法布里-珀罗标准具瞬时光敏性测量

邹林儿，沈 云，李 寅，武煜宇

（南昌大学物理与材料学院，南昌 330031）

0 引言

具有光敏性的光纤常用来制备光子功能器件，如光纤光栅［1-2］、光敏传感器件［3-4］，在光纤光子学领域里有着科学和工程方面的广泛应用。自1978 年Hill等［5］发现掺锗石英光纤的光敏性以来，人们对光纤光敏性的研究一直在进行［6-8］。目前，虽然具有光敏性的特种光纤得到了开发，如硫系玻璃光纤［9］，但对光纤光敏性的微观机理还不是很清楚，主要由于光敏性变化过程的复杂性及缺乏相应详细的瞬时实验数据。

本文应用法布里－珀罗（Fabry-Perot，FP）标准具原理设计搭建了可详细测量光纤纤芯的瞬时光敏性变化的实验平台。该平台采用长焦距透镜，可得到沿光轴向较长深度的聚焦光斑，利于在光照区域内实现均匀光照；同时能获得具有较高对比度的透射光谱波形图，光谱图形质量良好，可实现测量瞬时折射率变化精度达到10－5数量级。

1 实验原理与装置

FP标准具是通过划分振幅来产生大量相互相干的光束而设计的光学元件，被广泛应用于光谱测量［10］、精密计量［11］、传感器［12］等方面，图1 所示为FP标准具基本结构及光束传播的示意图。FP 标准具由2 个平行且部分反射的端面（镜面）组成，在其内部，入射光束被无数次反射，多个透射光束发生干涉。任意2 条相邻透射光束的光程差为2nLcos θ，其中，n表示2反射端面间材料的折射率，L表示2 个反射端面的间距，θ表示入射光束的折射角。本文仅考虑FP标准具的正入射，即θ ＝0°，则相邻透射光束的相位差δ取决于它们的光程差，表达式［13］为

图1 FP标准具结构及光束传播示意图

式中，λ0为测量波长。

采用波长扫描法（或光谱法），FP 标准具出现最大干涉条纹功率值（透射峰值）时相位

式中，m表示干涉级数；λm是第m干涉级数对应的波长。因此，在如图2 所示标准具输出的透射光谱图形中，透射峰位置取决于测试光的瞬时φ，其相邻峰的λ间隔是自由光谱区（Free Spectral Range，FSR），由式（2）可得：

图2 FP标准具输出的透射光谱图，以及因标准具内部微小折射率变化引起的透射光谱波形位移

由于光在FP 标准具镜面间多次菲涅尔反射，只要FP标准具内部存在微小的折射率变化Δn，则干涉的波形图就会发生位移Δλ（见图2）。

图3 所示为FP标准具测量光纤样品瞬时光致折射率变化的实验装置示意图。该实验装置是由光照射系统和测试系统两部分组成，其中放置于专用夹具上具有一定长度L的FP 标准具由光纤样品制作而成。在光照射系统中，照射光源（激光）经可调衰减器后由扩束透镜组扩束，通过柱面透镜形成一定长度和宽度的光斑照射在样品上，其中光照时间采用高速电子快门（最高达1 ms）控制。在测试系统中，测量光源光束经高数值孔径的单模光纤端面耦合进出被测光纤样品，输出端用高分辨率光谱仪进行光谱监测。

图3 FP标准具测量瞬时光致折射率变化的实验装置示意图

当光纤样品的纤芯折射率在光照长度l中改变Δn时，相应的相位变化Δφ ＝4πΔnl／λ0，会导致标准具Δλ ＝FSR ×（Δφ／2π）。利用光谱仪追踪测量Δλ，可计算出Δn，即

另外，制作FP标准具时长度不宜太长，否则FSR太小，低于光谱仪的分辨率，则观察不到整个FSR。

2 实验结果与分析

2.1 实 验

在图3 的实验装置中，采用连续的双频Nd：YAG激光器作为照射光源，照射波长为532 nm，光源光束经扩束透镜组扩束和柱面透镜聚焦后，在样品表面上形成高度约1.1 mm、宽度约5 mm的呈高斯强度分布光斑。为保证沿光轴向的光纤样品横截面深度范围光均匀照射，选择焦距长70 cm 的柱面透镜。在测试系统中，采用线性偏振、宽带约为1 520～1 570 nm的放大自发辐射光源ASE作为测试光源，选用高分辨率为10 pm的光谱仪。测试样品选用具有光敏性的As2S3硫系玻璃光纤，其纤芯／包层对应的直径约为8／140 μm，纤芯n＝2.415。用超声波刀直角切割长度为15 mm的As2S3光纤制作为两端面光滑且平行的FP标准具，正入射时估算到FP 标准具的端面反射率约为17%，波形图具有较高对比度（消光比）。该实验装置置放于气垫精密隔振光学平台，防止微小振动破坏光路，确保光路稳定性。

