作者：朱玉雪， 陳東(dong) 營， 趙強， 曲軼

0引言

飛秒激光刻寫(xie) 光纖光柵的方法大致被分為(wei) 飛秒激光直寫(xie) 法、飛秒激光全息幹涉法和飛秒激光相位掩模法。飛秒激光全息幹涉法通過調節兩(liang) 束激光的夾角，靈活調製光柵布拉格波長，但光源相關(guan) 性要求高、調製時間較長。飛秒激光相位掩模法具有折射率調製範圍廣、光譜質量好等特點，但同種掩膜板隻能製備特定周期的光柵、靈活性較差。飛秒激光直寫(xie) 法具有刻寫(xie) 效率高、光路簡單等優(you) 點，不僅(jin) 避免了相位掩膜板寫(xie) 製特定光柵的局限性，還解決(jue) 了全息幹涉法光路複雜等問題。製備的光柵可以研製出溫度穩定性好、測量精度高的光纖傳(chuan) 感器，在通信、激光等領域也得到了廣泛的應用。

1999年，Kondo等利用飛秒激光在單模光纖上逐點刻寫(xie) 長周期光纖光柵，為(wei) 飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵奠定基礎。飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的典型技術包括，飛秒激光逐點刻寫(xie) 法、飛秒激光逐線刻寫(xie) 法和飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法。飛秒激光逐線刻寫(xie) 法雖然刻寫(xie) 效率高，但製備長周期光纖光柵的效率相對較低。2021年，Li等利用飛秒激光逐線刻寫(xie) 法製備了傾(qing) 斜光纖光柵，能更好抑製激光器中的散射。飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法製備的光纖光柵具有低插入損耗的特點，但通常需要較高的激光脈衝(chong) 能量。2021年，Mihailov等利用飛秒逐麵刻寫(xie) 法實現了隨機光纖光柵的製備，可用於(yu) 分布式反饋元件和超聲傳(chuan) 感。相比之下，飛秒激光逐點刻寫(xie) 法憑借相對較低的激光脈衝(chong) 能量便可實現高質量光纖光柵的製備，是一種靈活、高效的方法。2022年，Ulyanov等利用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法首次在單模光纖上製備了非線性啁啾光纖光柵，通過調控激光功率實現啁啾光柵的切趾，切趾後的光柵不存在振蕩周期和振幅增加的現象，還能明顯減少頻譜形狀中的波紋，有利於(yu) 製備光纖拉伸器。

本文全麵地綜述了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的發展曆史、研究進展和趨勢。首先闡述了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的機理和寫(xie) 製方式，其中寫(xie) 製方式包括飛秒激光逐點、逐線和逐麵刻寫(xie) 法；然後全麵總結了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的三種技術的國內(nei) 外研究進展，從(cong) 製備效率、光譜質量等方麵對比分析了各種寫(xie) 製方法的優(you) 缺點；接著詳細討論了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的光譜優(you) 化方法，為(wei) 研發高質量光纖傳(chuan) 感器提供了理論依據；最後展望了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的發展方向和高性能光纖光柵的應用前景。

1飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵進展

飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的方法包括飛秒激光逐點、逐線和逐麵刻寫(xie) 法。飛秒激光逐點刻寫(xie) 法通過高數值孔徑的顯微鏡將飛秒激光脈衝(chong) 聚焦到纖芯上，光纖沿著纖芯軸向移動，每個(ge) 激光脈衝(chong) 產(chan) 生周期性調製的折射率，實現光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）的製備。圖1（a）是飛秒激光逐點刻寫(xie) 光纖光柵的係統圖，局部圖如1（b）所示。飛秒激光逐線刻寫(xie) 法如圖1（c）所示，將光纖沿著垂直於(yu) 纖芯的方向以低速v₁移動，然後沿著對角線以高速v₂移動，重複標記每行直至完成所有周期。該方法可以獲得均勻的線寬和刻寫(xie) 間距，能實現二階或更高階光柵的製備。圖1（d）所示為(wei) 飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法在光纖截麵掃描形成 折射率調製的光柵結構。

1.1 飛秒激光逐點刻寫法 

飛秒激光逐點刻寫(xie) 法能根據傳(chuan) 感需求，靈活調製中心波長、光柵間距和長度，所需激光脈衝(chong) 能量較低（通常為(wei) 10～100nJ），但存在插入損耗較大、光譜噪聲較高、折射率變化不均勻、纖芯對準時間長等問題。

