1、分 类 号 学号 M200972802 学 校代 码 10487 密 级 硕 士 学 位 论 文 飞秒激光制备光纤光栅及其传感特性研究 学位申请人： 王海岩 学科专业： 光 学 工程 指导教师： 李玉 华 副教授 答辩日期： 2011.12.29 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Femtosecond Laser Fabrication of Fiber Bragg Grating and Investigati
2、on of Its Sensing Applications Candidate : Wang Haiyan Major : Optical Engineering Supervisor : Associate Prof. Li Yuhua Huazhong University of Science its content can be divided into the following four parts. 1. Introduction of relevant theories about FBGs, mainly about the coupled mode theory. The
3、re is also a brief analysis of ionization mechanism happened during the interaction between the femtosecond laser and dielectrics. 2. A brief introduction of the FBG fabrication system, including relevant equipments, their parameters as well as their setup. Then, there is a detailed introduction abo
4、ut the procedures of adjusting the optical path. 3. Fiber Bragg grating (FBG) was fabricated by using femtosecond laser pulses, and based on which Tilted Fiber Bragg Grating (TFBG) was fabricated by using femtosencond laser pulses. 4. The fabricated TFBG can detect the orientation and magnitude of t
5、he bending at any directions based on the asymmetric change of refractive index in two dimensions. The experiment results agree well with the theoretical prediction. Key word: Fiber Grating Tilted Fiber Bragg Grating Femtosecond Laser Directional Bend Sensing 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III 目 录 摘 要 . I
6、ABSTRACT . II 1 绪论 1.1 研究背景 . (1) 1.2 光纤光栅的发展现状和研究意义 . (1) 1.3 倾斜光纤光栅的研究进展 . (3) 2 光纤光栅原理及制备方法 2.1 光纤光栅的理论模型 . (4) 2.2 光纤光栅制备方法 . (9) 2.3 光纤光栅的应用 . (10) 2.4 本章小结 . (12) 3 飞秒脉冲激光制备光纤布拉格光栅的实验研究 3.1 飞秒激光制备光纤光栅的机理 . (13) 3.2 飞秒激光制备光纤光栅的实验系统 . (17) 3.3 光纤光栅的制备及其特性 . (20) 3.4 本章小结 . (24) 4 倾斜光纤光栅用作多方向弯曲传感
