? 飛秒激光直寫硫系光纖端面衍射光柵的研究 - 硫系玻璃 | 寧波大學紅外材料及器件實驗室
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飛秒激光直寫硫系光纖端面衍射光柵的研究
作者: irglass 時間: 2021-03-17 瀏覽:1,719 次

        近日,我室研究生馬文強(第一作者)和張培晴副研究員(通訊作者)在Journal of Lightwave Technology期刊上發表了題為“Diffraction grating fabricated on chalcogenide glass fiber end surfaces with femtosecond laser direct writing”的論文(ISSN: 0733-8724, 2021, 39(7): 2136-2141, IF=4.288)。

       光纖具有結構緊湊、性能穩定、易于集成等優點,在現代光通信中具有不可替代的作用。近年來,借助微加工技術,已經在光纖內部實現了光纖光柵、微通道等結構的制備。除此之外,制備在光纖端面上的微結構,如菲涅爾環、端面光柵等在傳感器、波分復用和光譜分析中也展現出了巨大的應用潛力。

目前,這些結構的制備技術在石英光纖中已經非常成熟,但是,由于材料本身的透過范圍限制,這些器件無法在包含重要分子光譜指紋的中紅外波段應用。硫系光纖作為一種具有優異透過特性的光纖,能夠很好地填補中紅外波段應用的空白。

圖1 精密拋光后的As2S3光纖端面顯微鏡和3D圖

       本研究探索了飛秒激光在硫系光纖端面直寫端面光柵的可行性。硫系玻璃光纖機械強度低,易受損傷,經過對硫系光纖端面拋光的長期摸索,通過在光纖兩端制作FC跳線頭的方式,制備出了如圖1所示的表面粗糙度小于80 nm的清潔端面,能夠避免由于端面本身缺陷造成的能量損失。

圖2飛秒激光直寫光纖端面一維(a)和二維(b)衍射光柵結構示意圖

       為了使端面光柵的光譜分辨率盡可能的高,纖芯范圍內的光柵條數應該盡可能的多,也就是光柵周期要盡可能的小。但是,作為用于中紅外波段的衍射元件,其光柵周期必須大于所使用的波長,而且太小的光柵周期在刻寫時相鄰兩條刻線之間會產生影響。如圖2所示,綜合對光柵的試刻和測量,最終將光柵的周期設置為4 μm(Px = Py)。

圖3硫系光纖端面光柵顯微鏡圖(a,d)及其部分放大圖(b,c)

       在制備過程中,飛秒激光中心波長為800 nm,重復頻率為1 kHz,脈沖寬度為100 fs,所使用的聚焦物鏡倍數為50 ×/0.80 NA。在刻寫之前,同樣通過試刻的方式對激光功率和平移臺速度進行優化,最終激光功率設置為20 nJ,平移臺移動速度為50 μm/s。圖3為端面光柵顯微鏡圖,與拋光后的端面相比,并未出現新的劃痕或者其他損傷。

圖4 1550 nm和SC光源下一維端面光柵衍射光斑分析

       圖4展示了一維端面光柵的衍射光斑圖像。借助紅外顯像卡,可以清晰地看到1550 nm激光經過光柵后分散在光屏上的光斑,如圖4(a)所示。使用Matlab對光斑強度進行圖像處理和分析,一級衍射效率接近50%,且衍射角度與理論值相同。而SC光源屬于復合光,經過光柵后不同波長的光對應的衍射角不同,一級和二級衍射光的峰值出現在了不同位置,所以會在光屏上形成一條彩色光斑,如圖4(b)所示。

圖5 1550 nm和SC光源下二維端面光柵衍射光斑分析

       圖5展示了測試光源經過二維端面光柵后的衍射光斑圖像。與一維光柵相同,二維光柵的衍射效率也在50%左右。圖5(d-f)是在SC光源下二維光柵特性的分析,同樣具備均勻的空間強度分布,從其中提取的兩種單色光強度分布可以看出衍射角度明顯不同,表明其波長選擇性較好。

       一個高平整度的光纖端面是制備硫系光纖端面微結構的前提。本文通過FC跳線頭的制備與端面拋光,成功獲得了平整無缺陷的端面,并利用飛秒激光制備出了高性能的衍射光柵,為硫系光纖端面光子器件的研發提供了導向。

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