2016年，Zhang等利用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法在纖芯中引入振幅調製，製備采樣光纖光柵的3dB帶寬小於(yu) 0.2nm，有望用於(yu) 多波長光纖激光器。2019年，Wang等利用飛秒逐點刻寫(xie) 法在單模光纖上寫(xie) 製平行集成的FBG，具有93%的峰值反射率和1.44nm的3dB帶寬，實現1100℃的溫度傳(chuan) 感，空間分辨率小於(yu) 1mm。2020年，Liu等在保偏光纖（熊貓型和領結型）上逐點刻寫(xie) FBG如圖2（a）所示。保偏光纖光柵的反射譜具有如圖2（b）所示的雙峰特性，其中領結型的溫度靈敏度為(wei) 14pm·℃ˉ¹。

2022年，Su等利用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法在單模光纖的包層上實現Ⅱ型FBG的寫(xie) 製，8個(ge) 串聯形成的FBG的插入損耗小於(yu) 0.06dB，實現了傳(chuan) 感器陣列的複用功能。2023年，Chen等利用狹縫光束整形輔助飛秒激光逐點刻寫(xie) 法，製備了反射率高達99.9%、插入損耗僅(jin) 為(wei) 0.03dB的FBG，在通信、光纖傳(chuan) 感和激光器等領域具有應用價(jia) 值。

飛秒激光聚焦的折射率調製區域呈高斯分布時，會(hui) 導致FBG與(yu) 纖芯模場重疊積分值相對較小的問題，為(wei) 解決(jue) 此問題，出現了兩(liang) 種基於(yu) 逐點刻寫(xie) 逐線和逐麵刻寫(xie) 法。

1.2 飛秒激光逐線刻寫(xie) 法 

飛秒激光逐線刻寫(xie) 法比飛秒激光逐點刻寫(xie) 法具有折射率變化更均勻、折射率調製區域更廣泛、偏振損耗和相位噪聲更低等優(you) 點，但長周期光纖光柵（周期為(wei) 10～100μm)）的製備效率相對較低。

2010年，Zhou等利用飛秒激光逐線刻寫(xie) 法製備了傳(chuan) 輸損耗為(wei) 17dB，插入損耗為(wei) 0.5dB的四階FBG。2016年，Antipov等利用紅外飛秒激光連續纖芯掃描技術實現了長度為(wei) 19.5cm、光譜帶寬為(wei) 30nm、群延遲色散為(wei) 2ns的啁啾光纖光柵。2019年，Xu等利用飛秒激光多層逐線掃描法在藍寶石光纖上製備了反射率為(wei) 34.1%的雙層FBG。2019年，Bharathan等利用飛秒逐線刻寫(xie) 法在軟玻璃ZBLAN光纖上寫(xie) 製FBG，研究了光柵階數對耦合係數的影響，光柵階數為(wei) 三階時，使用0.6NA的幹式物鏡具有更高的耦合係數，光柵反射率更高，如圖3（a）所示；研究了光柵橫向長度對耦合係數和反射率的影響，當橫向長度為(wei) 4mm時，反射率達90%，如圖3（b）所示；采用0.6NA的幹式物鏡，製備的FBG的反射率為(wei) 96.2%、插入損耗僅(jin) 為(wei) 0.34dB。

2022年，She等利用飛秒逐線刻寫法首次在氟鋁酸鹽光纖上製備了反射率高達99.5%、插入損耗＜1.1dB的三階FBG，圖4（a）為激光能量對光柵透射譜的影響，激光能量為3.6μJ時，透射強度最深，圖4（b）為激光能量對耦合係數和光柵帶寬的影響當激光脈衝能量為3.6μJ時，耦合係數最高，具有開發中紅外激光器的潛力。

1.3 飛秒激光逐麵刻寫法 

飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法避免了飛秒激光逐點和逐線刻寫(xie) 法存在的纖芯難對準的問題，通過控製光柵在纖芯和包層的覆蓋麵積，可以實現如隨機光纖光柵等各種複雜結構的FBG。與(yu) 逐點法相比，所需的激光脈衝(chong) 能量較高，未吸收的激光脈衝(chong) 能量會(hui) 導致額外的折射率調製。

