FBG光纤的飞秒激光刻蚀特性及传感应用

2022-01-19刘克非

包装学报 2021年6期

关键词：飞秒微结构折射率

周贤刘克非

张欣 1 张海波 1, 2

明兴祖3

1. 湖北文理学院

纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室

湖北襄阳 441053

2.湖北文理学院

机械工程学院

湖北襄阳 441053

3.湖南工业大学

机械工程学院

湖南株洲 412007

0 引言

光栅光纤传感器因其具有抗电磁干扰、高分辨率、轻量化、体积小、远距离传输等优良性能[1]，在包装自动化加工系统中被广泛应用。微结构光栅光纤具有比标准光栅光纤更高的伸缩性、较大的表面积，其灵敏度显著提高。研究人员不断探索在光栅光纤上刻蚀不同的微结构（如微槽[2]，微腔[3]），再将其制成各种新型传感器，如在布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）光纤的包层制作微结构，并结合敏感涂层制成的新型光栅光纤传感器，其在磁场测量[4]、气体传感[5]等领域有着广泛的应用。

超短脉冲激光刻蚀是一种能有效提高微加工效率的技术，它具有峰值功率高、性能优良等优点，适合加工各种硬脆材料[6]。如采用飞秒（femtosecond，fs）激光与相位掩模或逐点刻划技术相结合，在光纤或熔融二氧化硅中制备各种光栅[7-9]。光栅或波导的特性直接受激光能量、辐照时间、聚焦数值孔径等影响，因此有关飞秒激光与介质材料之间的刻蚀机理研究也越来越多。然而，透明材料激光损伤的机理并不统一，如熔融二氧化硅中超快激光诱导折射率的变化原因有应力、致密化、色心、累积加热等理论[10-12]。一般来说，低激光能量会导致与色心理论有关的I型结构的正折射率变化，而超过损伤阈值的辐照能量则通常产生与应力、致密化有关的Ⅱ型结构[13-14]。

为深入研究激光诱导折射率变化的机理，本研究利用飞秒激光在光栅光纤包层上制备了直槽微结构，近似量化了飞秒激光诱导的光栅光纤折射率变化，研究光纤表面微结构的刻蚀特性。此外，还研究了不同加工参数对光栅光纤的影响，退火实验结果在一定程度上验证了激光对光纤损伤的机理，并以微型结构光栅光纤磁场探头和氢气探头为例进行了实验研究，以期为探究飞秒激光刻蚀微结构的光纤特性以及微结构光纤传感增敏机理提供理论参考。

1 飞秒激光加工光纤实验

1.1 实验仪器及参数

实验系统主要由飞秒激光加工系统、光谱仪、自制旋转光纤夹具、FBG光纤组成。日本CyberLaser公司的IFRIT型钛宝石飞秒激光器（Titanium gem femtosecond laser），能够输出波长为 780 nm、频率为 1～1 000 Hz、平均输出功率为 1.1 W、输出光束直径为5 mm的飞秒激光。光纤夹具夹持光纤放置在三维加工平台（实现X、Y、Z三轴移动，移动精度分别为 1 μm×1 μm×0.5 μm），自制旋转夹具用于固定和旋转光纤。光谱分析仪（OSA型，波长分辨率为 0.05 nm，Δλ范围为 350～1 750 nm）用来观测FBG光纤输出光谱。光纤采用输出波长为1 319.6 nm、有效折射率为1.445、光栅长为9 mm、光纤光栅周期为4 564 nm的单模光纤。

1.2 飞秒激光加工光纤实验

采用相位掩模技术，利用248 nm准分子激光器将光纤光栅写入标准单模光纤纤芯，制备成FBG光纤；然后，利用钛宝石激光器在FBG光纤表面刻蚀了一种长度为9 mm直槽微结构。加工方法如下：飞秒激光经过光路聚焦在光纤表面，同时夹具夹持光纤样品置于精密三维移动平台上，三维平台作Y轴移动，配合激光完成直槽加工。所采用激光的加工参数为：激光功率20～50 MW，扫描速度4.5 mm/min。加工过程中采用实时电荷耦合元件（charge coupled device，CCD）相机对烧蚀过程进行了监测，并用光谱分析仪对光栅光纤的反射光谱进行了实时监测。整个实验系统简图如图1所示。

图1 飞秒激光加工光纤实验系统简图Fig. 1 Schematic diagram of experimental system for femtosecond laser machining optical fiber

