[发明专利]一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅写入方法研究领域，特别涉及一种微纳光纤光栅激光写入方法及装置。

背景技术

作为二十世纪最为重要的光子器件之一，光纤布拉格光栅(简称光纤光栅)以其体积小、灵敏度高、波长编码、抗电磁干扰等优点，在光纤传感和光纤通信领域中得到广泛应用。而随着光纤生物医学技术的不断发展，很多研究者将目光瞄准了光纤光栅器件，以作为生物传感的研究新方向。而传统的光纤光栅由于隔着很厚的包层，无法利用倏逝场与外界进行交互作用。因此，如何将光纤光栅在外环境折射率探测方向进行应用扩展成为研究的焦点与热点。

微纳光纤(直径在10微米以下到几百纳米范围量级的光纤)的出现为上述问题的解决提供契机。凭借其大比例倏逝场、低弯曲损耗、高非线性等优势，微纳光纤得到了光纤以及光子学界的广泛关注。由于其微小的尺寸，通过倏逝场效应，微纳光纤中传输的光很容易同外界发生交互作用，为其外环境折射率探测提供了良好的条件。

将微纳光纤与光纤光栅技术相结合，一方面可以实现微纳光纤大倏逝场与外界进行作用，同时，另一方面也可以充分利用光纤光栅的优势。因此，微纳光纤光栅概念的提出为以上的问题提供了很好的解决方案。

最初的方法是，在已经刻写好的传统光纤光栅上进行氢氟酸腐蚀，将其直径缩小到10微米以下。然而，采用腐蚀的办法，会导致光栅性能的降低同时对光纤本身的机械性能以及结构都会造成不同程度的损伤，不利于未来应用的需要。

因此，在拉锥而成的微纳光纤上直接刻写光纤光栅，引入更加精细的周期性结构，是微纳光纤光栅发展的必然要求。在此背景下，如何高效率低成本的刻写微纳光纤光栅已成为微纳光纤光栅生物传感器研究中的热点和重点。

香港理工大学的X.Fang等人，采用飞秒激光器，其在小空间区域内拥有极大的光能量，以及超短的间歇时间(飞秒量级)，在微纳光纤上刻写出了光纤光栅，所刻制的光纤直径可以由2～10μm，在光纤直径为2μm处，环境折射率值为1.44时，可获得最大的灵敏度为231.4nm/RIU。其不足之处在于，利用飞秒激光器制备光纤光栅工艺复杂，制作成本高，同时，飞秒激光器刻写方式属于石英损伤机制，使得微纳光纤光栅非常脆弱，难以保存。

聚焦离子束(FIB)蚀刻方式刻写MFBG也同时被国内外研究者提出，此种方式可以获得很紧凑的结构，光栅长度往往小于500μm。此种方式属于光纤几何结构的损伤，同样会带来MFBG本身机械性能的降低；同时，此种方式需要对光纤进行预处理，增大了刻写难度；而且，光栅长度的紧凑往往带来FBG反射带宽的增大，不利于精细传感的需要。

华中科技大学Y.Zhang等人，采用248nm的KrF准分子激光器，借助相位掩模板，在直径为微米量级的具有光敏性的微纳光纤上刻制了光纤布拉格光栅。MFBG具有不同于普通光纤布拉格光栅(FBG)的独特的反射特性，在其反射谱中，除了具有对应基模的反射峰(类似于普通FBG)外，还有对应于高阶模式的反射峰；并且高阶模式的反射峰具有灵敏度很高的折射率传感特性，在实验中获得了102nm/RIU的传感灵敏度。

此种方式需要在特制的、硼锗共掺的、双包层光纤拉制而成的微纳光纤上进行刻写，提高了成本，同时载氢和退火技术的引入也加大了研究和未来生产的难度。而且，这种方式的刻写效率很低，无法观察到透射谱。很难对刻写过程中出现的独特现象加以观测和解释，在未来的MFBG的应用上，也将会带来很大的困难。

R.Ahmad等研究者，在硫化物光纤上，采用633nm以及1550nm激光器刻写出了MFBG。采用这种方法，首先，硫化物光纤的获得比较困难，价格昂贵；其次，硫化物光纤的结构比较特殊，纤芯折射率高达2.7(普通光纤一般小于1.5)，因此与检测光纤的熔接与耦合也是其问题所在。

因此，需要提供一种效率高、成本低、实现方法简单的微纳光纤光栅激光写入方法及装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤光栅激光写入方法，该方法是在普通多模光纤拉制而成的微纳光纤上刻写光纤光栅，无需对光纤进行额外的处理，同时保持光纤的机械强度和韧性，方法简单，成本低廉；同时，刻写效率高，带宽窄且方式可控，重复率高。本发明另一目的是提供一种实现上述方法的微纳光纤光栅激光写入装置。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：一种微纳光纤光栅激光写入方法，包括以下步骤：