（光学工程专业论文）飞秒激光烧蚀石英光纤和直写光纤光栅的研究.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 近年来，利用飞秒激光具有超衍射极限、“ 冷” 加工等优势在玻璃、晶体中制作 微光学器件取得长足发展，而用飞秒激光直写光纤光栅方法具有无掩模、设计灵活、 无需载氢、结构稳定等诸多优势。本论文在系统研究飞秒激光烧蚀光纤材料阈值、 形貌基础上，初步研究了飞秒激光在光子晶体光纤中直写光纤端面光栅，以及在单 模光纤纤芯中写入长周期光纤光栅的方法，并测试、分析了光纤光栅的光学特性， 主要工作如下： (1) 总结分析了飞秒激光烧蚀透明材料的物理机理， 重点介绍了石英材料烧蚀理 论， 并对飞秒激光直写长周期光纤光栅(lpfg) 谐振波长与光栅周期之间的关系进行 了理论分析。 (2) 实验研究了飞秒激光烧蚀石英光纤材料的损伤阈值， 得出了单脉冲情况下光 纤材料的烧蚀面积和飞秒激光能量密度呈线性关系的结论，并发现了多脉冲烧蚀累 积效应。 用场发射扫描电镜(sem)对烧蚀形貌进行了分析， 为优化飞秒激光直写参数、 制作光纤光栅提供了实验依据。 (3) 利用飞秒激光在大模场光子晶体光纤纤芯端面写入了 d=2m 的光栅结构， 用 ccd 成像技术得到了光栅对白光光源衍射的 0 级、 1 级图样。 初步研究了长周期 光纤光栅的制作方法和成栅原理，实验研究了飞秒激光在单模光纤纤芯中直接写入 长周期光纤光栅结构，并通过测试得到光栅的透射光谱，分别得到了 915nm 和 1550nm 波段的带通滤效应。 关键词：飞秒激光 光纤 烧蚀阈值 光纤光栅 ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract recently, using a femtosecond laser which is of sub- diffraction limit and cold- machining, the fabrication of micro- optical device in glass and crystal is greatly developed, the method of the direct inscription of fiber grating by a femtosecond laser is demonstrated to be no phase mask, free design, unhydrogenated fiber, structure stable. in this dissertation, we firstly systematically study the ablating threshold and surface morphology on fiber material. furthermore, we give the elementary results on writing fiber end surface grating in crystal fiber by a femtosecond laser, show the method of directly writing long period fiber grating(lpfg) in single mode fiber and the optical properties of fiber grating are also tested and analyzed. the main contents are classified as follow: (1) the physical mechanism of transparent materials ablated by a femtosecond laser pulse is summarized, which focuses on the fused silica material. the relationship between the resonant wavelength of long period fiber grating (lpfg) and the grating period is analyzed. (2) damage threshold of fiber materials is experimentally studied, which illustrates that there is a linear relationship between the single pulse ablation area of fiber material and laser pulse energy density. and the incubation and accumulation effect is found in multi- pulse ablation. the ablation morphology of fiber materials is obtained by emission scanning electron microscopy (sem). the research on ablation threshold of fiber optimize the parameter