?01???導(dǎo)讀

藍(lán)寶石光纖布拉格光柵（FBG）作為一種高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性、具備良好光學(xué)特性的光纖傳感器結(jié)構(gòu)，常作為高溫光纖傳感系統(tǒng)的核心元件。激光逐點(diǎn)刻寫法制備的藍(lán)寶石FBG在光柵結(jié)構(gòu)、位置、周期等參數(shù)上具有較高靈活度，受到了廣泛的研究關(guān)注。

然而，受限于刻寫系統(tǒng)的控制精度及刻寫激光系統(tǒng)的聚焦精度，基于該方法的光柵常需要選擇較高的階數(shù)，從而降低了光柵反射率。此外，實(shí)際應(yīng)用中更希望使用全多模系統(tǒng)并采用硅基CCD探測(cè)器以提高系統(tǒng)魯棒性并降低成本，因而工作于近紅外（NIR）波段的全多模藍(lán)寶石FBG傳感系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，但其更高的光柵階數(shù)進(jìn)一步降低了傳感器反射率。

因此，如何有效提升逐點(diǎn)刻寫藍(lán)寶石FBG反射率對(duì)于藍(lán)寶石光纖傳感系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。 在本篇研究中，作者提出了一種在藍(lán)寶石光纖中以激光逐點(diǎn)刻寫法制備平行光纖布拉格光柵（pFBG）的方法。該方法可有效提升高階藍(lán)寶石FBG（本研究中采用七階FBG）的反射率，提高藍(lán)寶石FBG傳感器的信噪比并降低信號(hào)解調(diào)難度，從而實(shí)現(xiàn)了在NIR波段全多模傳感系統(tǒng)中的波長(zhǎng)復(fù)用高溫傳感。

文章同時(shí)探討了藍(lán)寶石光纖與石英光纖中橫向位置對(duì)于FBG反射率的影響，揭示了藍(lán)寶石光纖及石英光纖光場(chǎng)橫向相干性的差異。

?

封面圖 藍(lán)寶石光纖pFBG

圖源: Optics?Letters?(2022).

02??研究背景

藍(lán)寶石光纖傳感器因具有高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性及良好的光學(xué)特性，常被用做高溫傳感器的關(guān)鍵部件。

其中，藍(lán)寶石FBG是一種廣泛應(yīng)用的傳感器結(jié)構(gòu)，常通過(guò)相位掩模板刻寫法（phase?mask inscription）、激光逐點(diǎn)刻寫法（point-by-point laser inscription）等方法進(jìn)行制備。激光逐點(diǎn)刻寫法具有光柵周期可控、刻寫光柵的結(jié)構(gòu)、位置選擇靈活等優(yōu)勢(shì)；然而，由于激光刻寫點(diǎn)的較小體積與光柵的較高級(jí)數(shù)，基于該方法制備的藍(lán)寶石光纖光柵反射率偏低，極大限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

相較于石英光纖，藍(lán)寶石光纖的折射率更高，因而需采用更高光柵級(jí)數(shù)以滿足刻寫系統(tǒng)的控制極限。由于常見(jiàn)的激光逐點(diǎn)刻寫系統(tǒng)多具有微米級(jí)別的光柵周期極限，以往的研究中常采用1.5μm波段的四階FBG制備藍(lán)寶石FBG傳感器，且常使用單模相干光源制作傳感器解調(diào)儀。

實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，NIR波段的全多模光纖系統(tǒng)在魯棒性與成本方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。全多模光纖系統(tǒng)對(duì)于外界環(huán)境變化造成的光纖彎曲、震動(dòng)等影響的敏感度低，且可使用便宜易得的多模光源；工作于NIR波段則便于使用硅基CCD探測(cè)器，從而可極大降低解調(diào)器的成本。

然而，相較于前文提及的1.5μm波段基于單模相干光源的傳感系統(tǒng)，NIR波段的全多模FBG級(jí)數(shù)更高且信號(hào)相干度更低，從而降低了其反射率。因而，如何有效提升高階藍(lán)寶石FBG的反射率以提高多模傳感系統(tǒng)的信噪比并降低信號(hào)解調(diào)難度，對(duì)于基于藍(lán)寶石FBG的傳感系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

