飞秒激光直写多芯光纤布拉格光栅（Multicore fibers (MCFs) by using femtosecond laser pulses.）

一、技术背景：利⽤全息⽅法在 MCF 中写⼊ FBG ，以及透过激光辐射穿过相位掩模进⾏光纤曝光。在这两种情况下、MCF 均通过使⽤紫外激光辐射  进⾏了修改（λ≈ 250 nm），并且所有纤芯同时吸收辐射，这导致每个纤芯中写⼊的光纤光栅具有接近的谐振波⻓。然⽽，这种⽅法对于制造 FBG 阵列来说并不是很实⽤，其中每个光栅都有各⾃的特性（折射率调制的周期和分布），在这种情况下  需要在写作过程中必须不断更换相位掩模。

二、直写技术更新：随着可⻅光和红外范围内⾼功率⻜秒激光源的出现，FBG写⼊技术迎来了新⼀轮的发展。 由于⻜秒脉冲吸收的⾮线性机制，可以以⼩分辨率（~1 μm）修改⾮光敏材料（纯⼆氧化硅、蓝宝⽯、氟锆酸盐玻璃等）体折射率。这使得不仅可以沿着选定的纤芯写⼊FBG ，还可以创建包含布拉格光栅的波导，此外，透过光纤的透明聚合物涂层（丙烯酸酯、聚酰亚胺、ORMOCER 等）制造FBG也成为可能。这些优点使得 fs 写⼊⽅法成为传感器创建的优势工具。

飞秒直写的优点在修改具有复杂横向⼏何形状的光纤（例如 多模和多芯光纤） 时尤其明显，因为它们不仅允许选择芯模和横向模式，还可以为每个光栅设置单独的⼏何形状。

三、飞秒直写研究：2003年，Mihailov等⼈证明了利⽤IR⻜秒激光辐射进⾏FBG写⼊的可能性（λ=800纳⽶，Δt= 120 秒，F=1kHz），使用相位掩模的对SMF曝光。采⽤这种⽅法， 由于飞秒脉冲透过相位掩模后产生±1 级衍射的⼲涉，会产⽣折射率的周期性调制。与使⽤紫外激光源的情况⼀样，为了达到材料改性阈值，需要在相位掩模前⾯放置⼀个柱⾯透镜，将⻜秒激光聚焦到光纤的纤芯中，从而增加其改性强度。如今，基于使⽤相位掩模的写⼊⽅法⼴泛⽤于在⾮光敏光纤中制造 FBG，通过对⻜秒激光透过保护涂层写⼊ FBG也被广泛研究，但是PM的方式写入FBG对激光脉冲的能量要求较高 （通常在 0.1 ‒1 mJ）。

根据以下表达式：Λ FBG = Λ PM/2。与使⽤紫外激光 源的情况⼀样，为了达到材料改性阈值，在相位掩模前 ⾯放置⼀个柱⾯透镜，将⻜秒辐射聚焦到光纤芯中，从 ⽽增加其强度。如今，基于使⽤相位掩模的写⼊⽅法⼴ 泛⽤于在⾮光敏光纤中制造 FBG，以及通过对⻜秒激光 辐射透明的保护涂层写⼊ FBG。请注意，该⽅法对⻜  秒激光脉冲的能量要求很⾼ （Ep~ 0.1 ‒1 mJ），这严重限制了可⽤于写⼊ FBG 的⻜秒激光系统的选择。

四、日趋成熟：飞秒激光逐点FBG写⼊的⽅法是Martinez 等⼈在2004年提出的，作者聚焦红外范围的⻜秒激光脉冲（(λ = 800 nm, Δt =150 fs, f = 1 kHz, Ep = 100 nJ)）通过⾼数值孔径物镜聚焦到单模纤芯区域。在这种⽅法中，光栅的每个“点”是由于使⽤⾼精度定位台在光纤匀速运动期间吸收单个⻜秒激光脉冲⽽引起的如下图（三种写入方法，逐点，逐行，逐面）（The FBG period depends on the fiber travel speed vtr and the laser pulse repetition rate f according to the following expression: ΛFBG = vtr/f.）

