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基于飞秒激光的特种光纤光栅制备技术

2016-11-17 14:23
潇纵
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  光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点,并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感,因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

  随着科学技术的不断发展光纤在通信及传感领域的应用越来越广泛已经渗透到一些特殊的环境中。例如油井下的高温高压、高腐蚀性环境,核电站、宇宙空间等射线环境中,这些环境中,传统的光纤会在外界环境影响下,造成光纤的永久性损伤,传输损耗增加,限制了光纤的使用。

  光纤在上述环境中使用,造成光纤损伤的原因主要包括氢元素对光纤纤芯的损伤,以及射线对光纤结构的破坏带来的损伤。为了避免上述情况的发生,需要对光纤的结构及成分进行特别处理。研究表明,氢元素通过与光纤纤芯中的离子发生反应,破坏纤芯的结构,导致传输损耗增加;而射线则是通过传递能量,使纤芯中原子的外层电子发生跃迁,引起光纤性能恶化。为了避免以上情况的出现,降低其带来的损害,需要采用特殊结构或材料的光纤。研究证明,采用包层掺氟,纤芯为纯二氧化硅的光纤,能够大大降低氢损和射线的影响。

  但是,这必将带来新的问题,即在上述光纤纤芯中制备光纤光栅,用于油井下的高温高压、高腐蚀环境,核电站、宇宙空间等射线环境下的光纤光栅传感监测中。由于传统的光纤光栅制备方法是基于准分子激光曝光的方法制备光纤光栅,要求使用的光纤纤芯具有高的光敏性,需要在光纤纤芯中掺杂锗元素和硼元素。而纯二氧化硅纤芯,不具有光敏性,无法采用传统方法制备光纤光栅。

  

  而一种基于飞秒激光的新型的光纤光栅制备技术很好的解决了上述问题。使用飞秒激光技术,是利用了飞秒激光瞬时能量高、非热加工、加工精度高等优点,系统结构请见上图。采用800nm的飞秒激光器,经光束整形后,通过显微物镜聚焦后,会聚于光纤纤芯之上。由于无法直接观测焦点位置是否位于光纤纤芯,需要通过背向CCD,通过观察背向光斑形状,判断焦点位置。同时,接上宽带光源和光谱仪,能够实时监测光栅制备过程中,光谱变化,判断光栅制备情况。

  通过飞秒激光技术制备光纤光栅,相对于传统方法,不仅能够在非光敏光纤上制备光栅,如:纯二氧化硅光纤、氟化物光纤等,还具有其他优点。首先,飞秒激光制备,不需要使用相位模板,因此可以摆脱相位模板的限制,理论上可以制备任何反射波长的光纤光栅,例如在氟化物光纤制备2um、3um光纤光栅;其次,800nm的飞秒激光能够透过光纤的涂覆层(丙烯酸酯、聚酰亚胺等),因此,制栅过程中不需要剥除光纤涂覆层,使制备的光纤光栅强度大大提高。更主要的,准分子制备的光纤光栅,无法承受高温度,当温度高于150度,光纤性能开始退化,而飞秒激光制备的光栅,耐温能够达到1000度,能够使用在高温环境中。

  因此,飞秒激光制备光纤光栅技术的出现,大大解决了光纤光栅传感技术在多种恶劣环境中的应用问题。应用于油气工程领域,光纤光栅必须具备抗氢损的性能,很多情况下还需要耐受300度的高温;而在光纤激光领域,2um、3um光纤激光系统需要采用氟化物光纤光栅;在核电站、宇宙空间等射线环境中,光纤光栅需要承受很高的射线能量。在这些特殊的恶劣环境中,飞秒激光制备的光纤光栅能够满足所有的特殊要求,使得光纤光栅传感技术的应用领域大大扩展。

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