飞秒激光直写高性能光子晶体光纤光栅研究

基于光子晶体光纤的光栅（PCFG）与传统光纤光栅相比，具有结构灵活、性能优异等特点，在光通信和光传感领域有着更为广阔的应用前景，但成熟的光纤光栅制作工艺不能满足高性能PCFG的制备。为推动基于光子晶体光纤（PCF）的光电子器件研制和产业的发展，迫切需要对高性能PCFG制备的新技术展开研究。.本项目提出利用飞秒激光直写技术加工高温度稳定性和强机械性能的PCFG。以阐明飞秒激光加工PCFG的成栅机理为核心，以探索飞秒激光加工高性能PCFG的技术为目标。研究超短脉冲激光在有涂覆层光子晶体光纤横截面中的非线性传输特性，提高飞秒激光改性区加工精度；探索材料折射率变化和损伤的物理机制，提高PCFG的高温稳定性；阐明PCFG的传导机理、模式特性和色散特性，建立谐振波长和耦合强度的调控模型。为实现飞秒激光加工高性能PCFG器件设计提供理论基础，为其加工提供工艺指导。

基于光子晶体光纤的光栅（PCFG）与传统光纤光栅相比，具有结构灵活、性能优异等特点，在光通信和光传感领域将有着更为广泛的应用前景，但成熟的光栅制作工艺不能满足高性能PCFG的制备。为推动基于光子晶体光纤（PCF）的光电子器件研制和产业的发展，迫切需要对高性能PCFG制备的新技术开展研究。本项目研究了超短脉冲激光在有涂覆层的光子晶体光纤横截面中的非线性传输特性，在紧聚焦情况下，光纤纤芯位于聚焦透镜焦点处时，光纤的柱状结构对光束传输没有明显影响，而有光纤的涂覆层结构会使聚焦光束束腰位置沿光束传输方向（z）向前移动，调整光子晶体光纤与入射光夹角，可见PCF对光束的强烈散射使纤芯处无法获得较强的能量分布。探索了材料折射率变化和损伤的物理机制，分析了材料微观结构变化，但由于是弱改性变化，因此结构变化不明显。根据制造的光纤光栅器件可以推算器件折射率变化，控制写制光栅的结构参数可实现低背景损耗的器件。探索了利用普通物镜、柱透镜等加工方法制造长周期光纤光栅，提出了刻槽实现高温度稳定性的PCFG光栅结构，并实现利用飞秒激光在标准单模光纤和光子晶体光纤中刻槽加工PCFG。对单模长周期光纤光栅在30~1100 ℃温度范围内进行传感实验检测，其谐振波长随着温度升高向着长波方向移动，在30~300 ℃温度范围内的变化较为缓慢，温度灵敏度约为51 pm/℃，线性度为0.956。在300~1100 ℃温度范围内，灵敏度达到了135 pm/℃，且线性度高达0.999。光子晶体长周期光纤光栅器件的谐振波长位于1260nm，半峰宽小于12nm，调制深度为1.6dB。但器件机械抗弯强度低于利用该方法在单模光纤中加工的长周期光纤光栅，因此如何制造光学性能和可靠性兼顾的LPFG器件仍有待继续研究。