基于以上考量，作者提出了通過(guò)在藍(lán)寶石光纖中刻寫平行FBG（pFBG）的方案以有效提升高階FBG的反射率，從而實(shí)現(xiàn)在NIR波段全多模傳感系統(tǒng)中的波長(zhǎng)復(fù)用高溫傳感。

文章同時(shí)探討了藍(lán)寶石光纖與石英光纖中橫向位置對(duì)于FBG反射率的影響，揭示了藍(lán)寶石光纖及石英光纖光場(chǎng)橫向相干性的差異。 ?

03???創(chuàng)新研究

3.1 飛秒激光逐點(diǎn)刻寫法制備藍(lán)寶石光纖平行布拉格光柵

藍(lán)寶石光纖pFBG的逐點(diǎn)刻寫過(guò)程如圖1所示，刻寫系統(tǒng)采用了800nm飛秒激光光源（Libra，Coherent?Corp.），以600nJ的單脈沖能量在直徑75μm的藍(lán)寶石光纖中進(jìn)行FBG刻寫。通過(guò)氣浮位移臺(tái)控制光纖的移動(dòng)速度，可在藍(lán)寶石光纖中制作一條4mm長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)于850nm波段的七階FBG。

在一條FBG刻寫完成后，激光聚焦點(diǎn)橫向移動(dòng)3μm并進(jìn)行一條相同F(xiàn)BG的刻寫。如此重復(fù)多次，若干條平行刻寫的FBG構(gòu)成了一組pFBG。在pFBG中，相鄰的光柵需保持3μm的間隔以避免干涉影響反射譜。

?

圖1?激光逐點(diǎn)刻寫藍(lán)寶石光纖pFBG。（a）pFBG刻寫過(guò)程；（b）pFBG圖像。

1) 使用中心波長(zhǎng)850 nm的LED作為探測(cè)光源，圖2（a）顯示了隨著藍(lán)寶石光纖pFBG中平行光柵數(shù)量的增加，其歸一化反射光譜的變化。該pFBG由12條平行光柵構(gòu)成，第一條光柵位于光纖軸線，其余光柵向光纖邊沿逐次橫向偏置3μm，第12條光柵距離光纖邊沿4.5μm。

由圖可見(jiàn)當(dāng)僅有一條FBG時(shí)，受高光柵階數(shù)及多模光源相干度弱等因素的影響，其反射峰幾乎不可見(jiàn)；隨著pFBG中光柵數(shù)量的增加，在~850nm的光柵反射峰強(qiáng)度明顯提升。當(dāng)pFBG中有12條光柵時(shí)，其反射峰強(qiáng)度達(dá)到了1.25，有效提高了光柵信號(hào)的信噪比并降低了解調(diào)難度。



圖2 （a）藍(lán)寶石光纖pFBG與（b）石英多模光纖pFBG歸一化光譜對(duì)比

2) 同時(shí)，為了探究多模光纖pFBG的性質(zhì)，作者在階躍折射率石英多模光纖（step-index silica?MMF）中以相同方法及相近參數(shù)刻寫了一組17條平行光柵構(gòu)成的pFBG作為對(duì)照，其結(jié)果展示于圖2（b）中?？梢?jiàn)，同藍(lán)寶石光纖pFBG相比，石英光纖的pFBG具有明顯更高的反射率，當(dāng)僅有一條FBG時(shí)反射峰即可見(jiàn)。

通過(guò)增加平行光柵數(shù)量，pFBG的反射峰強(qiáng)度同樣會(huì)有明顯提升，并能在刻寫17條平行光柵后達(dá)到~6.5。同時(shí)，其光譜寬度保持在~5.5nm。與之相較，藍(lán)寶石光纖pFBG在相同光柵數(shù)量下不僅反射峰強(qiáng)度明顯更低，且反射峰寬度更寬（~6.5nm）。以上比較結(jié)果說(shuō)明了由于更高的模式容量及較差的相干特性，藍(lán)寶石FBG的反射譜信噪比更低，從而進(jìn)一步顯示了通過(guò)pFBG方案提高藍(lán)寶石FBG信號(hào)強(qiáng)度的必要性。