7、的实验和理 论研究 4.1 倾斜光纤 光栅的模式特性 . (25) 4.2 倾斜光纤光栅用于多方向传感的机制和理论模型 . (28) 4.3 倾斜光纤光栅用于多方向弯曲传感的实验结果及理论解释 . (29) 4.4 本章小结 . (36) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 5 总结和展望 (38) 致 谢 (39) 参考文献 (40) 附录 1 攻读学位期间发表论文目录 (44) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 研究背景 1978 年， Hill 等 1首先用氩离子激光器通过驻波法写出了第一支光纤光栅，成为研究光纤光栅的起点。 1989
8、 年， Meltz 等 2首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤布拉格光栅（ Fiber Bragg grating，简称 FBG），是光纤光栅的巨大发展，成为光纤光栅传感应用的里程碑。 1993 年， Hill 等 3首次提出相位掩模板法刻写光纤光栅，极大改进了光纤光栅的制作技术，使光栅更加便于大批量生产。 1993 年， Malo 等 4首次提出了利用准分子激光逐点刻写光纤光栅。 这种使用准分子激光的方法已经成为了刻写 FBG 最常用的方法，但它存在一定的缺陷。首先，FBG 的性质 高度依赖于光纤纤芯中掺杂的材料性质；其次，光栅中的折射率调制很容易在高温环境下被擦除
9、。 1999 年， Yuki 等 5第一次利用飞秒激光脉冲通过逐点写入法制 作了长周期光纤光栅。自此，利用飞秒激光脉冲刻写不同类型的光纤光栅成为研究热点。 近年来，人们对 FBG 的兴趣越来越大，主要有两个方面的原因： 1) FBG已经成为光纤通信系统中关键的无源器件 （ 如：波分复用器等 ） ； 2) FBG 能够对一些重要物理量（如：温度，弯曲，应力等）进行准分布式测量。 光纤光栅具有可以灵活设计的优良滤波特性和对外界环境的敏感特性，因而被广泛应用于光通信领域和传感领域。 1.2 光纤光栅的发展现状和研究意义 光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性制成的。所谓光纤的光敏特性是指一束特定波长的强激
10、光通过掺 杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应变化的特性。由此产生光纤折射率的周期性调制，并可以被稳定的保存下来，所以这种现象也称为光致折射率变化效应。光纤光栅不受电磁干扰、耐高温、抗腐蚀，适合于在恶劣场所和困难环境下工作。与其他器件相比，它还具有体积小、波长选择性好、频谱特性丰富、易于与光纤系统连接、损耗小、便于使用和维护等优越性能，这是华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 其他许多器件所无法替代的。光纤光栅在光纤通信系统中被广泛应用，为光放大、光发送、光纤色散补偿等多个方面提供了新的技术手段，被认为是继掺饵光纤放大器技术（ EDFA）和波分复 用技术（ WDM）之后
11、光纤技术的又一重大突破。 光纤光栅除了在光通信和光信号处理方面得到了广泛应用以外，由于其耦合波长对外界温度和应力变化敏感， 光纤光栅还被广泛用作为传感元件。这种光纤传感方法的突出优点在于探测的是耦合波长，不受光纤损耗及光源强度起伏的影响。 目前为止，人们对光纤光栅的机理、特性、制作及其应用进行了深入研究，并取得了很大进展。国际上，光纤光栅的制作技术已经趋于成熟，能在几乎所有种类的光纤上写入光纤光栅，得到不同的光谱特性，并逐渐开始进入到实用化、商品化阶段，可进行批量生产，使用寿命预计在数十年以 上。基于光纤光栅的光子学器件也已经大量出现在通信系统中，其技术指标都达到了较高的水平：中心波长的反射率
12、达 99.99%，反射带宽最窄可以做到小于 0.01nm，宽的可大于 40nm，并能实现 Moire光栅、取样光栅等许多复合结构的光纤光栅。国内自 1996年左右开始进行光纤光栅的研究工作，主要有清华大学、北方交大、南开大学、上海光机所、武汉邮科院等大学和科学研究院所，涉及光栅的机理、特性、制作技术（尤其是非均匀周期光栅的写入技术）、封装技术以及光纤光栅在光器件和系统中的应用等，取得了阶段性的成果，在高端技术方面也申 请了相当数目的专利。同时，在产业化方面取得了长足的进步，已有公司能够正式提供满足通用要求的光纤光栅产品，技术发展的空间很大。近年来主要的研究集中在： （ 1） 光纤光栅的基本特性
