作者：朱玉雪， 陳東營， 趙強， 曲軼
0引言
飛秒激光刻寫光纖光柵的方法大致被分為飛秒激光直寫法、飛秒激光全息干涉法和飛秒激光相位掩模法。飛秒激光全息干涉法通過調節兩束激光的夾角，靈活調制光柵布拉格波長，但光源相關性要求高、調制時間較長。飛秒激光相位掩模法具有折射率調制范圍廣、光譜質量好等特點，但同種掩膜板只能制備特定周期的光柵、靈活性較差。飛秒激光直寫法具有刻寫效率高、光路簡單等優點，不僅避免了相位掩膜板寫制特定光柵的局限性，還解決了全息干涉法光路復雜等問題。制備的光柵可以研制出溫度穩定性好、測量精度高的光纖傳感器，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長周期光纖光柵，為飛秒激光直寫光纖光柵奠定基礎。飛秒激光直寫光纖光柵的典型技術包括，飛秒激光逐點刻寫法、飛秒激光逐線刻寫法和飛秒激光逐面刻寫法。飛秒激光逐線刻寫法雖然刻寫效率高，但制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法制備了傾斜光纖光柵，能更好抑制激光器中的散射。飛秒激光逐面刻寫法制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沖能量。2021年，Mihailov等利用飛秒逐面刻寫法實現了隨機光纖光柵的制備，可用于分布式反饋元件和超聲傳感。相比之下，飛秒激光逐點刻寫法憑借相對較低的激光脈沖能量便可實現高質量光纖光柵的制備，是一種靈活、高效的方法。2022年，Ulyanov等利用飛秒激光逐點刻寫法首次在單模光纖上制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，切趾后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，有利于制備光纖拉伸器。
本文全面地綜述了飛秒激光直寫光纖光柵的發展歷史、研究進展和趨勢。首先闡述了飛秒激光直寫光纖光柵的機理和寫制方式，其中寫制方式包括飛秒激光逐點、逐線和逐面刻寫法；然后全面總結了飛秒激光直寫光纖光柵的三種技術的國內外研究進展，從制備效率、光譜質量等方面對比分析了各種寫制方法的優缺點；接著詳細討論了飛秒激光直寫光纖光柵的光譜優化方法，為研發高質量光纖傳感器提供了理論依據；最后展望了飛秒激光直寫光纖光柵的發展方向和高性能光纖光柵的應用前景。
1飛秒激光直寫光纖光柵進展
飛秒激光直寫光纖光柵的方法包括飛秒激光逐點、逐線和逐面刻寫法。飛秒激光逐點刻寫法通過高數值孔徑的顯微鏡將飛秒激光脈沖聚焦到纖芯上，光纖沿著纖芯軸向移動，每個激光脈沖產生周期性調制的折射率，實現光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）的制備。圖1（a）是飛秒激光逐點刻寫光纖光柵的系統圖，局部圖如1（b）所示。飛秒激光逐線刻寫法如圖1（c）所示，將光纖沿著垂直于纖芯的方向以低速v?移動，然后沿著對角線以高速v?移動，重復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間距，能實現二階或更高階光柵的制備。圖1（d）所示為飛秒激光逐面刻寫法在光纖截面掃描形成 折射率調制的光柵結構。
1.1 飛秒激光逐點刻寫法
飛秒激光逐點刻寫法能根據傳感需求，靈活調制中心波長、光柵間距和長度，所需激光脈沖能量較低（通常為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法在纖芯中引入振幅調制，制備采樣光纖光柵的3dB帶寬小于0.2nm，有望用于多波長光纖激光器。2019年，Wang等利用飛秒逐點刻寫法在單模光纖上寫制平行集成的FBG，具有93%的峰值反射率和1.44nm的3dB帶寬，實現1100℃的溫度傳感，空間分辨率小于1mm。2020年，Liu等在保偏光纖（熊貓型和領結型）上逐點刻寫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14pm·℃ˉ1。
2022年，Su等利用飛秒激光逐點刻寫法在單模光纖的包層上實現Ⅱ型FBG的寫制，8個串聯形成的FBG的插入損耗小于0.06dB，實現了傳感器陣列的復用功能。2023年，Chen等利用狹縫光束整形輔助飛秒激光逐點刻寫法，制備了反射率高達99.9%、插入損耗僅為0.03dB的FBG，在通信、光纖傳感和激光器等領域具有應用價值。
飛秒激光聚焦的折射率調制區域呈高斯分布時，會導致FBG與纖芯模場重疊積分值相對較小的問題，為解決此問題，出現了兩種基于逐點刻寫逐線和逐面刻寫法。
1.2 飛秒激光逐線刻寫法
飛秒激光逐線刻寫法比飛秒激光逐點刻寫法具有折射率變化更均勻、折射率調制區域更廣泛、偏振損耗和相位噪聲更低等優點，但長周期光纖光柵（周期為10～100μm)）的制備效率相對較低。