3.2 光纖布拉格光柵橫向位置及反射率的關(guān)系

根據(jù)pFBG制備過(guò)程中反射光譜的變化，可以探究在光纖不同橫向位置刻寫光柵對(duì)于pFBG反射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，并由此探究光場(chǎng)相干度在光纖不同橫向位置的性質(zhì)。如圖3（a）所示，盡管隨著pFBG中平行光柵數(shù)目提升，藍(lán)寶石光纖pFBG與石英光纖pFBG的反射率均會(huì)提升，但其變化規(guī)律并不相同。

在石英光纖中，當(dāng)光柵刻寫位置距離纖芯中軸（橫向偏置）在半徑的40%以內(nèi)時(shí)，各光柵對(duì)于反射率的貢獻(xiàn)保持一致，從而造成了峰值反射率曲線的線性增加；當(dāng)光柵橫向偏置高于半徑的40%后，其對(duì)反射率的貢獻(xiàn)逐漸下降，直至在半徑的80%以后趨向于0。而對(duì)于藍(lán)寶石光纖pFBG，可觀察到不同橫向偏置的光柵對(duì)于pFBG反射率的貢獻(xiàn)相近，使得pFBG反射峰值保持線性增加。

為了進(jìn)一步探究這一性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)記錄了兩種光纖在相同LED光源下的截面光場(chǎng)分布。如圖4所示，藍(lán)寶石光纖中光場(chǎng)在截面均勻分布，橫向位置的光強(qiáng)基本一致；而石英光纖中光場(chǎng)強(qiáng)度隨橫向位置的增加而逐漸降低。該結(jié)果說(shuō)明了石英光纖與藍(lán)寶石光纖在模式容量、模式混合方面的差異，同時(shí)隨橫向位置變化的光場(chǎng)強(qiáng)度影響了pFBG的反射率。



圖3 藍(lán)寶石光纖與石英光纖pFBG反射率與光柵橫向位置關(guān)系對(duì)比

（a）pFBG反射峰強(qiáng)度（b）pFBG相對(duì)反射率

2) 為進(jìn)一步探究光纖橫向位置光場(chǎng)相干性的分布，使用圖4局域光場(chǎng)強(qiáng)度歸一化后的pFBG反射率變化如圖3（b）所示，其歸一化強(qiáng)度變化直接反映了光場(chǎng)的相干性。由圖可見(jiàn)，在石英光纖pFBG中，排除光強(qiáng)影響后的歸一化強(qiáng)度曲線在高橫向偏置位置仍舊表現(xiàn)出明顯的飽和趨勢(shì)；而在藍(lán)寶石光纖中，該曲線基本保持線性，反映了光場(chǎng)相干性不隨橫向位置的變化產(chǎn)生明顯改變。

相較于石英光纖，藍(lán)寶石光纖由于具有更高的纖芯-包層（空氣）折射率差及更差的表面平整度，導(dǎo)致其光場(chǎng)模式混合更加充分，從而造成了光場(chǎng)相干性在橫截面的均勻分布。該性質(zhì)同時(shí)表明，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加pFBG中光柵數(shù)量的方法，可以線性提升藍(lán)寶石光纖pFBG的反射峰強(qiáng)度。



圖4 藍(lán)寶石光纖（a）與石英光纖（b）橫截面光場(chǎng)強(qiáng)度分布

3.3 多點(diǎn)高溫傳感

利用藍(lán)寶石光纖pFBG的上述特點(diǎn)，三個(gè)串聯(lián)pFBG被刻寫于同一藍(lán)寶石光纖上用作多點(diǎn)溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。三組pFBG傳感器均由21條平行刻寫的七階光柵構(gòu)成，室溫下反射峰位置分別位于851.3nm（pFBG A），826.1nm（pFBG B）?和875.5nm?（pFBG C）；各pFBG以15cm的間距分布于一條64cm長(zhǎng)的藍(lán)寶石光纖上。解調(diào)系統(tǒng)采用了850nm波段的LED與硅基CCD的快速光譜儀（USB2000， OceanOptics）分別作為光源與信號(hào)探測(cè)裝置，使用多模光纖耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的耦合與收集，構(gòu)成了全多模光纖解調(diào)系統(tǒng)。串聯(lián)藍(lán)寶石光纖pFBG通過(guò)直接熔接法與解調(diào)系統(tǒng)相連。