of direct inscription by a femtosecond laser and provide a experimental basis to write the fiber gratings. (3) the end surface diffraction grating structure whose pitch is d=2m fabricated with a femtosecond laser pulse on the large mode area of photonic crystal optical fiber. a diffraction beam pattern created by the grating structure is measured using a charge coupled device (ccd) with a white light source. the zeroth- order and the first- order diffraction are observed. the principles and methods of the inscription of lpfg are primarily investigated. the direct writing technology of lpfg in single- mode fiber is experimentally studied. the transmission spectrum of the grating and the effect of band- pass filter at 915nm and 1550nm respectively are also obtained. key words: femtosecond laser fiber ablation threshold fiber grating 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1976 年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒(1fs=10- 15s)量级的激光脉冲输出 以来1， 飞秒激光技术得到了飞速发展， 现在已经可以获取小于 5 飞秒的激光脉冲 （可 见光- 近红外波段）2,3。飞秒激光有以下两个特点：第一，飞秒脉冲的持续时间非常 短，可达几个飞秒，是人眼所能分辨时间极限(0.05s)的十万亿分之一，是人类目前在 实验室条件下所能获得的最短脉冲；第二，飞秒激光有非常高的瞬时功率。采用多 级啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification, cpa）技术获得的最大脉冲峰值功率可 达到1012w， 甚至1015w 4， 其可聚焦强度的峰值功率密度目前可高达 212 10w cm 3,5。 飞秒激光可以产生极短的时间尺度和极强的光场，为人类提供了前所未有的全新的 实验手段与极端的物理条件，正在对当今世界的科学和技术产生前所未有的巨大影 响，其应用领域非常广泛，成为世界各科技大国重点支持的科学前沿研究领域。 1.1 飞秒激光加工透明材料的现状与进展 近年来，研究者利用超短脉冲激光与透明电介质材料相互作用时产生的多种非 线性效应，在各种透明电介质材料中诱导出多种微结构变化，这些结构变化将在高 密度三维数据存储、光波导、功能材料的制备等领域有广阔的发展前景，并最终推 动微电子、计算机、光通信、生物医学等高技术领域的发展。因此，研究者们近年 来已开展了大量的关于飞秒激光烧蚀透明电介质材料的实验与工艺研究工作，主要 有以下几个方面： (1) 光存储 光存储的存储密度最终受制于电磁波的衍射。当前的二维存储技术，例如高密 度磁盘和磁光存储，几乎已经达到了极限，进一步增加存储密度需要用三维存储。 将强激光束聚焦到透明材料内部，可以在焦点附近形成超高温、高压等离子体，从 而引起体内微爆炸，在焦点处形成极小的空洞，微腔周围的材料因为压缩而致密。 哈佛大学 mazur 小组最早研究了透明材料中的微爆炸形成过程和微腔的尺度大小， 当 800nm，0.5j，100fs 的脉冲通过 na=0.65 的显微物镜聚集到材料内部时，爆炸 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 形成的微腔直径约为 300nm，小于光学衍射极限6。飞秒激光能够通过多光子吸收产 生超衍射极限的微结构后，研究者首先联想到的应用便是光存储， mazur 研究小组最 早报道了在熔融石英内部产生 2 m 点间距、15 m 层间距的点阵，同时推荐了两种 读出方法，一种是相位对比成像读出，另外一种是利用焦点区域玻璃结构烧蚀产生 对光的散射7。随后许多研究人员对飞秒激光存储进行了研究8,9。 (2) 制作光波导与光耦合器 利用飞秒激光在透明电介质材料中加工光波导与光耦合器件在光通讯技术迅速 发展的大环境下得到了许多学者的关注，并进行了大量的研究工作1013。 