2010年，Zhou等利用飛秒激光逐線刻寫法制備了傳輸損耗為17dB，插入損耗為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19.5cm、光譜帶寬為30nm、群延遲色散為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制備了反射率為34.1%的雙層FBG。2019年，Bharathan等利用飛秒逐線刻寫法在軟玻璃ZBLAN光纖上寫制FBG，研究了光柵階數對耦合系數的影響，光柵階數為三階時，使用0.6NA的干式物鏡具有更高的耦合系數，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系數和反射率的影響，當橫向長度為4mm時，反射率達90%，如圖3（b）所示；采用0.6NA的干式物鏡，制備的FBG的反射率為96.2%、插入損耗僅為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制備了反射率高達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）為激光能量對耦合系數和光柵帶寬的影響當激光脈沖能量為3.6μJ時，耦合系數最高，具有開發中紅外激光器的潛力。
1.3 飛秒激光逐面刻寫法
飛秒激光逐面刻寫法避免了飛秒激光逐點和逐線刻寫法存在的纖芯難對準的問題，通過控制光柵在纖芯和包層的覆蓋面積，可以實現如隨機光纖光柵等各種復雜結構的FBG。與逐點法相比，所需的激光脈沖能量較高，未吸收的激光脈沖能量會導致額外的折射率調制。
2017年，Theodosiou等利用飛秒激光逐面刻寫技術在多模聚合物光纖上寫制了6個四階FBG陣列，平均3dB 帶寬為1.39nm，解決了多模光纖的多反射光譜的問題。同年，Lu等利用飛秒激光逐面刻寫技術，在實驗裝置中增加一個柱面透鏡，將柱面調制轉換為平面調制，制備得到插入損耗僅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面刻寫法在摻鉺氟化物玻璃光纖中刻寫了長度為2.5mm、反射率高達97%的一階FBG，制作的激光振蕩器的半峰寬為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）表示狹縫寬度與峰值反射率和帶寬的關系，當狹縫寬度為1mm時，飛秒激光逐面刻寫法制備的FBG具有0.69nm的3dB帶寬。圖5（b）表示與逐點法制備的FBG相比，逐面法制備的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面刻寫法制備了帶寬為0.749nm、反射率為80%的切趾啁啾光纖光柵，可用于超快全光纖激光器中的色散補償元件。
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，并在光纖傳感器、光纖激光器、光纖拉伸器等領域得到廣泛應用。通過增大折射率調制區域的面積、插入可調諧狹縫均可提高光柵的峰值反射率，實現高質量光柵的制備。
表1為飛秒直寫法制備的光纖光柵性能的對比。飛秒激光逐線刻寫法寫制較長的光柵時反射率較低。與飛秒激光逐點和逐線刻寫法相比，逐面刻寫法需要使用更高的激光脈沖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直接影響FBG的傳感性能，實際上是對折射率調制程度的反饋。因此，可以從激光脈沖能量、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化，以得到更高邊模抑制比、更窄3dB帶寬、更低插入損耗的FBG。
2.1 激光脈沖能量對光譜的影響
激光脈沖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。若激光脈沖能量過大，相鄰光柵的間距變小，出現重疊邊緣，導致光譜失真，降低與反射峰高度正相關的模式耦合效率，還可能會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。若激光脈沖能量過小，無法誘導纖芯材料的折射率改變實現光纖光柵的寫制，或者纖芯材料的折射率調制量無法實現高反射峰的FBG。Xu等(通過調控激光脈沖能量在單模光纖上實現超寬帶光柵的刻寫，采用1mm的光柵長度、29.2nJ的激光脈沖能量和120的光柵階數，制備的超弱光柵陣列具有0.0032%的峰值反射率。圖6（a）所示為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）所示為峰值反射率和帶寬隨激光脈沖能量變化的關系圖?？梢?，隨著激光脈沖能量的增加，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沖能量使其經歷一個由小到大再到小的變化過程，利于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為耦合系數，L為光柵長度）可知，光柵的峰值反射率與光柵長度密切相關，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法在單模光纖上分別刻寫光柵長度為1、2和5mm的FBG，反射光譜如圖7（a）—（c）所示，反射高度和3dB帶寬的關系如圖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5mm時，反射峰值為24.62dB、3dB帶寬為0.289nm。