如圖5（b）所示，對(duì)藍(lán)寶石光纖pFBG進(jìn)行退火處理后，由于應(yīng)力釋放及刻寫點(diǎn)表面平滑度提升，其反射峰強(qiáng)度得到了進(jìn)一步提升，并達(dá)到了7.9%的反射率。同經(jīng)過(guò)相同退火處理的單個(gè)藍(lán)寶石FBG相比較，pFBG的反射峰強(qiáng)度具有明顯的優(yōu)勢(shì)，極大提高了傳感系統(tǒng)的信噪比。圖5（c）展示了將三組pFBG置于不同溫度變化區(qū)域時(shí)的歸一化光譜變化，可見(jiàn)隨溫度改變其反射峰位置均有不同程度漂移，證實(shí)了串聯(lián)藍(lán)寶石光纖pFBG作為波長(zhǎng)復(fù)用多點(diǎn)溫度傳感器的應(yīng)用潛力。



圖5 串聯(lián)藍(lán)寶石光纖pFBG溫度傳感器（a）傳感器結(jié)構(gòu)（b）傳感器反射光譜（c）多點(diǎn)溫度傳感

圖6（a）展示了三組藍(lán)寶石光纖pFBG傳感器的溫度校準(zhǔn)曲線?？梢?jiàn)其保持了較好的溫度響應(yīng)一致性，且可實(shí)現(xiàn)室溫至最高1500℃的溫度傳感。圖6（b）評(píng)估了pFBG B的溫度傳感滯后性，顯示在室溫至1500℃范圍內(nèi)，溫度滯后性小于3℃。之后，通過(guò)將串聯(lián)pFBG傳感器置于可編程加熱爐的不同加熱區(qū)域，測(cè)量了三組pFBG的溫度響應(yīng)。結(jié)果表明該串聯(lián)傳感器可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定度高于1.2℃的多點(diǎn)溫度傳感。



圖6 藍(lán)寶石光纖pFBG溫度傳感系統(tǒng)（a）溫度傳感校準(zhǔn)曲線（b）傳感器滯后性評(píng)估（c）多點(diǎn)溫度傳感

04???應(yīng)用與展望

本研究證實(shí)了在藍(lán)寶石光纖中刻寫pFBG可以簡(jiǎn)單、有效地提升高階FBG反射率，并在NIR波段的全多模系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)復(fù)用的多點(diǎn)溫度傳感。得益于藍(lán)寶石光纖的高模式容量及充分混模，隨著平行光柵數(shù)量的提升，藍(lán)寶石光纖pFBG的反射率表現(xiàn)出了與FBG橫向位置無(wú)關(guān)的線性增強(qiáng)并達(dá)到了7.9%的反射率，且反射率可通過(guò)增加pFBG刻寫層數(shù)進(jìn)一步提升。

本研究使用以850nm波段LED作為光源的全多模光纖傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室溫至1500℃的多點(diǎn)溫度測(cè)量。通過(guò)換用功率更高、頻譜更寬的多模光源，該系統(tǒng)可集成更多pFBG傳感器從而進(jìn)一步提升多點(diǎn)傳感性能。

本研究同時(shí)探討了在藍(lán)寶石光纖不同橫向位置刻寫FBG對(duì)于反射率的影響，揭示了其與石英光纖迥異的橫向位置-反射率無(wú)關(guān)性。該性質(zhì)有助于進(jìn)一步加深對(duì)于高模式容量、高混模的藍(lán)寶石光纖內(nèi)部相干性的理解，從而指導(dǎo)基于光學(xué)相干性的光纖器件設(shè)計(jì)并推動(dòng)全多模光纖系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。?




審核編輯：劉清