2017年，Theodosiou等利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 技術在多模聚合物光纖上寫(xie) 製了6個(ge) 四階FBG陣列，平均3dB 帶寬為(wei) 1.39nm，解決(jue) 了多模光纖的多反射光譜的問題。同年，Lu等利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 技術，在實驗裝置中增加一個(ge) 柱麵透鏡，將柱麵調製轉換為(wei) 平麵調製，製備得到插入損耗僅(jin) 0.5dB的FBG，但需要10mm的光柵長度。2018年，Goya等報道了利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法在摻鉺氟化物玻璃光纖中刻寫(xie) 了長度為(wei) 2.5mm、反射率高達97%的一階FBG，製作的激光振蕩器的半峰寬為(wei) 0.12nm。2020年，Roldan-Varona等在物鏡之前插入狹縫，通過調整狹縫寬度實現光束整形，圖5（a）表示狹縫寬度與(yu) 峰值反射率和帶寬的關(guan) 係，當狹縫寬度為(wei) 1mm時，飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法製備的FBG具有0.69nm的3dB帶寬。圖5（b）表示與(yu) 逐點法製備的FBG相比，逐麵法製備的FBG具有更低的偏振損耗，能量效率也相對較低。2023年，Willer等在保偏光纖上利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法製備了帶寬為(wei) 0.749nm、反射率為(wei) 80%的切趾啁啾光纖光柵，可用於(yu) 超快全光纖激光器中的色散補償(chang) 元件。

綜上，飛秒激光直寫光纖光柵已經在單模光纖、藍寶石光纖、保偏光纖等多種光纖上實現了光柵的刻寫，光柵類別實現從均勻光柵到非均勻光柵的轉變，並在光纖傳感器、光纖激光器、光纖拉伸器等領域得到廣泛應用。通過增大折射率調製區域的麵積、插入可調諧狹縫均可提高光柵的峰值反射率，實現高質量光柵的製備。

表1為(wei) 飛秒直寫(xie) 法製備的光纖光柵性能的對比。飛秒激光逐線刻寫(xie) 法寫(xie) 製較長的光柵時反射率較低。與(yu) 飛秒激光逐點和逐線刻寫(xie) 法相比，逐麵刻寫(xie) 法需要使用更高的激光脈衝(chong) 能量才能獲得高反射率。飛秒激光逐點法雖然調焦時間長，但該方法是最簡便的方法，獲得反射率、3dB帶寬和插入損耗也能滿足應用需求。

2飛秒激光直寫光纖光柵的光譜優化

通過綜述近年來飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的光譜質量可以得出，光纖光柵光譜的3dB帶寬和反射峰高度會(hui) 直接影響FBG的傳(chuan) 感性能，實際上是對折射率調製程度的反饋。因此，可以從(cong) 激光脈衝(chong) 能量、光柵長度、光纖類型、光束整形、光柵切趾等可控因素進行考慮，究其本質是對光譜進行優(you) 化，以得到更高邊模抑製比、更窄3dB帶寬、更低插入損耗的FBG。

2.1 激光脈衝(chong) 能量對光譜的影響 

激光脈衝(chong) 能量誘導纖芯折射率發生永久性改變，影響光柵的反射峰高度。若激光脈衝(chong) 能量過大，相鄰光柵的間距變小，出現重疊邊緣，導致光譜失真，降低與(yu) 反射峰高度正相關(guan) 的模式耦合效率，還可能會(hui) 使纖芯材料受損或形成空隙，導致衍射峰高度增加，3dB帶寬增加。若激光脈衝(chong) 能量過小，無法誘導纖芯材料的折射率改變實現光纖光柵的寫(xie) 製，或者纖芯材料的折射率調製量無法實現高反射峰的FBG。Xu等(通過調控激光脈衝(chong) 能量在單模光纖上實現超寬帶光柵的刻寫(xie) ，采用1mm的光柵長度、29.2nJ的激光脈衝(chong) 能量和120的光柵階數，製備的超弱光柵陣列具有0.0032%的峰值反射率。圖6（a）所示為(wei) 五種不同強度的激光能量實現超寬帶光柵的反射譜，圖6（b）所示為(wei) 峰值反射率和帶寬隨激光脈衝(chong) 能量變化的關(guan) 係圖。可見，隨著激光脈衝(chong) 能量的增加，峰值反射率增加，帶寬幾乎不變。因此，通過合理的調控激光脈衝(chong) 能量使其經曆一個(ge) 由小到大再到小的變化過程，利於(yu) 改變相鄰光柵的重疊邊緣，獲得高反射峰的FBG，提升光譜質量。