通过高速电子快门瞬时控制光照时间，图4 所示为As2S3光纤样品在光照时间相隔2 s前后光谱分析仪（Optical System Analysis，OSA）跟踪的波形图位移情况，显示出波形图具有较高的对比度，光谱图形质量良好，清晰可辨，其峰-谷值可高达0.12 μW。由图4可知，测量得到Δλ ＝14 pm，通过式（4）可计算出该瞬时Δn＝6.5 ×10－5，测量精度达到10－5数量级。在该实验中各参数是n＝2.415，L＝15 mm，l＝5 mm，λ0＝1 550 nm，利用式（3）算出FSR ＝30 pm。

图4 硫系玻璃光纤在光照射时间相隔2 s前后OSA实测的波形图

实验中，光刚开始照射时，因折射率变化敏感性强，可设置每次光照时间为0.1 s；随着光照时间延长，折射率变化敏感性减弱，设置每次光照时间可逐步增加以满足能反应动态特性的要求。另外，为了消除光照时累计热效应的影响，每次停止照射间隔设置为10 s。

2.2 硫系玻璃光纤瞬时光敏性

图5 所示为光照功率为分别9、20 和30 mW 时，As2S3光纤纤芯的瞬时Δn与光照时间t的关系。由图5 可知，在照射波长为532 nm 的光照射下As2S3光纤纤芯光致折射率变化存在两个过程：光照开始时，Δn朝减小方向变化，即负变化，该变化过程是持续时间较短，为快过程；之后光照时间的延长，Δn开始缓慢朝正方向恢复，且随着光照时间进一步增加，Δn会出现正增长，为慢过程。光照功率为9 mW 时［见图5（a）］，第1 快过程经历的时间为227 s，Δn＝－0.062 ×10－2；在第2 个慢过程中，在t＝1 230 s时Δn出现正增长，t＝3 500 s时Δn＝0.061 ×10－2。当光照功率增加到20 mW时［见图5（b）］，第1 快过程经历的时间缩短为49 s，Δn＝－0.057 ×10－2；在第2 个慢过程中，在t＝189 s时Δn出现正增长，t＝3 500 s 时，Δn＝0.361 ×10－2。当光照功率继续增大到30 mW 时［见图5（c）］，第1 快过程经历的时间进一步缩短至28 s，Δn＝－0.023 ×10－2；在第2 个慢过程中，在t＝80 s时，Δn出现正增长，在t＝3 500 s 时，Δn增长约为0.573 ×10－2。

图5 不同光照功率下FP标准具测量As2S3 光纤纤芯的瞬时光致折射率变化与光照时间的关系

实验结果表明，随光照功率的增大，第1 快过程中的光致折射率负变化程度（幅度）减弱，经历的时间缩短，在一定光照功率下缩短至数10 s；而第2 个慢过程中，随着光功率的增大，光致折射率正变化程度增强，且呈现正增长的Δn经历时间也显著缩短。

综上分析可得知，As2S3光纤纤芯的瞬时光致折射率动态变化特性显示出在As2S3玻璃的准带隙光532 nm光照射下，存在2 个过程，这2 个过程持续时间与光照功率有关，结合文献［14-15］中分析，第1 个快过程是源于缺陷态产生，持续时间与光照强度成反比例关系，此时缺陷态处于亚稳定状态；进入第2 个慢过程会使缺陷态稳定化，稳定过程持续时间取决于产生的缺陷数量，最终饱和态的折射率增加幅度随光照强度的增加而增加。

3 结语

本文设计搭建了法布里-珀罗标准具原理测量瞬时光致折射率动态变化的实验平台。该实验平台能在较长光照深度内实现均匀光照，同时获得的透射光谱波形图具有较高的对比度，光谱图形质量良好，测量瞬时折射率变化精度可达到10－5数量级。通过该实验平台测量了硫系玻璃光纤的纤芯瞬时光致折射率变化。结果表明，硫系玻璃光纤光致折射率变化存在2个过程，这个2 个过程经历的时间和折射率变化受光照功率的影响，这些实验数据可将应用于工程上刻写光纤光栅或制作光敏传感器等。

该平台，还可通过改变光照光源，进行光敏性与光照波长的关系研究；也可设计样品夹具施加外场作用，如施加张力，用来研究光敏性与外场作用的关系等。同时，该实验平台也可用于本科生科研训练和光电信息类硕士研究生专业实验教学，能使得学生深入理解FP标准具原理及掌握其用于测量光纤折射率变化的原理与方法，提高实验技能［16］。

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——摘自《国家中长期教育改革和发展规划纲要》