飞秒激光制备FBG以及FBG在光纤激光器中的应用

封底文章|吕瑞东,陈涛,范春松,司金海,侯洵. 飞秒激光制备的光纤Bragg光栅在光纤激光器中的应用 [J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(11): 111426.

《激光与光电子学进展》于6月份出版了“超快激光加工”专题。其中,西安交通大学侯洵院士团队的司金海教授课题组发表的题为“飞秒激光制备光纤Bragg光栅在光纤激光器中的应用”的综述文章被选为当期的封底文章。文章论述了光纤布拉格光栅(FBG)利用飞秒激光制备的方法、特点及其在光纤激光器应用中的优势,并对未来发展方向进行了总结与展望。

撰稿| 陈涛,司金海,侯洵

研究背景

光纤激光器在传感、光纤通信、激光加工等领域具有重要的应用,光纤布拉格光栅(FBG)是构成全光纤激光器的关键器件。

传统FBG主要是利用紫外连续激光或准分子脉冲激光在光敏光纤上刻写而成。由于该技术很难在各种有源光纤中直写刻写FBG,因此目前光纤激光器一般是将传统无源FBG与有源光纤熔接而成,但是这种异质光纤熔接带来了损耗及模式不匹配等问题。此外,这种FBG在400℃时会被擦除,很难适用于高温环境。

飞秒激光FBG制备技术具有适用光纤材料范围广、制备的FBG折射率调制度大、带外损耗小、耐高温等优点。利用飞秒激光可以在有源光纤上直接刻写FBG,实现一体化的全光纤激光器。

飞秒激光制备FBG的方法及特点

刻写FBG的飞秒激光光源主要有掺钛蓝宝石飞秒激光放大器和掺镱飞秒激光放大器及其倍频和三倍频激光,波长范围在266 nm到1030 nm之间。

飞秒激光刻写FBG的常用方法包括相位掩模板法和直写法

相位掩模板法

相位掩模板法刻写FBG装置如图1所示。该方法主要利用掩模板后±1级衍射光的干涉效应在光纤内诱导出FBG结构,其周期为掩模板周期的一半。

为使FBG结构完全覆盖纤芯区域,刻写FBG时通常还需要使激光垂直于光纤轴横向扫描。这种扫描相位掩模板法不仅可用于制备大模场FBG,还可以使FBG覆盖到包层以抑制包层模响应。

相位掩模板法对光源的相干性要求较低,制备FBG的稳定性和重复性好、损耗低,特别适用于制备高承载功率的FBG。然而该方法制备的FBG波长依赖于掩模板周期。

图1 飞秒激光相位掩模板法制备FBG装置图

直写法

飞秒激光直写法是利用显微物镜将激光聚焦到光纤纤芯,利用电控平移台拉动光纤垂直于聚焦激光快速移动,从而逐个诱导出周期结构。

直写法最先采用的是逐点扫描法,后来又发展出了连续纤芯扫描法以及逐面扫描法等技术,以抑制逐点扫描刻写FBG的损耗和双折射特性。图2展现了不同直写方法的扫描路径和加工FBG的显微图像。

飞秒激光直写法可以灵活调控FBG的周期、长度、折射率调制度分布,然而这种方法对光纤运动精度和稳定性要求极高,使用该方法制备的FBG易在短波长处产生较强损耗,用于高功率激光器时易产生光学损伤。

图2 飞秒激光直写法制备 FBG 的装置图

飞秒激光制备的FBG在光纤激光器中的应用

光纤激光器采用掺杂稀土离子的有源光纤作为增益介质。根据掺杂稀土离子的不同,光纤激光器的输出波长覆盖了近红外(掺杂铒、镱、铒镱共掺等)和中红外波长(掺杂铥、钬、镝、铒等)。近红外光纤的主要基质为石英玻璃及磷酸盐玻璃。而中红外激光器主要采用氟化物玻璃及硫化物光纤。

另一方面,从光纤纤芯直径、模式来看,目前光纤激光器所用的FBG主要有小纤芯直径的单模光纤、多模光纤和大模场光纤。其中大模场光纤主要用于高功率激光器。光纤材料、掺杂离子是决定刻写FBG的机制、性能的关键因素,而光纤材料基本上决定了光纤激光器输出波长的范围。

单模光纤近红外激光器

单模光纤是光纤激光器中使用最为广泛的光纤。近红外光纤激光器主要以掺铒、掺镱和铒镱共掺有源光纤为增益光纤,输出波段分别在C+L段和1030~1100μm。

利用飞秒激光在有源光纤刻写FBG构成的光纤激光器结构主要包括分布布拉格反射式(DBR)光纤激光器和分布反馈式(DFB)光纤激光器。其中,DBR光纤激光器结构简单紧凑、稳定性好。通常,DBR光纤激光器以高反射率和低反射率的FBG作为腔镜实现激光输出。作者团队提出一种倾斜布拉格光栅(TFBG)作为输出镜的DBR光纤激光器及其飞秒激光倾斜扫描制备方法,实现了光谱信噪比达65 dB的DBR单纵模光纤激光器,其可以在550℃稳定工作,结果如图3所示。

图3. 基于 FBG 的耐高温光纤激光器及输出激光特性. (a1) DBR 光纤激光器结构图; (a2 ) 激光输出波长与温度的关系,插图为不同温度下输出光谱; (a3) 不同温度下输出功率的稳定性

