到100mw,观察到一个小的光栅透射损耗增加,可能由于较低的自愈效应,同时曝光时间平均增加到240秒。黄线表示,一种I/IA生长图案,常在氢加载光敏光纤中观察到,第一块光栅加工完成后,观察到一种不同的光敏机制,这导致了光栅具有不同的特性。

氢加载Fibercore PS1250光栅透射损失-丰通丰创

上图显示了氢加载Fibercore PS1250,在200mw和100mw 266nm激光器下,一些光栅生长的透射损失的变化。这种类型的光纤对激光器极其敏感。在200mw激光器功率下,光纤光栅的透射损耗超出设定的测量能力,只需要15秒。然而,从测量的数据带宽上计算,折射率的改变大约是0.0053。减小激光器的功率到100mw,没有观察到光栅透射损耗,尽管曝光时间增加到60秒才达到饱和。值得一提的是,这些结果超出了244nm倍频激光器扫描曝光实验折射率数值的改变,使用244nm激光器,折射率数值改变只达到了0.001。

氢加载Fiberlogix Photosensitive光栅透射损失-丰通丰创

上图显示了氢加载Fiberlogix Photosensitive,在200mw和100mw 266nm激光器下,一些光栅生长的透射损失的变化。在200mw激光器功率下,光栅饱和在90秒曝光后,饱和在18dB范围内。对应折射率系数改变0.0045。减小激光器功率到100mw,观察到光栅透射损耗减小,240秒左右,光栅透射损耗减小到15-16dB。又一次观察到一种类型的I/IA光栅生长图案(蓝线)。 

六、非氢加载光纤

如同认定的一样,非氢加载的光纤,显著的减小了266nm光纤的光灵敏度。但是,在光灵敏的光栅中,小光栅仍能加工。

上图总结了三种光敏光纤的生长特性。I型光纤加工出的透射损耗位于0.4-2.6dB。对应折射率系数改变大约0.00055至0.0014。而且,在Fibercore PS1250 和 Fiberlogix PS 光纤中观察到IIA型光栅的生长特性。 

当然,进关折射率系数不能增加,一种替代方案是增加FBG光栅的长度。

光栅透射损耗变化和折射率系数关系-丰通丰创

上图计算了这种效应,显示了不同光纤长度时,光栅的透射损耗变化和折射率系数之间的关系。1.2mm长的光纤,可以达到1dB的透射损耗。5mm长的光纤,可以达到10.9dB的透射损耗。 

七、结论

DPSS266nm固态激光器,适用于FBG光栅写入,等效于或优于倍频离子激光器。并且,在尺寸、稳定性、功耗、成本方面具有优越的实用价值。数据表明FQCW266nm激光器,可以完美的加工FBG光栅。包括SMF-28光栅,超过倍频离子激光器。氢加载的光纤具有优越的结果,但不含氢的几款掺杂光纤,也可以加工FBG光栅。
 


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