100 m (a) 加工的光纤耦合器 (b) 10m的波导分束器 (c) 加工出的三维光波导 图 1- 1 (a) (b) (c) 分别是用飞秒激光刻制的光波导 利用飞秒激光制作光波导与光耦合器件的基片材料选取不再受到严格的限制， 可以是硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硫族化合物以及色心晶体（kcl, lif 等） 、非线 性晶体等。光波导可以位于材料内部三维空间的任意位置，而且还可以制作任何形 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 状的二维波导10、光纤耦合器11、波导分束器12、三维波导13等其它光子器件，如 图 1- 1 所示为飞秒激光写入的光纤耦合器、波导分束器和三维光波导。 这对于集成光学有非常重要的意义。 哈佛大学的 schaffer 等人直接聚焦没有放大 的飞秒激光振荡器输出的纳焦能量的飞秒脉冲，在 corning 0211 玻璃内写入光波导， 大大提高了加工速度并降低了加工成本14。德国的 matthias will 等人利用飞秒激光 在熔融二氧化硅内获得 2.5cm长的光波导，对于 514nm传输光的损耗低于 1db/cm， 并且可以通过控制写入速度来控制光波导的模数目15。加利福尼亚的 james w. chan 等人利用飞秒激光在磷酸铝玻璃中写入椭圆形波导，发现与纯熔融二氧化硅玻璃现 象明显不同，波导在飞秒激光光束焦点的周围形成，缺陷色心则在中心焦点区域而 且该区域的折射率降低16。 (3) 制作其他微光器件 利用飞秒激光在透明电介质材料中除了可以进行光存储、制作光波导及后面介 绍的光栅外，还可以制作微光反射镜、微光分束镜、科尔快门、菲涅耳波带片等其 它光学装置1719。 5 0 0 n m 1 0 0 m 图 1- 2 飞秒激光在感光玻璃上加工的微透镜 (a) 圆柱形；(b) 半球形 ya cheng等人用 1khz,800nm,120fs 激光在感光玻璃上加工的圆柱形微透镜和半 球形微透镜，如图 1- 2 所示，实验结果表明其具有很好的聚焦作用20。 飞秒激光加工机理不同于以往的长脉冲激光加工，它能够以极快的速度将其全 部能量注入到很小的作用区域，瞬间内的高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方 式发生变化，可以避免激光线性吸收、能量转移和扩散过程等的影响，从而在根本 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 上改变了激光与物质相互作用的机制，主要体现在以下几个方面： (1) “ 冷” 加工特性。飞秒激光材料加工实现相对意义上的“ 冷” 加工，大大减弱和 消除了传统加工中热效应带来的诸多负面效应。飞秒激光的持续时间远远小于晶格 热传导时间，在飞秒激光与物质相互作用时，能量吸收严格限制在极小范围内，并 在极短时间内使电子温度达到极高，使物质从固态变为等离子态，迅速以喷射形态 脱离加工体，其周围的物质仍然处于“ 冷” 状态。因此，与长脉冲相比，飞秒激光加 工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应带来的一切弊端。 (2) 突破衍射极限加工。一般激光加工，其横向尺寸大于激光波长，这是由于衍 射规律的限制。飞秒激光也受衍射规律的限制，其焦斑尺寸不可能小于半个波长。 但由于其峰值功率极高，与物质相互作用时不是单光子过程，而是多光子过程。 这 样，具有高斯横向分布的飞秒激光光束和物质相互作用时不是在整个焦斑范围内， 而是远远小于光斑，因此加工尺度可达到 1/20 波长，即数十纳米。 (3) 精确的加工阈值。使用飞秒激光烧蚀材料可以表现出稳定的烧蚀阈值。对于 各种不同的材料，只有当能流密度大于一定的值才能使材料产生不可逆转的烧蚀， 此时的能流密度即为材料的烧蚀阈值。长脉冲与材料相互作用时，雪崩电离导致了 最后烧蚀的发生，而引发雪崩电离的种子电子的密度主要由材料的掺杂和缺陷等决 定，因此长脉冲烧蚀材料的烧蚀阈值并不稳定。而超短脉冲与材料相互作用时，多 光子电离起重要作用，材料的掺杂和缺陷对烧蚀阈值影响很小，烧蚀阈值更加稳定。 (4) 加工各种材料。玻璃、石英、陶瓷、半导体、绝缘体、塑料、聚合物、树脂 等各种不同材料都可以利用飞秒激光直接进行微纳尺寸的加工2124。 由于飞秒激光在烧蚀固体材料时的独特机制，使其加工方式成为具有超高精度、 超高空间分辨率和超高广泛性的“ 冷” 处理过程。因此，使用飞秒激光加工透明材料 与微光器件制备的研究有着十分重要的意义。 1.2 制作长周期光纤光栅的研究现状 随着光纤光栅的制作技术的不断完善，光纤光栅已成为目前最有发展前途，最 具有代表性的光无源器件之一，光纤布拉格光栅的窄带反射特性和全兼容特性可用 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在通信领域中光纤滤波器、色散补偿器、光纤激光器和波分复用系统中，长周期光 纤光栅的传输型的带阻滤波特性使其广泛应用于增益均衡器、滤波器、波长选择及 耦合器、光分插复用器、光开关等应用方面。光纤光栅在光纤通信和光纤传感方面 的广泛应用引起研究者对写入光纤光栅制作方法的巨大兴趣。长周期光纤光栅的写 入方法很多，除紫外光写入法，还有 co2激光写入、腐蚀刻槽法、电弧放电法、机 械微弯变形法及飞秒激光逐点写入法（point- by- point） ，这些方法各有其优缺点，形 成机理各异，写入的长周期光纤光栅的特性也不尽相同，以致在不同领域有着不同 的应用。 