13、，包括光纤光敏性机理的研究和改变光纤光敏性的途径； （ 2） 光纤光栅的制作方法及制作工艺，尤其是对新型的写入技术和新型的写入波长的研究； （ 3） 光纤光栅的增敏、去敏，以及高稳定性的封装特性的研究； （ 4） 光纤光栅在光纤传感和光纤通信等方面的应用技术研究 4,5。 到目前为止，人们对光纤光栅的研究已经进行了 20多年，其中光纤光栅的各种设计、制作和 应用层出不穷，但是由于没有足够详尽的实验数据以及光纤光栅自身物理性质的复杂性，其内在机理仍然没有一个完整的解释，因此对于光纤光栅的研究仍然具有非常大的意义和价值。目前，国内在光纤光栅及其相关器件的产业上已华 中 科 技 大 学 硕 士 学
14、位 论 文 3 经取得较大进步，初步形成了一系列光纤光栅的设计制造技术及其相关的应用技术，同时有必要进一步开发和研究光纤光栅的相关产业并拓展其应用领域；另外，光纤光栅技术还可以较完整地转移到光波导器件上去。因此，发展好光纤光栅的各项技术，不仅可以更加完善国内在该领域的各项技术储备，也为其他领域的技术更新 打下 坚实的基础 6,7。 1.3 倾斜光纤光栅的研究进展 倾斜光纤光栅（ Tilted Fiber Bragg grating）是一种结构相对复杂的短周期光纤光栅。和普通光纤光栅一样的是，它在轴向具有周期性的折射率变化。与普通光纤光栅不同的是，它的折射率变化的条纹与光纤轴向存在一定的夹角，这
15、就使得它具有与普通光栅所没有的特性。 1990年， Meltz等人 8首次提出了 TFBG的模型，并初步讨论了在相位光栅中通过引入一定的倾斜角度能够不同程度的加强和控制模式的耦合。 1996年， T.Erdogan与 Sipe9运用耦合模理论， 对 TFBG的导模、包层模和辐射模之间的模式耦合以及传输谱特性进行了研究，得到了 TFBG的谐振波长、带宽、耦合系数、传播常数等参数的具体表达式及其与光栅周期、有效折射率的关系，从理论上语言了倾斜角度对光谱特性的影响，与实验结果符合的很好。之后， T.Erdogan等人进一步对该理论进行了完善 10。 2001年， Li Yufeng等人 11在耦合模
16、理论的基础之上，采用体电流法对 TFBG的相位匹配条件、波长相关性、方位角分布、偏振相关性等方面进行了研究。 2002年， Seungin Beak等人 12对不同微弯 方向的 TFBG的透射谱进行分析归类，通过对 TFBG透射谱的 LP11模式的谐振峰强度的检测，实现了一种微弯传感器。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 2 光纤光栅原理及制备方法 本章简要介绍光纤布拉格光栅的理论模型，以及基于耦合模式理论计算光栅的透射谱和反射谱的方法，并且进行了模拟计算。介绍了理论基础之后，本章还简要介绍了刻写光纤布拉格光栅的几种常用方法，包括全息法，相位掩膜法，点对点刻写法。 2.1 光
17、纤光栅的理论模型 2.1.1 耦合模式理论 耦合模式理论通常用来描述描述光纤光栅的光谱和光纤光栅的结构之间的关系。 虽然也可以使用 别的理论模型来解释光纤光栅，比如说体电流法，但我们选用耦合模式理论，因为它更简洁直观，可以精确地描述光纤光栅的光学特性。在这里，该理论的简化与假设包括： （ 1） 光纤是单模传输的并且传输无损耗（只需要考虑前向和后向传输的两种模式）。 （ 2） 光纤是弱导光纤，即 nconcln，这样就可以认为光纤中传输的近乎都是横向场，可以使用线偏振模来简化计算。规定光纤的轴向为 z方向，假定电场是 x 方向偏振的，其随时间的变化可以用 exp(-it)来表示。向前传输的光的传
18、播常数为 0，频率为 0，可以用 exp-i(z-t)来表示。光栅可以看作是对光纤折射率调制的扰动来处理，未刻写光栅的光纤折射率调制轮廓可以用 ,n xy 来表示，已经刻写了光栅的折射率应该用 ,n x y z 来表示 6。总电场的表达形式是正向传播和反向传播两种模式的叠加： 11, , , ,xE x y z b z x y b z x y (2-1) 其中的系数 1b 包涵了该传播模式对 z 方向的依赖性。很明显， 1b 和频率存在一定关联性，因为它包含有传播因子 exp(iz), 其中 =()=neff/c=neffk，是标量传播常数6。 ,xy 表示电场在横向的变化，在未写入光栅的光纤