2 结果与分析

2.1 飞秒激光刻蚀FBG光纤表面形貌分析

图2显示了使用飞秒激光（功率为22 MW，平移速度为4.5 mm/min）烧蚀光纤的整体形貌。

图2 光纤表面形貌Fig. 2 Surface morphology of ablated fiber

由图2a可知，光纤表层堆积一层微小碎屑，这是由于激光功率极高，烧蚀后沟槽较深，烧蚀材料不能完全喷射到光纤表面，所以在沟槽侧壁上沉积固化，出现不规则的颗粒状，且颗粒碎屑的体积随着脉冲能量或辐照时间的增加而增大。图2b为使用氢氟酸（HF）处理后的光纤表面形貌，大部分的碎屑已被去除，光纤表面变得光滑平整。图2c为槽侧壁的局部放大部分，观察到其形态类似钟乳柱状，光纤的晶粒方向与激光的偏振方向垂直，在沟槽边缘存在一些零星的周期性条纹。这是因为在烧蚀过程中，激光与靶材接触后产生材料等离子体，当激光通过等离子体和溅射碎片时会发生激光反射或折射，从而产生纳米裂纹；当等离子体分布不均匀时，激光束与等离子体界面相互作用，在聚焦区产生周期性条纹并进一步电离。图2d为烧蚀光纤的横截面，可以看出槽的形状与激光的高斯分布一致，凹槽的深度约为24 μm。

利用最小二乘法对不同激光能量下的沟槽深度数据进行拟合，结果如图3所示。

图3 激光能量与微槽深度关系Fig. 3 Relationship between laser energy and groove depth

由图3可知，拟合曲线方程中y表示刻蚀深度，x表示激光能量，R2为线性拟合程度指标，曲线方程与实验数据吻合较好。随着激光能量的增加，微槽的深度也随着增加。

2.2 飞秒激光刻蚀FBG光纤对FBG光谱影响

2.2.1 激光刻蚀槽数的影响

图4为激光刻蚀不同槽数的FBG反射光谱。由图4可知，反射光谱永久性地向长波方向偏移，且随着凹槽数量的增加，漂移量逐渐增大，没有变形迹象，但存在一定的光功率损耗。对比图4a与4b，FBG光纤中心波长的变化趋势基本一致，不同之处在于图4b中波长漂移量更大，且光谱带宽的变化也更大。这是因为：与偏离光纤中心20 μm的情况相比，聚焦在光纤中心时激光辐射剂量对纤芯的影响要大得多，波长漂移量和带宽变化更大一些。为了制作微结构的FBG传感器，通常选择偏离光纤中心20 μm为宜，避免波形出现较大变化。

图4 不同槽数的光栅光纤反射光谱Fig. 4 The reflected spectrum of FBG fiber with different grooves

均匀光纤光栅的功率反射率r为

式（1）～（3）中：κ为交流耦合系数；ξ+是直流耦合系数；s是折射率变化的条纹可见度；L为光栅的长度；为折射率调制量；λ为波长。

由双曲正切函数式（2）可知，最大功率反射率随着折射率变化的增加而变大，图（4）的结果与耦合函数理论式（2）吻合较好。

2.2.2 激光功率及辐照时间的影响

本研究利用紫外（ultra-violet，UV）激光（波长为248 nm）辐照单模光纤，将9 mm长的FBG写入光纤纤芯，一般称之为I型光栅[15]，其折射率的变化与紫外光或多光子过程激发的中心缺陷变化有关。然后用激光能量强度超过光纤损伤阈值的红外激光照射I型光栅，使其折射率发生变化。

根据方程式

得到中心波长变化量为

其中：λB为布拉格波长；λ1是激光照射后的中心反射波长；Δλ为波长的变化量；neff为纤芯折射率；Δn折射率调制变化量；Λ为光栅栅距。折射率的变化与标准光纤或熔融二氧化硅中的变化相同，与辐照时间和能量的增长成正比[16-18]。

根据式（7）中给出的光波导模耦合理论[19]，带宽也受激光辐照的影响。

其中：Δλ0是带宽；L是光栅的长度。对于强光栅，带宽随着折射率变化的增大而增大，实验结果与表达式所得结论一致。

激光功率、辐照时间对FBG光纤反射谱带宽、中心波长漂移量及折射率的影响如图5所示。根据式（6）将图5a中波长偏移的值进行替换，获得图5b所示的折射率变化量。

图5 激光功率、激光辐照时间对FBG光纤漂移量、带宽及折射率的影响Fig. 5 Effects of laser power and laser irradiation time on wavelength shift, bandwidth and refractive index of FBG fiber

由图5a可知，随着激光辐照时间的增加，中心波长漂移量和带宽不断增大。当辐照时间为360 s、激光加工功率分别为35 MW和25 MW时，波长分别向长波方向移动397 pm和270 pm，带宽分别为305 pm和225 pm。光纤中心波长的变化主要是由于激光引起光纤折射率的变化。图5b为光纤折射率与激光辐照时间的关系曲线，随着激光辐照时间的增加，光纤折射率随之升高。当激光功率为35 MW、辐照时间为360 s时，光纤折射率变化量为4.4×10-4；当激光功率为25 MW、辐照时间为360 s时，光纤折射率变化量为2.9×10-4。

2.2.3 FBG刻蚀长度及辐照时间的影响

激光刻蚀光纤过程中，FBG的反射光谱随FBG长度及辐照时间的变化曲线如图6所示。图6a显示了激光完成整个直槽刻蚀过程中光谱的变化。当约有一半光栅长度的包层区域被烧蚀时，波形严重变形并出现对称双峰；但随着激光烧蚀光纤包层总长度的增加，双峰逐渐消失。该结果表明折射率调制对反射波形有影响，其机理与相移光栅相似。图6b显示了当激光烧蚀到一半长度时，不同激光辐照时间FBG反射光谱的变化。随着激光辐照时间的增加，反射光谱中出现波长为1 320.1nm的透射尖峰，并逐渐增长，但在辐照20 min后停止增长，表明该区域折射率变化量已达饱和。这是由于光栅中折射率的变化会引起光相位的变化，从而导致光纤中的传输光在该处发生相移。