1.2.1 长周期光纤光栅制作方法和原理 长周期光纤光栅的制作方法有很多，将各种方法和写入装置进行有机的组合， 就可以制作形式多样、结构丰富、满足各种需要的光纤光栅。 1) 振幅掩模法 振幅掩摸法写入不采用衍射光束干涉条纹“ 模制” 折射率调制图案的办法，而是 模板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射到光纤上，纤芯折射率发生相应的变 化而成栅的25。写入后对其退火，以稳定光学特性。振幅掩模板通常用于长周期光 纤光栅的写入。 实验装置如图 1- 3 所示。 因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米， 掩模板的制作很方便，而且精确，容易得到保证，所以用这种方法制作的光栅，其 一致性和光谱特性比较好，而且对紫外光的相干性没有要求。 krf准分子激光器 am 宽带光源 光谱仪 光纤 pc 图 1- 3 振幅掩模法制作 lpfg 的实验装置 2) 电弧感生微弯法 利用电弧导致的永久微弯制造灵活剖面控制的 lpfg26，如图 1- 4 所示。光纤去 除护套后，用两个相距 5.5cm 的夹具笔直固定，然后将一个夹具沿与光纤轴向正交 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的方向向下位移大约 100m，从而在光纤上产生一个横向的应力。电弧在某一点放 电时，在剪切应力的作用下产生微弯，微弯的幅度典型值小于 1m，用这种方法制 作的光栅谐振波长只与光栅周期有关，而与耦合强度无关，所以光栅的中心波长、 反射率等特性易于控制。此外，所形成的光栅具有低的插入损耗(小于 0.2db)和高的 热稳定性,在 800以下性能没有任何降低。微弯构造 lpfg 的另一优点是不需要特 殊的光纤(如掺杂、载氢以提高光敏性),其缺点是光纤的机械特性有所下降。 光纤夹具 光栅周期 电极 光纤 位移 图 1- 4 电弧感生微弯法制作 lpfg 3) 残余应力释放 在芯径是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤中，被拉伸时由于光弹效应在高粘度 的芯径区引入了残余应力，折射率会降低。当用火焰、电弧或高功率激光退火时， 可以很容易地将芯径内残余的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复到原来的水平。 如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可以在纤芯内形成周期性折射率 变化，从而形成光栅27。此项技术方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较 好的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下的温度传感器。 (1) 利用弧光放电 此法利用熔接机的电弧而产生纤芯内残余应力释放，来改变光纤的折射率。如 图 1- 5 示，把没有装护套的光纤放在熔接机的两个电极之间，光纤靠一个与控制马达 相连的移动平台拉动。当使用电弧在选定的电流和持续时间之后，光纤沿纵向移动， 电弧继续放电。这个过程重复进行，在此过程中，光纤没有应变，从而确保其没有 物理形变28。利用此技术，通过选择恰当的电弧电流和持续时间，就可制造出所需 耦合强度的 lpfg。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 白光光源 光谱分析仪 光纤 电弧 电动控制 精确控制台 图 1- 5 利用弧光放电制作 lpfg 示意图 (2) 利用聚焦 co2激光器 采用 10.6m自由空间波长 co2激光脉冲对光纤逐点曝光。 光纤在制造过程中生 了很高的残余应力，用聚焦 co2激光脉冲辐射可以释放其中的应力而形成 lpfg29。 如图 1- 6 示。使用 b2o3作为掺杂物可以增加粘性差异，并可控制 lpfg 的温度敏感 性。这种方法不需要光纤的物理变形，通过 co2激光光束一致的、均衡的照射，极 化相关可以被抑制掉。 应力释放区 没有被加热区 co2激光器光束 柱状透镜 光纤 图 1- 6 采用 co2激光器制作 lpfg 的示意图 (3) 红外飞秒激光脉冲 日本 kondon 人首次用波长 800nm，脉冲宽度 120fs，重复频率 200khz 的红外 飞秒激光脉曝光光纤，在纤芯中成功制作了周期为 460m，长度为 29.9mm 的 lpfg30。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1- 7 红外飞秒激光其写入 lpg 示意图 如图 1- 7 所示。 用飞秒激光脉冲制作的 lpfg具有很好的耐热衰变性和优越的老 化特性，且在 500以下光栅的性能不会下降，在 20500范围内损耗峰与温度具 有良好的线性关系，斜率为 0.098，与用紫外光制作长周期光栅的值差不多，可用 作 500以下高温传感器。其形成光栅的机理可能是在激光的辐射期间，材料的局部 熔化和快速重新排列导致结构的致密化。