光纤光栅刻写制备平台报告

为了实验制备光纤光栅，借助于与南京普天通信股份有限公司的合作项目，我们研制了基于相位掩模技术的FBG刻写平台。

1．光纤光栅刻写平台

图1光纤光栅写入系统示意图

图2 光纤光栅写入系统实物图

本实验室研制了一套完整的基于相位掩模法的FBG刻写平台。其框架示意图与实物图分别如图1、图2所示。该FBG刻写平台由248 nm KrF准分子激光器、FBG刻写光路、相位掩模板、成栅监测系统以及FBG的退火系统组成。如图1所示，该光路通过宽度可调节光阑，调节光斑的大小，利用两面共焦的柱面镜组成的扩束镜，对光斑进行准直，但是减少发散角的同时会导致光斑扩散变大，需要经过柱透镜对激光能量进行汇聚，提高脉冲的单位能量。在此经过柱透镜之前，还有一个变迹幅度模块，可以用于砌趾光纤光栅的制作。接着是一个调节光斑宽度的光阑，用于控制光纤光栅的长度。最后是相位掩模板上，它是光纤光栅成栅的关键因素之一。光纤光栅成栅监测系统用以实时监测光纤光栅的“生长”状况，主要由型号为AQ6370D的光谱分析仪、SLED全带宽光源和环形器等组成。

2．紫外光源

光纤光栅通常采用紫外曝光来制作光纤光栅，对于刻写光纤光栅而言，高脉冲能量的激光源是至关重要的，并且激光器良好的空间相干性对刻写光纤光栅的质量也有着极大的影响。准分子激光器是一种气体激光器，其工作气体由惰性气体与化学性质较为活泼的卤族气体混合而成。而本实验室的FBG刻写平台中采用的是由美国相干公司生产的波长为248nm 的KrF准分子激光器，其型号COMPexPro110。该准分子激光器的工作波长为248nm，最大脉冲能量为200mJ，最大重复频率为100Hz，平均功率为15W，脉冲宽度为20ns，光斑尺寸，时间相干长度为，空间相干长度为。因此该准分子激光器具有较高的脉冲能量和良好的空间相干性，不仅仅可以用于常规的单模FBG刻制，还可以用于大芯径的特种FBG的刻制。

该激光器的实物图如图2所示，它是一个封闭的激光系统，只由留有一些接口与外界交互，工作气体为0.12%氟气、2.30%氦气、3.03%氪气、94.55%氖气混合气体及纯度99.995%氦气，分别由两个钢化瓶通过管道供给，如图3所示。

准分子激光器中的填充在谐振腔的工作气体，使用一段时间后，因为腔内污染等因素导致气体不纯而使得其能量会逐渐降低，图4为准分子激光器使用时长对应的能量衰减图，从图中可以发现：施加的电压越高，其所释放的脉冲能量越大，随着使用时间的增加，相同电压下的脉冲能量逐渐降低，所以为了保证激光器的正常使用，每隔两个星期左右就要为激光器进行一次换气。

图5 激光器控制面板

准分子激光器可以通过如图5所示的激光器控制面板来对激光器进行操作。该控制面板可以控制激光脉冲的发射和停止，可以设置脉冲的能量和频率，可以切换激光器的两种工作模式（恒电压模式和恒能量模式）。恒电压模式下激光器的放电电压不变，但是随着激光器的使用时间变长，其能量会衰减；而恒能量模式通过自动升高电压来弥补激光器使用时的能量衰减，使得激光器输出的脉冲能量保持不变。为了得到较高的脉冲能量和较快的刻写速率，通常要设置激光器处于高电压和高频率的工作模式，由于长时间处于这种状态下，激光器内部会因为温度过高，而影响激光器的稳定和使用寿命。因此本实验为激光器提供了一套水冷装置，对激光器的内部进行降温，使其保持稳定的工作状态，延长激光器的使用寿命。

3．刻写平台光路

FBG刻写的光路的是整个刻写系统中的重要组成部分，它通过精确设计的光学反射镜、扩束准直透镜组、聚焦柱透镜及矩形光阑，对紫外光束进行准直、扩束、幅度的调控和聚焦，将紫外激光发射的光斑，汇聚为，从而使得能量汇聚到光纤上制备出高质量的FBG。

