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飞秒激光直写硫系光纤端面衍射光栅的研究
作者: irglass 时间: 2021-03-17 浏览:549 次

        近日,我室研究生马文强(第一作者)和张培晴副研究员(通讯作者)在Journal of Lightwave Technology期刊上发表了题为“Diffraction grating fabricated on chalcogenide glass fiber end surfaces with femtosecond laser direct writing”的论文(ISSN: 0733-8724, 2021, 39(7): 2136-2141, IF=4.288)。

       光纤具有结构紧凑、性能稳定、易于集成等优点,在现代光通信中具有不可替代的作用。近年来,借助微加工技术,已经在光纤内部实现了光纤光栅、微通道等结构的制备。除此之外,制备在光纤端面上的微结构,如菲涅尔环、端面光栅等在传感器、波分复用和光谱分析中也展现出了巨大的应用潜力。

目前,这些结构的制备技术在石英光纤中已经非常成熟,但是,由于材料本身的透过范围限制,这些器件无法在包含重要分子光谱指纹的中红外波段应用。硫系光纤作为一种具有优异透过特性的光纤,能够很好地填补中红外波段应用的空白。

图1 精密抛光后的As2S3光纤端面显微镜和3D图

       本研究探索了飞秒激光在硫系光纤端面直写端面光栅的可行性。硫系玻璃光纤机械强度低,易受损伤,经过对硫系光纤端面抛光的长期摸索,通过在光纤两端制作FC跳线头的方式,制备出了如图1所示的表面粗糙度小于80 nm的清洁端面,能够避免由于端面本身缺陷造成的能量损失。

图2飞秒激光直写光纤端面一维(a)和二维(b)衍射光栅结构示意图

       为了使端面光栅的光谱分辨率尽可能的高,纤芯范围内的光栅条数应该尽可能的多,也就是光栅周期要尽可能的小。但是,作为用于中红外波段的衍射元件,其光栅周期必须大于所使用的波长,而且太小的光栅周期在刻写时相邻两条刻线之间会产生影响。如图2所示,综合对光栅的试刻和测量,最终将光栅的周期设置为4 μm(Px = Py)。

图3硫系光纤端面光栅显微镜图(a,d)及其部分放大图(b,c)

       在制备过程中,飞秒激光中心波长为800 nm,重复频率为1 kHz,脉冲宽度为100 fs,所使用的聚焦物镜倍数为50 ×/0.80 NA。在刻写之前,同样通过试刻的方式对激光功率和平移台速度进行优化,最终激光功率设置为20 nJ,平移台移动速度为50 μm/s。图3为端面光栅显微镜图,与抛光后的端面相比,并未出现新的划痕或者其他损伤。

图4 1550 nm和SC光源下一维端面光栅衍射光斑分析

       图4展示了一维端面光栅的衍射光斑图像。借助红外显像卡,可以清晰地看到1550 nm激光经过光栅后分散在光屏上的光斑,如图4(a)所示。使用Matlab对光斑强度进行图像处理和分析,一级衍射效率接近50%,且衍射角度与理论值相同。而SC光源属于复合光,经过光栅后不同波长的光对应的衍射角不同,一级和二级衍射光的峰值出现在了不同位置,所以会在光屏上形成一条彩色光斑,如图4(b)所示。

图5 1550 nm和SC光源下二维端面光栅衍射光斑分析

       图5展示了测试光源经过二维端面光栅后的衍射光斑图像。与一维光栅相同,二维光栅的衍射效率也在50%左右。图5(d-f)是在SC光源下二维光栅特性的分析,同样具备均匀的空间强度分布,从其中提取的两种单色光强度分布可以看出衍射角度明显不同,表明其波长选择性较好。

       一个高平整度的光纤端面是制备硫系光纤端面微结构的前提。本文通过FC跳线头的制备与端面抛光,成功获得了平整无缺陷的端面,并利用飞秒激光制备出了高性能的衍射光栅,为硫系光纤端面光子器件的研发提供了导向。