2.2 光柵長度對光譜的影響

 根據均勻光柵的最大反射率公式R=tanh²（κL）（其中κ為(wei) 耦合係數，L為(wei) 光柵長度）可知，光柵的峰值反射率與(yu) 光柵長度密切相關(guan) ，通過適當增加光柵的物理長度L，可以使光譜的3dB帶寬變窄，提高光柵的反射率。Zhang利用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法在單模光纖上分別刻寫(xie) 光柵長度為(wei) 1、2和5mm的FBG，反射光譜如圖7（a）—（c）所示，反射高度和3dB帶寬的關(guan) 係如圖7（d）所示，反射峰高度隨著光柵長度的增加而增加，光譜3dB帶寬隨著光柵長度的增加而變窄。當光柵長度為(wei) 5mm時，反射峰值為(wei) 24.62dB、3dB帶寬為(wei) 0.289nm。雖然光柵長度的增加可以獲得高反射峰值，但增加了寫(xie) 製難度，對調焦程序也提出了更高的要求，因此，選擇合適的光柵長度，對實現高質量光柵是十分重要的。

2.3 光纖類型對光譜的影響 

Bharathan等在摻雜氟化物和過渡金屬的InF3光纖上刻寫(xie) 的FBG比在聚合物光纖上刻寫(xie) 的FBG具備較高的熱穩定性和反射率，但3dB帶寬有所增加。Zhang等采用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法在標準的單模光纖上製備了11.79dB的反射峰高度和0.7639nm帶寬的FBG如圖8（a）所示。Meng等在熊貓型保偏光纖上逐點實現反射率為(wei) -10dB的光柵，該光柵表現出雙峰特性如圖8（b）所示。He等利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法實現藍寶石光纖光柵的製備，如圖8（c）所示該光柵表現出6.34%的增強反射率和3.43nm的3dB帶寬。Chen等利用飛秒激光逐點技術在ZBLAN光纖上製備了如圖8（d）所示的高反射率和低反射率的FBG，其中反射率達到了98.4%，3dB帶寬為(wei) 0.3nm。不同類型的光纖具有相似的刻寫(xie) 結果，飛秒直寫(xie) 法適用於(yu) 寫(xie) 製多種類型的光纖。

2.4 光束整形對光譜的影響 

飛秒激光脈衝(chong) 的非線性吸收和雪崩電離，使纖芯中聚焦的邊緣形態是橢圓形微空隙，導致飛秒激光直寫(xie) 的光纖光柵表現出高雙折射。由於(yu) 光纖纖芯的不對稱性使光纖光柵的耦合強度係數與(yu) 散射損耗係數κ/α的比值降低，影響光纖光柵的反射率。改變飛秒激光脈衝(chong) 聚焦的幾何形狀，降低雙折射的技術方法大致分為(wei) 四種：（1）柱麵透鏡整形法如圖 9（a）所示，Lu等通過在一個(ge) 平凹透鏡和一個(ge) 平凸透鏡組成的光束縮小鏡後麵放置一個(ge) 柱麵透鏡，以縮小光束直徑匹配顯微物鏡的孔徑，FBG的插入損耗為(wei) 0.5dB，但光路調整相對複雜。（2）狹縫光束整形法如圖9（b）所示，Xu等通過在物鏡之前插入一個(ge) 可調諧狹縫，改變狹縫寬度實現激光束的調整，隨著邊緣尺寸的增加，折射率調製麵積將擴大，模重疊因子增大，實現了反射率高達99.12%、插入損耗僅(jin) 為(wei) 0.3dB的FBG。（3）球麵像差法如圖9（c）所示，Wu等利用蓋玻片引入球麵像差的方式，擴展折射率調製區，實現 95.83%的高反射率FBG。（4）折射率匹配油法，Li等使用不同折射率的匹配油均勻的塗覆在光纖上，再利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法製備光柵，當折射率匹配油為(wei) 1.7時，FBG的反射率達到98.1%、插入損耗僅(jin) 為(wei) 0.23dB，光譜圖如圖9（d）所示，當反射率相同時，比飛秒激光逐點刻寫(xie) 法實現的FBG具有更低的插入損耗。