19、中， ,xy 满足 以下 方程 2 2 2 2,0t k n x y (2-2) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 其中 222t xy ， k=/c 是真空中的波数。而写入光栅之后， ,xy 必须满足以下标量方程 2 2 2 2 2, , 0txk n x y z z E (2-3) 把 (2-1)代入 (2-3)中，可得到 2 2 2 2 21 1 1 12 0d b b k n n b bdz (2-4) 上式乘以 ，然后在 xy 平面内积分可以得到 22 2111 1 1 122 20cod b d b k n D z b bd z d z (2-5) 这里定义 2
20、2 211 22 cok n n d AnDzdA (2-6) 上述公式中的折射率 nconeff，是光纤纤芯折射率的一个近似值；其积分区域是整个 xy 平面。 方程 (2-5)可以分解成以下这组一阶微分方程。 11 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1db i D b iD bdzdb i D b iD bdz (2-7) 以上的方程分解把 (2-1)表述的总的场分解成了前向和后向传播的的两个分量。事实上，当 nn 时，方程 (2-7)的解就简 化为 11e x pb z B i z，其中 B是常数，b分别表示前向和后向传播的模式。当光纤中没有写入光栅时，即 nn 时，两种模式各自独立
21、传播互不影响；如果光纤中已经写入了光栅，那么 D11 就不等于零，两种模式之间就会相互耦合 6。 对于一个光纤光栅来讲，其折射率在 z 轴方向的分布近似正弦变化，可以表示成如下形式， 22,2c o sr a c r d cn n z z z z (2-8) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 其中， 表示光纤光栅的周期， (z)相对于周期 来说是一个变化非常缓慢的量， r,ac(z)和 r,dc(z)都是变化非常缓慢的量，因此可以把 D11 表示成准正弦的函数 11 22e x p ( ) e x p ( )D z i z z i z z (2-9) 其中 (z)是一个相对于
22、 z 变化非常缓慢的复函数； (z)是一个实函数，用来表示折射率直流分量相对于 r,dc(z)的变化 6。 为了简化 (2-7)的方程组，定义新的场振幅 u 和 v， 1 01 0e x p e x pe x p e x pzzb z u z i i z d zb z v z i i z d z (2-10) 将 (2-9) 和 (2-10)代入方程 (2-7)，其中那些快速振荡的项对强度的增长或衰减作用有限，因此可以忽略掉，于是就得到了简化的耦合模式方程， du i u q z vdzdv i v q z udz (2-11) 在上式中，定义波数的失谐量 =-/，耦合系数 q 的定义如下 0
23、( ) e x p 2zq z i z i z d z (2-12) 必须注意的是 (2-10)式中所有的相位因子相对于传播常数 来说是独立的，也即相对于 独 立。因此，一旦确定了参考平面就只需要处理 u 和 v 两个新变量，因为它们和b1 只相差一个恒定的相位差。例如，可以通过计算 v(z0)/u(z0)来确定反射系数 b-1(z0)/ b+1(z0)的值，因为两者之间只相差一个恒定的相位因子。另外，必须注意函数 u， v和 q 相对于周期 都是缓慢变化的 6。 要对耦合系数的物理意义有直观的理解，有必要考察一下光栅参数和耦合系数之间的联系。 一般情况下我们认为折射率的调制仅仅发生在纤芯内，
24、而包层的折射率并不发生变化。此外，如果假设折射率调制均匀地发生在纤芯当中，就可以得 到关于 D11 的如下表达式 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2211 2 cokD z n nn (2.13) 其中， 表示该模式分布在纤芯当中的能量。把 (2-8)代入 (2-13)，然后和 (2-9)比较，可以得到 2=kr,ac/2nco, =arg, =kr,dc/2nco。因为折射率的变化非常小，可以认为 r=( nco2)=2 nco n。根据 (2-12)，可以计算出 q(z)的模和幅角。 0a r g 2 2aczdcnzqzq z z k n z d z (2-14) 通