飞秒激光刻写的FBG在耐高温光纤激光器中有重要应用。目前,基于紫外准分子激光刻写FBG实现的DBR光纤激光器能够在750℃高温下工作。加拿大国家通信研究中心研究人员利用飞秒激光刻写FBG实现的DBR光纤激光器可以在高达850℃的温度下工作。作者团队利用飞秒激光制备的离心FBG作为输出镜,实现了能在1000℃稳定工作的DBR单纵模光纤激光器,结果显示在图4中(Applied Optics, 59(10):3081-3085, 2020)。通过改变光栅区域距离纤芯中心的位置即可制备出不同反射率的FBG,并且能够保证FBG具有一致的温度稳定性。


图4. 基于TypeII型FBG的耐高温DBR光纤激光器输出光谱特性及高温稳定性. (a)不同温度下激光器的输出光谱; (b)激光器在1000℃下工作5h的波长和功率稳定性.

此外,基于飞秒激光刻写FBG的双折射特性,还可以实现单偏振激光输出。利用飞秒激光在比石英基有源光纤有更高增益的磷酸盐光纤中刻写FBG,实现了500 mW以上的单频激光输出。 

中红外波段光纤激光器

中红外光纤激光器在相干多普勒激光雷达以及引力波探测等领域具有独特应用。中红外有源光纤掺杂稀土离子主要包括铥、钬、镝、铒等。

由于石英玻璃对2 μm以上波长光损耗大,波长大于2 μm的中红外光纤激光器多采用硫化物和氟化物(ZBLAB)光纤。氟化物光纤质地脆弱易断,利用飞秒激光隔涂覆层加工能够有效解决这个问题,增强了FBG的鲁棒性。

目前利用飞秒激光已经在各类有源ZBLAN光纤中制备了FBG反射腔镜,实现了输出波长在2.6 μm~3.8 μm的中红外光纤激光器。图5为基于飞秒激光制备的FBG掺铒ZBLAN光纤激光器装置及输出光谱图。

图5  基于飞秒激光制备的氟化物FBG光纤激光器装置及输出光谱图.(a)实验装置; (b)不同输出功率下的光谱.

大模场光纤激光器

采用小纤芯直径光纤的光纤激光器因非线性效应限制,输出功率很难提升。大模场光纤可有效抑制非线性效应影响,实现高功率激光输出。

目前高功率光纤激光器中所使用的大模场FBG仍然是利用传统紫外光方法刻写的无源FBG,需要与大模场有源光纤熔接构成光纤激光器。高功率光纤激光器中熔接点极易形成热点引起破坏,对激光器的模式稳定性也有影响。

最近,耶拿大学和弗朗恩霍夫研究所的研究人员利用飞秒激光结合相位掩模扫描技术,直接在掺镱大模场光纤中写入FBG作为反射腔镜,所构成的光纤激光器输出功率达1.9 kW,避免了高功率光纤激光器中FBG的熔接问题。此外,该团队利用飞秒激光在20/400 μm无源光纤中刻写FBG与掺镱光纤熔接而成的激光器,输出功率在5 kW以上,结果如图6所示。FBG承载的激光功率达到甚至超过了相同直径的传统大模场FBG。

图6. 基于飞秒激光制备的大模场FBG光纤激光器装置图及输出激光特性. (a) 双向泵浦全光纤振荡器装置;(b)输出功率与泵浦功率的关系,插图为输出功率Pfib =4.8 kW时导模的近场图像.

对于大芯径的少模大模场光纤激光器,利用飞秒激光能够灵活控制写入FBG位置及折射率分布,实现激光横向模式和偏振的选择。这对在大模场光纤中实现模式抑制及单模激光有重要意义。

总结与展望

光纤激光器对FBG的损耗和模式具有极高的要求,如何实现飞秒激光诱导光栅结构物性的精确靶向控制及结构均匀的大横截面FBG制备,降低飞秒激光制备FBG的损耗,提高其稳定性及承载功率,是飞秒激光制备FBG在光纤激光器中实用化的关键。

飞秒激光制备的FBG诸多特性赋予了它广阔的应用前景,随着各类光纤激光器的不断发展,基于FBG的光纤激光器将会为科学、国防、工业及日常生活增添新的活力。

 

《激光与光电子学进展》于6月份出版了“超快激光加工”专题,此专题共收录论文31篇,包括22篇特邀综述和4篇特邀研究论文。专题分别以“穷理探幽—基础篇”“雕微琢纳—技术篇”“致用兴业—应用篇”三个专栏进行介绍,涵盖超快激光在微纳结构制备、光通信、光电器件、光存储、仿生功能表面、生物医学等方面的前沿工作。

课题组介绍

西安交通大学司金海教授课题组主要开展超快非线性光学与器件、飞秒激光微纳加工等超快光子技术应用基础研究。近年来,在适用于发动机燃料喷雾近场区诊断的飞秒光克尔门选通弹道光成像技术、非线性光学材料及其超快动力学过程研究、基于耐高温FBG的单纵模光纤激光器和光纤传感技术、碳化硅和金刚石等硬脆材料高纵横比微孔的飞秒激光加工技术等方面取得了创新性研究成果。