原創(chuàng) 趙聰 光電匯OESHOW

2025年04月16日 16:01 上海

作為現(xiàn)代光子技術(shù)的核心元件，光纖光柵的溫度穩(wěn)定性直接決定其在極端環(huán)境下的工程適用邊界。隨著工業(yè)4.0與深空探測的發(fā)展，傳統(tǒng)紫外激光光柵在高溫場景（＞300℃）的性能衰減問題日益凸顯。通過飛秒激光直寫技術(shù)制備光纖光柵，能將其工作溫度上限提升至1800℃（基于藍(lán)寶石光纖光柵），這一跨越式的突破，背后有著怎樣的奧秘？

一、光纖光柵的妙用

光纖布拉格光柵（以下簡稱"光纖光柵"）是通過周期性調(diào)制光纖軸向折射率形成的核心光子器件。憑借獨(dú)特的波長選擇特性，這類器件在光纖傳感、光通信系統(tǒng)及光纖激光器等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。特別是在分布式光纖傳感領(lǐng)域，光纖光柵陣列已發(fā)展成為智能工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，成功應(yīng)用于橋梁、大壩、飛行器、船舶、礦井等重大基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。

全同弱反射光柵陣列（反射波長一致、反射率低于萬分之一）通過增強(qiáng)光纖散射強(qiáng)度，顯著提升了分布式聲波傳感（DAS）、分布式溫度傳感（DTS）及光頻域反射（OFDR）系統(tǒng)的核心性能指標(biāo)，包括測量精度、有效探測距離與空間分辨率。

當(dāng)前主流的大規(guī)模光柵陣列制備技術(shù)涵蓋三類：基于光纖拉絲塔的紫外激光雙光束干涉技術(shù)、紫外激光掩膜技術(shù)，以及飛秒激光直寫全自動(dòng)制備技術(shù)。

紫外激光光纖光柵通常只能在200℃以下的環(huán)境中使用，而飛秒激光制備的光纖光柵則能承受更高的溫度。通俗地講，光纖本身能耐受多高的溫度，那么飛秒激光制備的光纖光柵就能夠耐受多高的溫度。例如，聚酰亞胺涂層光纖光柵可耐溫至350℃，而藍(lán)寶石光纖光柵的耐溫可達(dá)到1800℃以上。

深圳大學(xué)王義平教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，基于飛秒激光制備的藍(lán)寶石光纖光柵能夠在1500℃的環(huán)境下穩(wěn)定工作超過1000小時(shí)。

二、制備機(jī)理的本質(zhì)差異

01 紫外激光制備

（1）制備原理

摻雜光敏元素（如鍺、磷等）的光敏纖芯經(jīng)過載氫處理后，能夠顯著增強(qiáng)其光敏性。光敏元素的摻雜不僅提高了光纖對紫外光的吸收能力，還通過改變局部電子態(tài)增強(qiáng)了光致反應(yīng)的效率。

載氫處理則通過將氫分子擴(kuò)散到光纖中，進(jìn)一步增加紫外光照射下的缺陷生成效率。此時(shí)，利用紫外激光曝光可以引發(fā)光纖中折射率的周期性調(diào)制，從而形成光纖光柵。

（2）光柵退化機(jī)理

在紫外激光的作用下，光纖中的硅氧網(wǎng)絡(luò)發(fā)生光致變化，鍺摻雜區(qū)域和氫分子的相互作用導(dǎo)致局部電子態(tài)的改變，同時(shí)紫外光的高能量破壞硅氧鍵，生成氧空位等微觀缺陷。這些缺陷的產(chǎn)生是折射率周期性調(diào)制的關(guān)鍵來源。

當(dāng)溫度升高時(shí)，光纖中的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，氧空位等缺陷可能通過熱激發(fā)發(fā)生遷移或修復(fù)。作為光纖光柵中折射率調(diào)制的關(guān)鍵來源，氧空位本身具有較弱的熱穩(wěn)定性。

在300°C以上的高溫環(huán)境中，氧空位的遷移和修復(fù)過程尤為明顯，導(dǎo)致光纖光柵的折射率調(diào)制效果減弱，性能逐漸衰退。這種高溫下的缺陷修復(fù)通常是不可逆的，是光纖光柵在高溫應(yīng)用中性能衰退的主要原因。

02 飛秒激光制備

飛秒激光制備光纖光柵的過程與紫外激光制備光纖光柵的機(jī)理有顯著差異。

飛秒激光（脈寬fs-ps量級）由于其脈沖持續(xù)時(shí)間極短，在光纖中引發(fā)的熱效應(yīng)極為局部且短暫。

激光脈沖的超高峰值能量使得光纖局部區(qū)域的溫度瞬間升高，但持續(xù)時(shí)間極短，熱效應(yīng)僅局限于極小的空間范圍，且不會(huì)引起大范圍的材料結(jié)構(gòu)變化。因此，飛秒激光光纖光柵的形成主要通過非線性光學(xué)效應(yīng)（如多光子吸收、雪崩電離等）引起折射率變化，而非通過破壞材料結(jié)構(gòu)或引入缺陷。

具體來說，飛秒激光制備的光纖光柵在高溫下的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）非線性光學(xué)效應(yīng)穩(wěn)定性