五、飞秒激光直写的特征：

1.飞秒激光点对点写⼊FBG⽅式毫⽆疑问的优点是对飞秒激光的脉冲能量的要求相对较低  （10 ‒100 nJ)，允许选择更便宜、更紧凑的全光纤⽅案⻜秒激光系统。当聚焦具有⾼斯分布的 fs 光束时，修改区域是雪茄形的（如下、图1），并且仅与纤芯直径约为5-10μm的标准单模光纤的部分纤芯重叠，这导致FBG与纤芯模场的重叠积分值相对较⼩。为了解决这个问题，提出了两种改进的点对点写⼊⽅法。

图1，⾼斯光束情况下，⻜秒激光脉冲在单模光纤横截⾯引起的折射率变化

  (A）像散⾼斯光束（B）对于不同的脉冲能量。

2.在第⼀种⽅法中，称为逐线⽅法，由均匀分布在光纤光轴横向⽅向上的单个修改点形成连续线 ，如图所⽰图3(b)。因此，FBG 周期是通过写⼊每⾏后的顺序光纤位移来设置的。尽管该⽅法效率最⾼，但在写⼊⻓度约为1 ‒10 mm 的标准FBG⽅⾯效率较低。

图3|使⽤不同的直接⻜秒写⼊⽅法在纤芯中感应出的 FBG 结构⽰意图。（A ) 逐点法（⾼斯光束）。 （B) 逐⾏⽅法（横向扫描的⾼斯光束）。 （C) 逐  平⾯⽅法（像散⾼斯光束）。

3.第⼆种⽅法称为逐平⾯⽅法， 基于由于光束整形⽽增加 fs 修改区域的横向⾯积。为此，使⽤像散光束，该光束是通过在主物镜前⾯放置额外的柱⾯透镜从⾼斯光束获得的。适当选择柱⾯透镜的焦距、物镜的NA 以及透镜与物镜之间的距离，可以增加垂直于光轴⽅向的修改⾯积， 如图所⽰图3(c)，该⽅法的优点是能够写⼊具有低宽带插⼊损耗⽔平的⾼反射光纤光栅，对于谐振倾⻆幅度为 25 dB 的 10 毫⽶ FBG，损耗⽔平不超过 0.02 dB。

该⽅法的缺点包括对⻜秒脉冲能量的要求较⾼ Ep  1μJ），并且存在第⼆个焦点，其中传播的⻜秒脉冲的未吸收能量可以导致折射率的不良改变如下图。

如图 ⾼斯光束情况下，⻜秒激光脉冲在单模光纤横截⾯引起的折射率变化  (A）和像散⾼斯光束（B）对于不同的脉冲能量。

四、FBG直写系统设置：

如下图， FBG写⼊的技术是⼀边将MCF拉过透明插芯的通道（图5）似乎是最灵活和最有效的⽅法之⼀ ，因为它 提供了对正交平⾯中修改区域的位置的控制，使用户可以指定 FBG ⼏何形状（周期、 耦合系数、相移等），并且 适合⽤于实现上述任⼀种飞秒直接写⼊FBG的⽅法。使⽤玻璃⽑细   管作为插芯，其内径⽐光纤直径⼤约 5-10 μm。为了补 偿像差，⻜秒激光辐射通过插芯的平坦抛光⾯聚焦，光纤和⽑细管壁之间的间隙充满浸油。光纤的恒速纵向运  动由精密线性平移台提供，旋转⻆度由光纤旋转器设定。通常， 当修改MCF时，fs光束的焦点被设置为不穿过相邻纤芯，使用⼀个额外的镜头，其焦点与主焦点对⻬，允许⼈们相对于折射率修改点准确地定位选定的纤芯。