此方法的缺点是如果飞秒激光脉冲辐射到 光纤包层上，也会在包层中感生折射率的变化，从而产生很大的附加损耗，影响光 栅的使用，因此对激光脉冲辐射位置的控制要求较高。 4) 机械感生法 机械感生原理早在 1980 年就在双折射光纤的偏振模式和光纤两种模式 (lp01lp11)的耦合中得到应用31。如图 1- 8 所示，当光纤位于沟槽板(沟槽周期为?) 和平板之间时，如果对沟槽板施加压力，则光纤受到沟槽板传递的力。由于沟槽板 上的沟槽是周期性的，经光弹效应，在光纤上引起周期的折射率调制。通过改变光 纤与凹槽之间的角度可以调节光栅的周期和损耗峰的位置。通过调节压力的大小可 以控制光栅的损耗峰的深度。实验发现未去除光纤的护套时光栅的插入损耗小，而 去除护套时光栅的插入损耗大，原因可能是护套减少光纤的微弯。用这种方法制作 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的光栅，其透射谱的温度稳定性与光感生的光栅类似。这种 lpfg 的另一个特点是 可擦除，即当压力去除后，光纤的传输可恢复到它的最初波段。因而，使用同样的 沟槽板和光纤可得到宽范围的滤波功能。 平板 沟槽板 压力 光纤护套 光纤 图 1- 8 机械感生法制作 lpfg 的示意图 5) 腐蚀刻槽法32 光纤剥离涂覆层，表面经处理，平直固定，沿轴向等间距均匀喷涂一定宽度 的金属薄层，然后将光纤置于氢氟酸中，氢氟酸对光纤材料的腐蚀特性使未涂覆 金属层的光纤表面被刻蚀，形成周向对称的轴向周期性结构，使其光学特性发生 轴向的周期性调制，形成长周期光纤光栅。为使之刻蚀均匀，氢氟酸中应加入缓蚀 剂。 6) 扫描法 这种方法延伸了点- 点写入技术， 而且不需要额外的费用就可写入任意形式的 lpfg33。实验装置如图 1- 9 所示，uv 光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微 镜物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于 30m。微控移动平台使 uv 光束沿着光 纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性的曝光。在这里， 光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光栅的最大长度由移动平台移动的总 长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表明，制作出长为 11mm，周 期为 500m 的 lpfg，经测试，实验值与模拟值吻合，从而说明了这个简易方法 的准确性。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 uv 光束 计算机控制 的光圈 望远镜 移动平台 显微镜 物镜 光纤 应变仪 电动光纤 拉伸器 图 1- 9 制作 lpfg 的实验装置图 相比其它制作光纤光栅方法，飞秒激光直接写入光纤光栅的技术逐渐形成，飞 秒激光直接写入光纤光栅方法，具有以下几点优势： (1) 无需掩模板，简单易行 uv 光利用相位掩模法写入光纤光栅时，是通过相 位掩模（光衍射器件）将紫外光进行空间调制，形成周期性光栅结构，而且相位掩 模法对紫外光的空间相干性要求很高，制作成本很高。而飞秒激光直接写入光纤光 栅时，所需的装置简单，无需掩模板，是通过飞秒激光辐射改变纤芯折射率形成周 期性光栅结构； (2) 光纤材料无需载氢和增敏处理 紫外曝光光纤纤芯来写入光栅，是要求光 纤具有很高的光敏性，对光纤进行氢载处理来使光致折射率调制达到很高，这样可 以写出高反射率的光栅。而飞秒激光写入光纤光栅时，光纤材料无需氢载和增敏处 理，飞秒激光可以在一般通信单模光纤、微结构光纤（大模场的光子晶体光纤）直 接写入光栅； (3) 制作的光栅热稳定性好，不易老化 一般方法制作的光纤光栅容易出现老 化和高温光栅耐热性差等缺点。而飞秒激光写入的光纤光栅，利用飞秒激光“ 冷” 加 工特性，克服了以上缺点。制作的光栅耐热且不易老化； (4) 可以制作各种特殊光栅，容易控制周期 相位掩模法写入光纤光栅时，一 块掩模板只能制作一种周期的光栅，周期不易改变。飞秒激光可以利用位移加工平 台来控制所制作光栅的周期，而且操作灵活，可以制作啁啾光栅、相移光栅等特殊 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的光栅。 1.2.2 飞秒激光写入长周期光纤光栅的实验研究进展 长周期光纤光栅(long period fiber grating, lpfg)是一种很好的传输型带阻滤波 器，通常周期大约为 1001000m，具有附加损耗小、无后向反射、不受电磁干扰、 全兼容与光纤等特点，使其在光纤通信中可得到广泛的应用，与光纤布拉格光栅相 比，其阻带比光纤布拉格光栅的阻带宽很多，而且是传输型的，没有回波影响，因 此可以简便地级联多个不同阻带特性的长周期光纤光栅以获得所需的滤波特性。 1999 年，y. kondo 等人介绍了一种比较新颖的方法，利用红外 800nm的飞秒激 光在单模光纤中制作长周期光纤光栅，涂覆层不对该波段的光吸收30。首次实现了 飞秒激光直写长周期光纤光栅的研究，一般紫外光写入的长周期光纤光栅的附加损 耗 0.2db,而飞秒激光写入的长周期光纤光栅的附加损耗达到 4db。