2.5 光柵切趾對光譜的影響 

光柵切趾技術是提高光纖傳(chuan) 感器靈敏度的另一種有效途徑，大致分為(wei) 三種，（1）斜向切趾法如圖10（a）所示，Williams等改變飛秒激光逐點刻寫(xie) 法的移動軌跡製備高斯變跡光柵，為(wei) 實現複雜切趾輪廓的FBG提供一種簡單的方法。Ioannou等利用飛秒激光逐麵刻寫(xie) 法製備了切趾光柵，切趾後光柵的反射率高達98.246%，3dB帶寬為(wei) 0.5475nm。（2）能量切趾法如圖10（b）所示，Guo等利用飛秒激光逐點刻寫(xie) 法結合半波片和偏振分束器製備了變跡FBG，能量切趾後光柵的反射譜和透射譜如圖10（c）所示，光柵旁瓣被有效抑製，反射率達到了75%。通過改變飛秒脈衝(chong) 的能量，將折射率調製幅度作為(wei) 高斯變跡函數，獲得更高的邊摸抑製比，提升光譜質量。（3）控製軌道長度法如圖10（d）所示，He等利用飛秒激光逐線刻寫(xie) 法精確控製軌道長度實現光柵切趾，使纖芯模式的強度分布近似高斯函數，高斯切趾光柵具有20.6dB的邊模抑製比。光柵切趾能很好地抑製衍射峰高度，提升光譜質量，改善光學器件的性能，實現高品質的傳(chuan) 感器和高功率激光器。

綜上，從(cong) 表2可以看出，通過改善以上五種影響因素可以獲得高反射率、窄3dB帶寬的光譜。其中激光脈衝(chong) 能量對光柵形狀、大小和折射率調製強度起決(jue) 定性因素，設定合適的激光脈衝(chong) 能量利於(yu) 獲取優(you) 質反射率的光譜。狹縫光束整形法通過改變飛秒激光脈衝(chong) 的折射率調製圖案，提高FBG的 反射率，而光柵切趾技術通過降低旁瓣高度，提高光譜的邊模抑製比，減小延時振蕩，獲取低插入損耗、高反射率的光譜。對光譜優(you) 化方法分析，為(wei) 獲得高質量光柵和良好性能的光纖傳(chuan) 感器提供了極大的幫助。

3結論與(yu) 展望

飛秒激光刻寫(xie) 技術已經成為(wei) 製備光纖光柵的主流，目前常用的飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的方法被分成了飛秒激光逐點、逐線和逐麵刻寫(xie) 法，究其本質，後兩(liang) 種方式是以飛秒激光逐點刻寫(xie) 法為(wei) 基礎改進得到的。本文詳細的總結了飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的三種技術的國內(nei) 外研究進展，從(cong) 製備效率、光譜質量等方麵分析了三種直寫(xie) 方法的優(you) 缺點。飛秒激光直寫(xie) 法已經在不同類型的光纖上實現了光纖光柵的寫(xie) 製，具備多種多樣的功能，如反射、濾波、帶通、色散補償(chang) 等，還能夠製備形成具有不同功能的光纖元件。接著針對飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵的光譜特性的優(you) 化方法進行了全麵的概述，高質量的光纖光柵應具備的高反射峰、窄3dB帶寬、低插入損耗的特點。激光脈衝(chong) 能量的設定、光纖類型的選擇、光柵長度的調整，對於(yu) 獲取良好性能的光柵是至關(guan) 重要的。此外，光柵切趾技術使反射譜的旁瓣得到有效抑製，有利於(yu) 提高反射率。選擇合適的數值孔徑、調整狹縫寬度等方法實現光束整形，改變折射率調製區域的麵積，促使光纖傳(chuan) 感器向更高性能方麵發展。使用不同的折射率匹配液可以根據需求製備得到高反射率的光柵。總體(ti) 來說，飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵製備的傳(chuan) 感器均具備了體(ti) 積小、測量靈敏度高、易於(yu) 製造、便於(yu) 集成化等優(you) 點。飛秒激光直寫(xie) 光纖光柵除了應用於(yu) 傳(chuan) 感領域，在激光器、光通信等領域也得到了廣泛的應用。