25、过以上分析，耦合系数 q 的物理意义大致可以表述如下， q 的模正比于折射率的调制深读，即折射率变化的峰峰值； q 的相位对应于光栅的额外的光相位或相位包络；由于折射率直流分量的增加， (2-14)中的 (z)和积分项是对光栅的空间相位的修正。 q的幅角表示除 2/以外的光纤光栅的额外的空间频率 6。 2.1.2 单周期和高斯切趾光栅的模拟结果 以上的基于耦合模式理论的计算过程都没有考虑到对光栅进行切趾的问题，没有经过切趾处理的光栅的反射谱 会有很强的边带。这里，选取均匀调制的单周期光图 2-1 利用耦合模式理论计算的光栅反射谱 (该光栅的长度为 5mm, 折射率调制深度为 110-5，折射率
26、调制呈正弦分布，未经切趾处理 ) 1549. 4 1549. 6 1549. 8 1550 1550. 2 1550. 4 1550. 60 0. 20. 40. 60. 81 波长 (nm )归一化反射率华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 栅和经过高斯切趾处理的单周期光栅来进行相关模拟。使用的模拟软件是Opti-Grating，对光栅的设置如下：长度 =10000m，折射率调制 =0.0001，设置为单周期。 使用高斯切趾前后的反射谱和透射谱分别如图 2-2(a)和 (b)所示。可见，切趾处理对于反射谱的边带具有很强的抑制作用，但在光栅长度不变的情况下，反射率会有图 2-2
27、(a)正弦调制的但周期光纤光栅的透射谱和反射谱 (b)经过切趾之后的透射谱和反射谱 ( a )波长 (m) 反射率和透射率(dB)( b )波长 (m) 反射率和透射率(dB)华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 所下降。 2.2 光纤光栅制备方法 在工业界广泛应用 UV 光源作为刻写光纤光栅的光源 ，而在这其中又以工作波长在 248nm 的准分子激光最为常见。近年来，随着飞秒激光器的普及，使得飞秒激光制备光纤光栅变得越来越普遍。飞秒光源对光纤纤芯的光敏性要求降低很多。产生周期性干涉场的方法有很多，主要包括全息法、相位掩膜法和点对点的光栅刻写方法。下面分别进行简要介绍。 首先介绍
28、相位掩膜法，这种方法主要通过相位掩模板来实现。相位掩模板是一块表面刻有光栅条纹的石英基片，它的零级衍射被抑制了，因而是一种特殊的透射式光栅。它的正负一级光束在相位掩模板后面相互 干涉，形成了一个光强呈正弦分布的光场，如图 2-3 所示。相比于全息法，这种方法尤其便于进行光路调整，它对光路的稳定性和光束的空间相干性的要求很低，因此适用于大批量制备光纤光栅。这种方法的主要缺点是，特定的相位掩模板只能用来刻写特定波长的光纤光栅，如果需要刻写工作在另外波长的光纤光栅，就需要另行设计和刻写相应的相位掩模板，会产生额外的成本。 另外一种常用的刻写光纤光栅的方法是全息法。通过该光路产生了两束光的干涉场，该干
29、涉场的强度分布就会刻写到光纤纤芯上。这种方法的最大优点是干涉场的周期可以连续调节，一次可以刻写 在很长工作波段内的光纤光栅。但是这种方法对光源的相干性和稳定性有很高的要求。 图 2-3 利用相位掩模版刻写光纤光栅示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 还有一种方法就是点对点刻写方法。该方法采用脉冲激光作为刻写光束，光束在位移平台上移动，便可依次刻写出单条的光栅线 ，如图 2-4 所示 。这种方法的缺陷是刻写速度较慢，并且需要高精度的位移平台。但是这种方法相对于全息法和相位掩模板法，引入相移等相关操作变得非常简单，因而具有更大的灵活性，通过微机控制位移平台，可以轻松实现个性
30、化的光栅刻写，该方法尤其适合应用于刻写长光纤光栅。使用该方法在有源光纤中刻写的高反射率光纤光栅已成功应用于全光纤激光 器。 图 2-4 利用相位掩模版刻写光纤光栅示意图 2.3 光纤光栅的应用 光纤光栅作为一种简洁、低成本的新型光子学器件，在光通信领域有着极其广泛的应用。它可以用来制作各种滤波器，包括利用长周期光纤光栅制作的透射滤波器和利用布拉格光纤光栅制作的反射滤波器；它可以用来代替色散补偿光纤进行色散补偿；如果制作成倾斜光栅，则可以作为性能优良的偏振选择器件；它也是全光纤激光器当中的核心器件；还可以用来制作拉曼激光器和放大器。下面，举几个典型的例子来说明光纤光栅的具体应用 6。 （ 1）