同年，该研究组又 在飞秒激光刻制的长周期光纤光栅的耐热性能上进行了研究34。如图 1- 11 所示，在 500时损耗峰波长的漂移 20nm，而 uv 光写入的光栅在 250时，损耗峰波长漂移 了 33nm左右35。与用uv 光制作的长周期光纤光栅相比，飞秒激光所制作的光栅具 有良好的热稳定性，并具有优越的耐老化特性。 图 1- 11 (a) 飞秒激光写入的 lpfg 的温度与波长漂移关系图；(b) uv 写入的 lpfg 的温度与 波长漂移关系图 波长漂移(nm) 0 100 200 300 400 500 600 温度 (0c) (a) 0 10 20 30 40 50 60 斜率= 0.098nm/0c c 50 100 150 200 250 温度( 0 c ) 0 5 10 15 20 25 30 35 (b) 波长漂移(nm) 波长漂移(nm) 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2001 年， kevin p. chen等人介绍了首次利用 157nm的 f2激光分别在载氢和未载 氢的通信光纤中写入透射强度大于 20db的长周期光纤光栅36。 直到 2004 年， hindle 等用飞秒激光点点写入光栅的实验，他们利用飞秒激光在掺锗纤芯和纯硅的纤芯中 写入长周期光纤光栅，折射率调制得到 310- 4，首次在纯硅纤芯的光纤中写入长周期 光纤光栅37。2005 年，有研究者文献中高强度 110- 200gw/cm 2，250fs 波长为 211nm 的飞秒激光分别在氢载的 smf- 28 单模通信光纤和一般的掺杂的光敏光纤制作了高 质量的长周期光纤光栅38。 近年来，利用飞秒激光在光纤中直接写入光纤光栅的方法，相比其它的技术具 有独特的优势，大大的减轻了制作成本，对于光纤通信和传感方面提供了很大的便 利。 1.3 课题的创新点及研究内容 1.3.1 创新点 国外很多研究者利用飞秒激光在单模光纤端面处写入一维或者二维的光栅，根 据文献调研，我们提出在大模场的光子晶体光纤纤芯端面利用飞秒激光直接写入端 面光栅结构，源于大模场光子晶体光纤的特性： (1) 无截至单模性 可以实现近乎全波段的单模传输； (2) 模场直径大 具有很大的有效模场面积和非常低的传输损耗； 这些优良的特性适合于高功率传输（光纤的损伤阈值高） ，无非线性效应，另外 其大包层直径特性，可以降低光纤的微弯损耗。飞秒激光在大模场光子晶体光纤 (lma- pcf) 纤芯端面写入光栅，可以探索实现大功率信号光传输时的分光和监控。 1.3.2 主要内容 (1) 阅读了大量的有关课题的文献， 从理论上系统分析了飞秒激光与透明材料相 互作用的机理，介绍了激光烧蚀透明介质材料机理的研究背景。详细介绍了光纤光 栅的制作方法和相应的理论。 (2) 实验研究了飞秒激光照射下石英光纤的烧蚀情况， 获得各种不同光纤的损伤 阈值，并研究飞秒激光作用下的烧蚀面积和损伤功率密度之间的关系。利用 ccd 成 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 像系统和场发射扫描电镜 sem 测试，得到光纤材料的微观损伤形貌。通过研究光纤 材料的损伤实验，从而得到光纤材料的改性、损伤阈值，为飞秒激光直写光纤光栅 的研究提供了实验依据。 (3) 利用飞秒激光仅在焦点处吸收能量的特点，可以在材料中诱导光栅结构。将 飞秒激光聚焦在石英玻璃和各种掺杂的光纤材料中，焦点处材料会吸收激光能量导 致格点结构发生改变，从而导致光纤材料的折射率发生变化。从而在光纤端面和体 内分别形成光栅结构。实验实现了用飞秒激光直接写入端面光栅和长周期光纤光栅 结构。测试到了相应光栅的衍射图样和传输谱线。 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 飞秒激光直写光纤光栅理论基础 利用超短激光脉冲在高能带宽度的透明电介质材料中形成烧蚀的实验过程，通 常要求在透明介质材料中沉积足够的能量。但这些电介质材料在低强度激光脉冲入 射时，一般会表现出很强的透光能力，而且只有很少的能量被吸收。当入射激光的 强度增加到透明介质材料的非线性烧蚀阈值以上时，透明电介质材料吸收部分激光 能量，导致其局部结构发生永久性的改变。一般认为强激光对电介质材料的烧蚀可 能由高密度等离子体的产生、电磁冲击波、自聚焦现象、高次谐波等原因产生，其 中高密度等离子体的产生是引起材料烧蚀的主要原因。飞秒激光烧蚀透明材料为制 造光子器件提供有利的实验依据。 2.1 飞秒激光烧蚀石英玻璃材料的物理机理 激光对材料的破环和烧蚀一直是一个引人注目的研究课题，这个研究领域的研 究进展大体可以分为两个阶段。九十年代以前，啁啾脉冲放大和光栅压缩的技术尚 不成熟，飞秒激光器的能量比较小，主要用于研究 si、ge 等半导体材料的超快动力 学方面，研究透明材料烧蚀的激光脉冲宽度一般集中在几十 ps 到 ns 的数量级，此时 激光对材料的损伤主要是外在因素如缺陷、杂质以及表面吸附物等引起的，是非本 征损伤3941。 在七、八十年代，人们提出了热破坏、雪崩击穿、自聚焦等若干物理模型，研 究材料破坏机制，其中杂质和缺陷引起的热破坏模型得到了较深入的研究。