图6 激光加工过程中FBG光纤反射光谱Fig. 6 FBG fiber reflection spectrum during laser processing

2.3 实验仿真分析

根据实验光谱结果及式（8），绘制了再生折射率调制图，结果如图7所示。其中，实线表示折射率的原始调制曲线，点线表示fs激光照射后的再生折射率调制曲线。

图7 折射率调制原理Fig. 7 Refractive index modulation principle

由于激光刻蚀过程中的工艺参数相同（fs激光频率为1 kHz，光斑半径约为10 μm，扫描速度为90 μm/s），相邻两光斑基本重叠因此fs激光引起的折射率变化可以假定为均匀调制，同时激光不会改变光栅间距。最终，fs激光引起的折射率变化与折射率调制的原始轮廓重叠，导致纤芯有效折射率和中心波长的增加。同样，带宽随着辐照时间或激光能量的增加而永久增加。

参照实验折射率变化量结果，仿真参数“ac”分别设置为 1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4，依据波导耦合理论，烧蚀约一半光栅长度（3.84 mm）在不同折射率调制下无相移（黑线）和有相移（红、蓝、紫线）的反射光谱，如图8所示。“ac”指数变化为1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4时，分别对应红色、蓝色、紫色线。仿真结果较好匹配了图6b所得的实验结果。

图8 实验仿真相移光谱图Fig. 8 Spectrogram of experiment simulation phase shift

彩图

2.4 FBG光纤退火实验分析

在光纤加工过程中，观察到反射波形存在严重变形的现象，如反射波带宽大幅度加宽，即使采用较小的激光能量，中心波长也会偏移几十皮米，但停止激光照射后反射波形即可恢复。这是由于库仑爆炸和等离子体的作用，在聚焦区会产生高温，从而导致反射波发生变形；当激光停止照射时，温度对光栅的影响消失，波形逐渐恢复。

为了验证色心理论是否有助于折射率的变化[16]，本研究将刻蚀后的光纤在300 ℃退火1 h，观察退火前后光栅光纤波形的变化，结果如图9所示。

图9 300 ℃退火前后光栅光纤波形Fig. 9 Waveform before and after annealing at 300 ℃

由图9可知，退火前后光栅光纤的波形没有明显变化，仅观察到由于热诱导应力松弛引起的少量功率损失；退火后光栅光纤的中心波长不变，但仍存在永久折射率变化。由此表明折射率变化可能不是由色心理论引起的。

3 微结构探头应用

FBG光纤表面加工微结构后，可在微结构表面镀上传感材料。微结构能够容纳多种敏感材料，因此其具有增敏作用，可以进一步拓展FBG光纤的应用领域。

射磁致伸缩材料TbDyFe在磁场作用下能够发生伸缩变化，在光纤表面产生相应的应力，拉伸光纤，使得FBG光纤中心波长发生变化，从而感知磁场强度的变化。钯/银复合薄膜对氢气敏感，能够吸收氢气发生膨胀，同样使得FBG光纤波长发生变化。本研究分别在微结构样品上溅射磁致伸缩材料TbDyFe和钯/银复合薄膜，制备了光纤磁传感探头和光纤氢传感探头。两种镀膜厚度不同，TbDyFe膜的厚度约为4.6 μm，钯膜的厚度约为520 nm。利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察制得的光纤磁传感探头（涂有TbDyFe薄膜）和光纤氢传感探头（涂有Pd/Ag薄膜）样品的微观形貌，结果如图10所示。

图10 微结构探头SEM图Fig. 10 SEM of micro structured probe

由图10可以看出，钯/银复合薄膜和TbDyFe膜较均匀的镀在光纤表面，镀膜均匀致密有助于提高微结构光纤传感性能，为后续传感实验提供较好的实验基础。

为了研究微结构对传感增敏性能的影响，本研究选用加工了8个微槽的FBG光纤与未加工的光纤作对比，研究光纤磁传感探头和光纤氢传感探头两种传感器的中心波长漂移与磁场强度、氢气含量的关系，结果如图11所示。

由图11a可知，随着磁场强度的增大，两种光纤磁传感探头的波长迁移量均不断增大，8个微槽的FBG磁传感探头的波长漂移量变化更为显著；8个微槽FBG磁传感探头的灵敏度最高可达0.6 pm/mT，而原始光纤探头的灵敏度最高约为0.1 pm/mT。由图11b可知，随着氢气含量的增大，两种光纤氢传感探头的波长迁移量均不断增大，8个微槽的FBG氢传感探头的波长漂移量增大更明显；当氢气体积分数为4%时，8个微槽的FBG氢传感探头对氢气的响应灵敏度约为原始光纤探头的5倍。由此表明，微结构能够有效提高传感材料的传感性能。