31、光纤光栅放大器 利用光纤光栅 能够滤除光纤中的放大自发辐射 (ASE)噪声从而抑制光纤放大器的增益峰，也可以用来组成增益平坦滤波器 (GFF)。利用 TFBG 的投射谱特性可以对华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 光纤放大器的增益峰的光功率进行衰减，从而使光放大器的增益平坦化，可以很好地解决光纤通信中的损耗问题。飞秒激光刻写的 TFBG 具有更好的温度稳定性，一定程度上扩大了它的应用范围。 （ 2） 分 /插复用滤波器以及 WDM 信道监控 在 WDM 通信信道中，经常需要上载或者下载某个特定波长的信号。光纤光栅会反射特定的波长，然后通过环形器将该信号转移的对应的接受端口，从
32、而实现了信号的下载。 环形器的制造成本比普通的光纤耦合器更高，因此也经常使用光纤耦合器作为代替。这种应用对于光纤光栅的反射率和带宽都有较高要求。考虑到上载信号和下载信号是相干的，所以要求下载信号经过光栅的透射率小于 -30dB；另外，为了实现陡峭的窄带滤波器，透射峰的斜率最大可大于 700dB/nm6。 （ 3） 色散补偿 在光纤通信系统中，光脉冲的传输经常受到光纤色散的影响。脉冲在光纤中传输时，长波长的光比短波长的光传输得更快，从而导致光脉冲的畸变。当一个脉冲的传的慢的部分会和下一个脉冲的传的快的部分相重合时，就会导致信号的失 真。具有很强负色散特性的色散补偿光纤 (DCF)在商用系统中有广
33、泛的应用，但是这种形式的补偿一般需要很长一段光纤来实现。另外，由于 DCF 的纤芯较小，会导致信号的功率密度较高，容易激发非线性效应，导致信号质量恶化。如图 2-5 所示，使用啁啾光栅作为色散补偿器件，能够更好地抑制非线性效应，而且相对于 DCF 来说，所使用的啁啾光栅要短很多。但在啁啾光栅的制作过程中非常容易产生各种缺陷或相移，直接导致其总体性能下降，从而使得它在通信系统中很难得以广泛应用 6。 （ 4） 光纤激光器 光纤布拉格光栅具有良好的选频特性，可靠性好，并且可以制作成各种不同反射图 2-5 用于色散补偿的啁啾光栅 入射光 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 率，因而
34、是全光纤激光器当中的核心器件。全光纤激光器被认为是理想的光纤通信系统的光源。随着光纤光栅刻写工艺的成熟，不仅可以在各种无源光纤当中写入光栅，而且可以在有源的各种掺稀土元素的非光敏光纤当中写入光栅。尤其是紫外纳秒脉冲以及飞秒脉冲的应用，使光制备纤激光器专用的光栅变得越来越简单。目前，已经有使用点对点刻写技术制作窄线宽光纤光栅，并且成功实现了高功率窄线宽激光输出 6。 （ 5）倾斜光纤光栅的传感应用 倾斜光纤光栅的 光栅栅面与光纤轴存在一定的夹角，除了满足布拉格条件的光被反射以外，还有部分包层模式被激发。根据这个特点，研究人员首先对芯模和包层模式的温度特性与应变特性做了研究 21。之后，又对不同的
35、包层模的应变进行了分析，而且还对不同包层直径的倾斜光纤光栅的传感特性进行了分析 22。研究结果表明包层模式的敏感性与包层直径没有直接联系。 2001 年， Laffont 等人将倾斜光纤光栅应用于折射率传感中 23。 2.4 本章小结 本章主要介绍了光纤光栅的理论，主要是耦合模式理论，并且进行了简单的模拟，进而明确了光栅各个参 数对反射谱的影响。在此基础上介绍了三种制备光纤光栅的方法，并且介绍了光纤光栅在不同领域的应用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 3 飞秒脉冲激光制备光纤布拉格光栅的实验研究 本章主要介绍飞秒激光刻写光纤光栅的相关内容，包括飞秒激光引起光纤折射率调制
36、的机理，以及飞秒激光刻写光纤光栅的光路，重点介绍该光路的调节步骤。在此基础上，对倾斜光纤光栅的制备和特性进行了分析。 3.1 飞秒激光制备光纤光栅的机理 近年来，飞秒激光和物质的相互作用的机制引起了学术界极大的研究兴趣。其中飞秒激光对透明介质的改性是一个研究的热点，相关的研究已经得到了很要 的应用，并且具有非常大的潜在应用价值。例如，通过在材料中刻写不同深度的点，可以进行高密度的数据存储。飞秒激光在介质中刻写的光波导为片上实验室的发展提供了必要的手段。飞秒激光可以方便地在玻璃基片上刻写光栅线，制作透射式光栅或者体光栅。 对于飞秒激光与物质相互作用的内在机理至今仍然没有定论，但是已经有相关的研究