根据热 损伤理论，材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的关系为40 ()() 0 1 thc rfc s h tt= (2- 1) 式中(2- 1) r 分别为材料的反射率和吸收比，fth是材料的损伤阈值， c? 为比热 和密度，s 为杂质颗粒受激光的照射面积，h为热扩散深度，t0为材料初始温度，tc 发生破坏（如熔化、 汽化、热弹性力学破坏等）时的温度。热扩散深度hdt,d为 热扩散系数，所以 th ft，即在长脉冲激光照射下材料发生热致损伤的阈值与脉冲 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 宽度成正比。这一规律得到了大量实验结果的验证4244。由上面的公式可知对材料 破坏影响最大的是杂质颗粒的吸收系数和颗粒半径，材料中杂质颗粒的数密度和分 布对破坏也有重要影响。材料的损伤阈值主要由杂质颗粒的性质决定，同时也与材 料的性质如熔点、热传导系数、热膨胀系数、抗张强度等因素有关45,46。 随着啁啾技术的发展，商品化的飞秒激光器开始被广泛用于科研和生产。当脉 冲宽度降至飞秒量级时，透明介质材料被破坏时激光输出的峰值功率在 1012w/cm2 以上，此时缺陷、杂质等外在因素的影响比较小，材料的损伤被认为是材料本身固 有的性质所决定的，称为本征损伤47。 1994 年，美国 michigan大学 g. mourou 课题组用脉冲宽度从 150fs 到 7ns 连续 可调的波长为 780nm 的钛蓝宝石照射超精细研磨的纯石英玻璃薄片42。采用激光焦 斑处的等离子体发射作为破坏的标准，发现当脉冲宽度大于 20ps 时，石英玻璃的损 伤阈值与脉冲宽度的二分之一方成正比。即 12 th ft。根据热理论可以知道此时石英 玻璃发生了热损伤。当脉冲宽度小于 10ns 时，损伤阈值与脉冲宽度的依赖关系明显 偏离t 的规律。当脉冲宽度小于 1ps 时，随着脉冲宽度进一步的减小，甚至会出现 损伤阈值增大的现象，材料的破坏主要时由雪崩击穿引起的。 光学材料破坏的雪崩模型是由 yablonovith和 bloembergen从早期的直流电子雪 崩击穿概念引入的，其物理图像是：在强电场作用下，一个电子被加速到能量高于 带隙宽度时，它将与价电子碰撞并产生两个动能较小的导带电子。这样的过程不断 重复下去，电子数随时间按指数规律增长48,49。 0exp( ) e nnt= (2- 2) 式(2- 2) 中的是雪崩速率， 0 n 是初始电子数密度，如果在脉冲照射材料的时间 内雪崩产生的电子密度达到了临界值，材料就会被击穿。 在八十年代，人们就利用雪崩击穿的观点研究了 nacl、kcl 等化合物在 ps 和 ns 激光作用下的烧蚀和破坏。该理论预测的特征频率和温度同临界场强的关系曲线 与实验结果符合得很好。然而，mourou等人提出的雪崩击穿与以前理论有根本的不 同42。长脉冲激光作用下材料发生雪崩的种子电子 0 n 来源于缺陷态电子或者价电子 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的统计分布，而在飞秒激光照射下材料发生雪崩击穿的种子电子是由价电子的光致 电离产生的。其基本的物理过程如图 2- 1 所示。 图 2- 1 碰撞电离基本物理过程示意图 b.c .stuart 等人用基频波长为 1053nm及其倍频光、脉冲宽度从 140fs 到 1ns 可 调的掺钛蓝宝石激光器照射石英玻璃和氟化钙薄片，每点打 600 发。利用光学显微 镜观测材料表面烧蚀形貌50。采用表面出现永久形貌变化作为破坏的标准，研究材 料的破坏阈值与脉冲宽度的依赖关系。实验结果表明，当脉冲宽度小于 1ps 时，材 料的破坏阈值与脉冲宽度的依赖关系开始偏离热破坏规律。与 g. mourou课题组得 到结果不同的是：当脉冲宽度eg eg 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 美国 llnl 实验室的 m. d. perry课题组建立了理论模型，研究了石英玻璃中价 电子的多光子激发、导带电子的光吸收和能量分布，并采用 double- flux 模型，计算 了碰撞电离速率，比较了多光子电离和碰撞电离对导带电子产生的贡献，研究了激 光的传输和导带电子的分布50。采用等离子体共振频率等于激光频率时的电子数密 度为标准，理论计算了材料破坏阈值与脉冲宽度的依赖关系。理论与实验结果符合 得很好。g. mourou课题组则用 keldysh理论计算了材料的光致电离速率，用电子在 直流电场中加速并与价电子碰撞的 thomber 模型计算碰撞电离速率，研究了材料的 破坏阈值与材料中初始电子数密度的关系44。发现随着初始电子数密度的增加，当 脉冲宽度小于 1ps 时破坏阈值会随着脉冲宽度的进一步减小而增加。 在 5fs- 14ps 的范围内，人们研究了石英玻璃以及多种掺杂玻璃等透明介质的烧 蚀深度、烧蚀体积与脉冲宽度、激光强度、脉冲数目的依赖关系。研究表明，对于 14ps 脉冲激光，当激光强度超过破坏阈值时，烧蚀深度随激光强度缓慢增加。然而， 对于脉冲宽度小于几个皮秒的超短脉冲激光，当激光强度超过烧蚀阈值时，材料的 烧蚀深度迅速增加到几百纳米，然后又开始缓慢加。飞秒激光作用下，材料的烧蚀 面积与脉冲强度成对数关系，烧蚀体积与光强成正比。