飛秒激光通過非線性光學(xué)效應(yīng)引發(fā)的折射率變化比紫外激光制備的光纖光柵更為穩(wěn)定。這是因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)直接將電子從價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶，產(chǎn)生局部等離子體并引發(fā)微觀結(jié)構(gòu)改變，而不是依賴于缺陷的生成和遷移。飛秒激光刻寫后玻璃網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)所形成的高熔點(diǎn)微結(jié)構(gòu)具備一定的高溫穩(wěn)定性。因此，即使在高溫環(huán)境下，飛秒激光引起的折射率調(diào)制仍然能夠保持穩(wěn)定。

（2）局部熱效應(yīng)避免全局退火

由于飛秒激光脈沖時(shí)間極短，熱效應(yīng)僅限于光纖中的小區(qū)域，因此即使在高溫環(huán)境下，這些區(qū)域不會(huì)經(jīng)歷與紫外激光制備方法相同的全局退火效應(yīng)。

因此，飛秒激光制備的光纖光柵不僅能承受較高的溫度（單模石英光纖光柵可達(dá)800°C及以上），而且在高溫條件下具有更好的長期穩(wěn)定性。

三、技術(shù)特征與應(yīng)用場景解析

01紫外激光制備

（1）優(yōu)點(diǎn)

技術(shù)成熟：紫外激光制備光纖光柵的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，工藝穩(wěn)定且應(yīng)用廣泛。

參數(shù)可調(diào)性強(qiáng)：通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)（如能量、曝光時(shí)間等），可以精確控制光纖光柵的周期和折射率調(diào)制深度。

兼容性強(qiáng)：適用于多種標(biāo)準(zhǔn)光纖（如摻鍺石英光纖），且對光纖材料的要求較低。

（2）缺點(diǎn)

高溫穩(wěn)定性差：在高溫環(huán)境下（尤其是超過300°C時(shí)），光纖光柵的性能會(huì)顯著衰退，主要由于氧空位等缺陷在高溫下的遷移和修復(fù)。

長期穩(wěn)定性受限：光纖光柵的性能依賴于缺陷的生成，而這些缺陷在長期使用中可能逐漸退化，影響光柵的穩(wěn)定性。

（3）適用場合

適用于對溫度要求不高、成本敏感的應(yīng)用場景，例如低溫環(huán)境下的光纖傳感器、通信設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)室研究。

02 飛秒激光制備

（1）優(yōu)點(diǎn)

高溫穩(wěn)定性優(yōu)異：飛秒激光制備的光纖光柵能夠在800°C（藍(lán)寶石光纖光柵1800°C）甚至更高的溫度下穩(wěn)定工作，適合極端環(huán)境。

抗退火性強(qiáng)：由于折射率調(diào)制主要依賴于非線性光學(xué)效應(yīng)而非缺陷生成，飛秒激光光柵在高溫下不易發(fā)生退火效應(yīng)。

局部性控制精確：飛秒激光的極短脈沖和高峰值能量使其能夠在光纖中實(shí)現(xiàn)高度局部的折射率調(diào)制，提高了光柵的可靠性和精度。

（2）缺點(diǎn)

制備成本高：需要高功率飛秒激光器和精密的光學(xué)控制系統(tǒng)，設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高。

工藝復(fù)雜性高：非線性光學(xué)效應(yīng)可能導(dǎo)致折射率調(diào)制的復(fù)雜性增加，對工藝參數(shù)的控制要求較高。

（3）適用場合

適用于高溫、極端環(huán)境下的應(yīng)用，例如航空航天、深海探測、高溫工業(yè)傳感以及核反應(yīng)堆監(jiān)測等領(lǐng)域。

圖1 100倍顯微鏡下的不同飛秒激光刻寫光纖光柵

結(jié) 語

總體來說，兩種激光技術(shù)制備的光纖光柵存在性能差異，可根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和溫度要求做出合理選擇。紫外激光技術(shù)適合對溫度要求不高、成本敏感的應(yīng)用場景；而飛秒激光技術(shù)，更適合高溫、極端環(huán)境下的高性能應(yīng)用，盡管其成本較高，但在高溫穩(wěn)定性和長期可靠性方面具有顯著優(yōu)勢。

作者簡介：

趙聰，就職于人工智能與數(shù)字經(jīng)濟(jì)廣東省實(shí)驗(yàn)室（深圳），擔(dān)任副研究員，從事飛秒激光制備的光纖微結(jié)構(gòu)器件開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。

參考文獻(xiàn)：

1. Zhang, Bo, Xiaofeng Liu, and Jianrong Qiu. "Single Femtosecond Laser Beam Induced Nanogratings in Transparent Media - Mechanisms and Applications." Journal of Materiomics 5, no. 1 (2019): 1-14.

2. Wang, Yitao, Shuen Wei, Maxime Cavillon, Benjamin Sapaly, Bertrand Poumellec, Gang-Ding Peng, John Canning, and Matthieu Lancry. "Thermal Stability of Type Ii Modifications Inscribed by Femtosecond Laser in a Fiber Drawn from a 3d Printed Preform." Applied Sciences, no. 2 (2021).

3. Su, Dan, and Xueguang Qiao. "High Thermal Stability of Ultra-Low Insertion Loss Type Ii Cladding Fiber Bragg Grating Based on Femtosecond Laser Point-by-Point Technology." Optics Express 30, no. 6 (2022): 9156-64.