37、结果得到了该领域研究人员的认同。根据 M. Lenzner等人 9的研究结果，该过程大致有一下三个步骤：（ 1） 通过碰撞电离和多光子电离，导带中的电子被激发；（ 2） 在外界强场的作用下，整个导带中的电子的热运 动极具增强； （ 3） 等离子体的能量转移到了物质的晶格当中。当激光脉冲在时域上的持续时间是几个飞秒甚至更短的时候，在激光与物质相互作用的过程中，热扩散就像被“冻结”了一样。整个过程持续时间非常短，使激光能量在沉积在极小的范围内，对被作用的区域产生了烧蚀作用。这个定性的模型在现阶段被认为能够很好地解释飞秒激光与物质相互作用的过程 13。 研究人员在以玻璃基片为作用介质开展了大量的研究
38、。有很多工作是在块状玻璃中展开的，确切地说是将飞秒激光聚焦到玻璃基片的内部，对玻璃进行破坏。不把光斑聚焦到玻璃的表面的目的是为了排 除表面增强效应的影响。相关的实验非常明确地观察到了 I型和 II型两种折射率调制。那么怎样确定折射率调制的幅度呢？简华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 单来说，可以在玻璃基片上刻写一组条纹，形成一个透射光栅，而不同的折射率调制程度会导致不同的衍射光斑。通过衍射光斑的角度，就可以计算出相应的折射率调制深度。当局部功率密度低于 1013W/cm2这个量级的时候，发生的是 I型折射率调制；此时光和物质的相互作用处于线性或弱非线性的区域之内，根据几何光学
39、计算出来的束腰半径还是有效的。当温度高于 900C的时候， I型折射率调制会被擦除，表现为光栅的消失。当局部 功率密度高于 1013W/cm2这个量级的时候，飞秒激光与物质的相互作用主要变成了非线性过程，局部范围内的功率密度就不再遵循低功率情况下的计算公式了。由于非线性过程占主导地位，飞秒激光在时域和空域上都被急剧地压缩了，导致了局部的功率密度超过 1016W/cm2。相互作用区域的物质迅速的从部分电离态转变到了全电离的离子、电子、等离子体形态。飞秒激光的能量沉积在极其狭小的区域当中，能量的不断积聚导致该区域等离子体的温度急剧上升，甚至可以达到几百电子伏特的量级。等离子体的超高温度会引起后续的
40、微爆过程，具有几千电子伏特 能量的电子会被溅射到周围区域，在材料当中形成类似于孔隙的缺陷 13,14。 II型折射率调制相比于 I型折射率调制具有极佳的高温稳定性，在 900C的高温下也没有任何退化的现象。和 I型折射率调制相比， II型折射率调制具有更大的调制深度，可以达到 10-3的数量级。 II型折射率调制还表现出双折射的现象，这种双折射和单轴晶体的双折射十分类似， II型折射率调制区域的光轴方向和飞秒激光的偏振方向相同。 II型折射率的双折射现象，可以通过一个简单的方法验证：把已经发生 II型双折射率调制的玻璃基片放到两个偏振方向相互垂直的 偏振片之间，如果观察到的视场是暗的，那么说明
41、两个偏振片之间的透明介质没有双折射；如果观察到的视场不是全暗的，则说明两个偏振片之间的透明介质有双折射。实验观察发现，由 II型双折射所构成的条纹在两个偏振片之间依然清晰可见，表明 II型折射率调制具有双折射性质 14。 另外必须注意的是，经透镜聚焦之后的飞秒激光会在透明介质中发生自聚焦现象，导致焦点朝着激光入射的方向移动。也就是说，如果激光强度达到足以使介质产生 II型折射率调制的程度，激光作用的区域就不能根据简单的几何光学原理进行推算了。这也正好可以解释在调节刻 写光纤光栅光路的过程中，起初是在弱光强照射华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 下进行的调节。当以弱光作为参照完
42、成光路对准之后，将光强调大，此时需要重新微调焦点的前后位置才会有最佳的光栅刻写效果。这就是飞秒激光自聚焦使得焦点前移所导致的 14。 在飞秒激光和透明介质相互作用的过程中伴随着多光子电离和雪崩电离两种过程。通常认为，多光子电离的为雪崩电离提供了自由电子。在强激光场的作用下，物质的局部范围内会产生出大量的自由电子。当自由电子的密度超过某一个阈值的时候，会引起材料的不可逆的损伤。一定的时域脉宽和单脉冲能量的飞秒激光场对应用于一定的自由电 子密度。也就是说，材料的破坏阈值对应于一个恒定的飞秒激光阈值。确定材料的激光损伤阈值有不同的方案，这里介绍其中一种方法。众所周知，飞秒脉冲激光的强度如果超过了材料