FBG刻写的光路都是精密设计的，系统的晃动都会影响激光脉冲的质量，从而影响FBG的刻写。因此，本实验的整个光路都固定在一个独立的精密隔振平台上，如图2所示，为了降低激光器振动对光路的影响，分别将激光器和光路放置在两张隔振平台上。其主要包括紫外激光光路模块、相位掩模板调节模块、光纤夹持模块。激光光路模块包括光束整形、光束准直、幅度变迹和光束汇聚四个部分。相位掩模板调节模块是相位掩模板的夹持模块，它是一个固定在底座上二维调节架，它有一个凹槽用于夹持3相位掩模板，通过调节上下旋钮可以调节相位掩模板的高度，使得透过聚焦镜的光束刻写垂直照射在相位掩模板上，通过调节前后平移旋钮，使相位掩模板与光纤处于合适的距离。光纤夹持模块与相位掩模板夹持模块固定在同一个底座上，由光纤夹持和拉力调节两部分组成，光纤夹持由两个夹持凹槽组成，其中一个凹槽固定，而另一个凹槽与拉力计连接，可以通过拉力计的示数控制光纤拉力的大小。

图7 相位掩模板加持模块和光纤加持模

4．光纤光栅刻写设备

5．相位掩模板

相位掩模板是由高质量熔融石英衬底上周期性凹槽组成的一种衍射光学器件，通常采用电子束法或全息法制备。

图4-10 相位掩模板实物图

图10为本实验所使用的一块均匀相位掩模板实物图，其周期1072.5nm，栅区尺寸为，0级衍射为2.6%，级衍射为35.8%，-1级衍射为35.8%。此外本实验室还有一块周期1070.5nm，栅区尺寸，0级衍射为1.7%，级衍射为35.3%，-1级衍射为35.1%的均匀相位掩模板和一块平均周期为1141.5nm，栅区尺寸为，啁啾系数为10nm/cm，0级衍射为2.8%，级衍射为34.6%，-1级衍射为34.2%的线性大啁啾的相位掩模板。

6．光纤光栅成栅监测系统

图11  SLED宽带光源输出谱

在FBG刻写过程中需要对其的动态“生长”过程进行实时的监测，最简单有效的方法就是通过FBG的透射谱或反射谱来实时监测其写制情况，因此，我们在实验中搭建了一套FBG成栅监测系统，该系统主要由宽带光源、光谱分析仪、环形器、活动连接头等组成，其输出谱如图11。

图12 FBG制备监测系统

图12为FBG制备监测系统示意图。SLED宽带光源发出宽带光，从环形器口1进入，从环形器口2射出，入射到正在写制的FBG上，根据FBG波长反射原理，满足布拉格条件的波长被反射回去，由环形器口2进入，从环形器口3射出，此时若将光谱仪的接口1与接口2连接即可以观测到刻写FBG的反射谱，没被FBG反射的光经过FBG从接口3射出，若将光谱仪接口1与接口3连接则可以观测刻写FBG的透射谱。系统中的两个活动连接头可以方便FBG的连接，省去光纤的熔接步骤，较为灵活。

7．光纤光栅退火系统

使用载氢光纤制作FBG时，为了保证FBG在实际应用中的稳定性需要对其进行退火处理。这样可以加快逸出纤芯和包层中的氢分子，使得纤芯和包层的折射率回复稳定值。此外，退火处理还会破坏FBG写入后纤芯中形成的一些不稳定的Ge-OH和Si-OH键，释放在制作过程中FBG受到的微小应变，使FBG的折射率变得稳定，但是也会使得纤芯的折射率有所降低。因此退火处理，虽然会使FBG更加稳定，但是由于退火后的折射率变小，会使得光纤的中心波长向短波方向漂移，FBG的反射率下降。

为了对刻写的FBG进行退火处理，使其具有更好的稳定性，实验采用上海沪升仪器的恒温炉，其实物图如图13所示，退火操作为将刻写好的FBG置于恒温炉中（温度一般为）烘烤12小时左右。

图13 FBG高温退火炉