雖然光柵長度的增加可以獲得高反射峰值，但增加了寫制難度，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光纖上刻寫的FBG比在聚合物光纖上刻寫的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法在標準的單模光纖上制備了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-10dB的光柵，該光柵表現出雙峰特性如圖8（b）所示。He等利用飛秒激光逐面刻寫法實現藍寶石光纖光柵的制備，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光纖上制備了如圖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0.3nm。不同類型的光纖具有相似的刻寫結果，飛秒直寫法適用于寫制多種類型的光纖。
2.4 光束整形對光譜的影響
飛秒激光脈沖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，導致飛秒激光直寫的光纖光柵表現出高雙折射。由于光纖纖芯的不對稱性使光纖光柵的耦合強度系數與散射損耗系數κ/α的比值降低，影響光纖光柵的反射率。改變飛秒激光脈沖聚焦的幾何形狀，降低雙折射的技術方法大致分為四種：（1）柱面透鏡整形法如圖 9（a）所示，Lu等通過在一個平凹透鏡和一個平凸透鏡組成的光束縮小鏡后面放置一個柱面透鏡，以縮小光束直徑匹配顯微物鏡的孔徑，FBG的插入損耗為0.5dB，但光路調整相對復雜。（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，折射率調制面積將擴大，模重疊因子增大，實現了反射率高達99.12%、插入損耗僅為0.3dB的FBG。（3）球面像差法如圖9（c）所示，Wu等利用蓋玻片引入球面像差的方式，擴展折射率調制區，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涂覆在光纖上，再利用飛秒激光逐面刻寫法制備光柵，當折射率匹配油為1.7時，FBG的反射率達到98.1%、插入損耗僅為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感器靈敏度的另一種有效途徑，大致分為三種，（1）斜向切趾法如圖10（a）所示，Williams等改變飛秒激光逐點刻寫法的移動軌跡制備高斯變跡光柵，為實現復雜切趾輪廓的FBG提供一種簡單的方法。Ioannou等利用飛秒激光逐面刻寫法制備了切趾光柵，切趾后光柵的反射率高達98.246%，3dB帶寬為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法結合半波片和偏振分束器制備了變跡FBG，能量切趾后光柵的反射譜和透射譜如圖10（c）所示，光柵旁瓣被有效抑制，反射率達到了75%。通過改變飛秒脈沖的能量，將折射率調制幅度作為高斯變跡函數，獲得更高的邊摸抑制比，提升光譜質量。（3）控制軌道長度法如圖10（d）所示，He等利用飛秒激光逐線刻寫法精確控制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的邊模抑制比。光柵切趾能很好地抑制衍射峰高度，提升光譜質量，改善光學器件的性能，實現高品質的傳感器和高功率激光器。
綜上，從表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。其中激光脈沖能量對光柵形狀、大小和折射率調制強度起決定性因素，設定合適的激光脈沖能量利于獲取優質反射率的光譜。狹縫光束整形法通過改變飛秒激光脈沖的折射率調制圖案，提高FBG的 反射率，而光柵切趾技術通過降低旁瓣高度，提高光譜的邊模抑制比，減小延時振蕩，獲取低插入損耗、高反射率的光譜。對光譜優化方法分析，為獲得高質量光柵和良好性能的光纖傳感器提供了極大的幫助。
3結論與展望
飛秒激光刻寫技術已經成為制備光纖光柵的主流，目前常用的飛秒激光直寫光纖光柵的方法被分成了飛秒激光逐點、逐線和逐面刻寫法，究其本質，后兩種方式是以飛秒激光逐點刻寫法為基礎改進得到的。本文詳細的總結了飛秒激光直寫光纖光柵的三種技術的國內外研究進展，從制備效率、光譜質量等方面分析了三種直寫方法的優缺點。飛秒激光直寫法已經在不同類型的光纖上實現了光纖光柵的寫制，具備多種多樣的功能，如反射、濾波、帶通、色散補償等，還能夠制備形成具有不同功能的光纖元件。接著針對飛秒激光直寫光纖光柵的光譜特性的優化方法進行了全面的概述，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。激光脈沖能量的設定、光纖類型的選擇、光柵長度的調整，對于獲取良好性能的光柵是至關重要的。此外，光柵切趾技術使反射譜的旁瓣得到有效抑制，有利于提高反射率。選擇合適的數值孔徑、調整狹縫寬度等方法實現光束整形，改變折射率調制區域的面積，促使光纖傳感器向更高性能方面發展。使用不同的折射率匹配液可以根據需求制備得到高反射率的光柵?？傮w來說，飛秒激光直寫光纖光柵制備的傳感器均具備了體積小、測量靈敏度高、易于制造、便于集成化等優點。飛秒激光直寫光纖光柵除了應用于傳感領域，在激光器、光通信等領域也得到了廣泛的應用。
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