43、损伤的阈值，就会对材料产生烧蚀效应。比如将一定强度的激光聚焦到材料表面，材料表面就会被烧蚀。不同的激光参数对材料的烧蚀程度有所不同，烧蚀程度可以通过两个参数来衡量： 1.烧蚀体积， 2.烧蚀深度。因为是在表面，可以通过扫描电子显微镜测定烧蚀之后的表面形貌来测量这两个参数，在这里通过烧蚀体积来表征介质被破坏的程度。当飞秒激光的脉宽一定时，烧蚀体积和激光的 强度呈线性关系。要直接测定破坏介质的强度阈值是很难做到的，但可以采用间接测量的方法：测定多组一定激光强度间隔下材料的烧蚀体积，然后对其进行线性拟合。拟合获得的直线和烧蚀体积为零的水平线的交点就是该脉冲宽度下破坏介质的强度阈值。这是通过实验来测定
44、不同脉冲宽度飞秒激光作用下的激光损伤阈值。采用这种测量破坏阈值的方法获得的实验数据，其理论来解释如下。关于飞秒激光场电离产生的自由电子数密度随时间的变化， Stuart等人等人建立了一下速率方程 kkdn I t n t Idt (3-1) 其中 I(t)表示飞秒脉冲激光的强度变化， 是雪崩系数， k是 k光子吸收截面。根据已经得到的实验数据，选择合适的 和 k的值就可以进行相关耦合。 Lezner等人的研究表明，实际的多光子吸收系数比根据 Keldysh公式计算的多光子吸收系数要小至少两个数量级。另外，用于判断发生多光子电离还是隧穿电离的 Keldysh系数为华 中 科 技 大 学 硕 士
45、学 位 论 文 16 2m eE，其中 E是激光场的峰值。当时域脉冲宽度持续减小时， Keldysh系数就会小于 1，这个时候多光子电离就会大 大减少，隧穿电离就会占主导地位。例如当时域脉宽是 5fs时， =0.5， 此时当材料达到破坏阈值的时候，光致电离中起主导作用的就是隧穿电离了 13。 相关的材料破坏实验还可以在不同禁带宽度的电介质中进行，在这里我们使用烧蚀深度来量化损坏程度。选用禁带宽度为 9eV的熔融石英玻璃和禁带宽度为 4eV的铝硼硅酸盐玻璃进行实验。当激光强度保持不变且在相同数目的脉冲的作用下，上述两种介质的实验出现了截然不同的结果。对于熔融石英玻璃，脉冲宽度减小的时候，烧蚀深度
46、几乎相同；对于铝硼硅酸盐玻璃，当脉冲宽度减小时，烧蚀深度变小了。但是这两个实验也有一个共同点：当脉冲宽度在 10fs量级的时候，重复相同实验过程，烧蚀深度数值的漂移范围比更大脉冲宽度作用时的漂移范围小很多。以上的不同点和共同点为分析雪崩电离和多光子电离的作用提供了很好的实验证据。有一种解释是这样的：当导致介质破坏的电离是碰撞电离或是雪崩电离的时候，根据 (3-1)预测的电子密度和激光的脉宽没有关系。当多光子电离占主导地位时，样品表面的烧蚀深度随着激光脉宽的减小而急剧减小。也就是说，在熔融石英当中，占主导作用的电离机制是雪崩电离而不是多光子电离。相反，由于铝硼硅酸盐玻璃介 质的禁带宽度更小，脉冲
47、宽度低于 100fs的时候，多光子电离占主导地位；脉冲宽度减小到10fs附近的时候，多光子电离不再占主导地位，隧穿电离占主导地位，此时， Keldysh系数 减小到 1甚至 1以下。以上对不同脉冲宽度作用情况下，多光子电离，雪崩电离，隧穿电离在整个电离过程中的作用进行了详细的分析 13。 禁带宽度是 9eV的熔融石英介质在脉冲宽度为 10fs附近的激光场的作用下，受多光子电离激发的电子密度比正常热平衡情况下热激发产生的电子密度高大约 10倍。这表明，亚 10fs量级的激光脉冲可以进行高精度的加工，其 精度可以达到几十层原子层厚的量级。 以上对飞秒激光和玻璃介质相互作用的分析进行了详细而定性的分析，为更深入地看清飞秒激光刻写光纤光栅过程中的物理基础打下必要的基础，因为普通光纤的纤芯材料就是石英。针对相互作用机制的研究，研究人员已经提出了一些比较好华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 的理论模型，但是依然有待进一步发展。 3.2 飞秒激光制备光纤光栅的实验系统 本实验用到的飞秒激光光纤光栅刻写系统主要包括飞秒激光光源，光栅刻写的光路系统， 以及实时监测系统等 。 (1) 飞秒激光光源 本实验使用的飞秒激光光源是 Spectrum Phys