人们提出了非常粗略的唯象 理论，试图解释材料的宏观烧蚀定标率。一个非常有意思的实验现象是，当脉冲强 度远大于烧蚀阈值时， 长脉冲(几百飞秒)激光的烧蚀深度和烧蚀体积均大于同样强度 的短脉冲(几个飞秒到几十飞秒)激光的烧蚀值。 人们曾认为这是因为导带电子的产生 机制不同引起的。当脉冲宽度为几百飞秒时，导带电子主要通过碰撞电离产生；当 脉冲宽度为几十飞秒时导带电子主要通过多光子过程激发。直到目前为止，人们还 没有统一的认识。 2.2 长周期光纤光栅原理 长周期光纤光栅的模式耦合属于纤芯基模lp01与同向传输的包层模式lp0m(m=2, 3, 4, )之间的耦合。由耦合理论可知，长周期光纤光栅的相位匹配条件可以表示为 52： () ,mcoc l m deffeff nn= (2- 3) 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式(2- 3)中， m d ?为设计谐振波长 （有效折射率无限小时弱光栅的谐振波长） , co eff n和 cl,m eff n 分为为纤芯基模 lp01和 m 次包层模 lp0m的有效折射率。在长周期光纤光栅的写入 过程中，随着纤芯基模 lp01和一阶 m次包层模式 lp0m有效折射率调制 co eff dn和 cl,m eff dn 的增大，纤芯基模 lp01和一阶 m次包层模式 lp0m耦合的谐振波长可以表示为： , res , 1 coc l m effeffmmm d coc l m effeff nn nn =+ (2- 4) 若 cocl,m effeff dndn，则 cl,m eff dn可以忽略； m ? 是与光纤波导色散有关的表征谐振波长漂移 和漂移快慢的物理量，即光纤的波导色散因子。 因此在长周期光纤光栅的写入过程中，随着有效折射率调制的增大，纤芯基模 与一阶包层模耦合的损耗峰的漂移方向与包层模式的阶次 m有关纤芯基模与低阶包 层模之间的耦合的损耗峰随着折射率调制的增大向长波方向漂移，而纤芯基模与高 阶次包层模耦合的损耗峰随着折射率调制增大的短波方向漂移。 2.3 本章小结 本章阐明了飞秒激光烧蚀加工透明材料的物理机理，介绍了长周期光纤光栅谐 振波长理论，系统掌握飞秒激光与透明材料作用机理与长周期光纤光栅波长理论， 为飞秒激光烧蚀光纤材料和直写光栅实验提供了理论基础。 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 飞秒激光微细加工实验系统及光栅的测试 目前，基于飞秒激光烧蚀的微细加工系统大都采用脉冲宽度 100fs 左右，脉冲能 量 mj 量级的飞秒激光器，采用适当的光束传导与聚焦装置将聚焦强度在 1012- 1016w/cm2的激光束传递到材料加工面上产生烧蚀，再采用精密微加工台精确控 制加工样品的移动来达到扫描加工的目的。飞秒激光微细加工系统一般由飞秒激光 器、光路装置与微加工台等部分组成。华中科技大学激光技术国家重点实验室建立 的飞秒激光微细加工平台采用光谱物理(spectra- physics)公司的掺钛蓝宝石飞秒固体 激光器为加工光源，自行建立光路装置进行光束变换与调节，微加工工作台采用尼 康(nikon)显微镜配装三维数控精密移动台构成， 并配备了ccd(charge coupled device) 实时监测装置与控制用计算机。 3.1 飞秒激光微细加工实验系统 目前，飞秒激光微细加工有两种方法：全息记录法(holographic lithography)和激 光直接扫描法(direct laser scanning)。 全息记录法：全息技术是现代光学的一个重要分支，它实际上是一个双光束干 涉过程。两束或多束相干激光在重叠汇聚处可以产生呈空间周期性变化的强度图案， 然后通过光与物质的相互作用，则可形成介质折射率在空间呈周期性变化的有序结 构。由于激光相干性很强，且干涉图案的周期与所用波长同量级，因此其可用来制 备微细结构。但是该方法实验装置复杂，设备昂贵，光束的干涉难控制，限制了在 微细加工领域的应用。 激光直接扫描法的光路比全息记录法要简单很多，将光束按照加工要求，与 cad/cam 技术相结合进行直接扫描加工，采用该方法可以加工出任意图案，克服 全息记录只能加工规则图案的弱点。我们的实验中采用激光直接扫描法，采用高数 值孔径的透镜将飞秒激光聚焦在金属表面上实现烧蚀，通过控制计算机三维移动轴 的精密运动，实现精密微细加工。飞秒激光三维微细加工技术是一项集超快激光技 术、显微镜技术、高精度三维移动技术和计算机控制技术于一体的新型微加工技术。 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3- 1 飞秒激光微加工系统装置示意图 实验装置示意图见图 3- 1。实验采用掺钛蓝宝石飞秒激光器，激光脉冲能量可通 过一个半波片与格兰棱镜进行调节，利用光阑去除光路中的杂散光、提升光束质量， 采用机械快门来控制曝光脉冲数。加工试样放置在三维数控精密移动工作台上，飞 秒激光束经折反镜反射和显微物镜聚焦后垂直照射在试样表面。烧蚀实验在空气中 进行， 通过与显微目镜相连的 ccd 实时观测飞秒激光的烧蚀过程。 实验系统可分为： 光源系统、加工平台和监控记录系统。 (1) 光源系统 图 3- 2 800nm/50fs/1khz 飞秒激光系统(sp