英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
光敏光纤布拉格光栅的热再生
摘要
我们报告了用纳秒激光脉冲写在光敏纤维中的光纤布拉格光栅的热再生。 我们观察到在没有氢负荷的高光敏纤维中的再生过程，其指示通过热活化在光纤中的次级光栅生长。 这个过程比通过色心修改产生的公知光栅更温度稳定。 研究了这种新型光栅的写入条件，并分析了这些再生光纤布拉格光栅的温度特性。 通过利用类型I光栅的良好光谱形状与类型II类似的温度稳定性的组合，应用可能性在高温传感器系统的领域中。
- 介绍
光纤布拉格光栅是用于电信，激光和传感器技术的成本有效且易于集成的光学元件。 在传感器系统中，它们被良好地建立为温度和应变传感器元件。 其小尺寸，易于多路复用和无电气干扰的优点使其成为传统电气和电子传感器系统的强大竞争对手。 对于作为温度传感器的应用或它们在高温环境中的使用，光栅类型和折射率修改技术的类型的选择是非常重要的。 通常已知的I型光栅由Kramers Kronig关系[1,2]以及压实和致密化[3,4]描述的色心改变和吸收光谱的相关改性产生。这种类型的布拉格光栅的温度特性由Erdogan等人分析[5]，他们导出了一个模型，用于计算指数变化的热激活减少。 根据此型号的光栅仅适用于最高工作温度450°C。 通过使用接近掺杂玻璃的损伤阈值的强度产生更温度稳定的II型光栅（高达1000℃[6]）。 这种类型的折射率修改也是由芯部玻璃的转变温度附近的应力消失引起的。 II型光栅的缺点是反射光的不良光谱响应，这使得对于传感器应用的温度相关分析困难。大于0.6nm的光谱宽度是典型的，并且光谱通常非常不对称。 此外，II型光栅在较低的波长范围内表现出高损耗，这使得它们不太适合多路传感器阵列[7]。关于其温度稳定性，称为IIA型的另一种类型的光栅在I型和II型光栅之间。 在高达500℃以上的温度下的光栅稳定性被报道[8]，并且这些光栅总是与负折射率变化连接[9]。 该负折射率变化总是导致光栅反射率以及在写入过程期间可以观察到的布拉格波长的衰减。 Fokine [10]报道了另一种产生温度稳定光栅的方法，该方法在UV曝光和热处理之后使用掺杂剂的扩散。这导致高达1000℃以上的温度稳定性。 最近，Canning等人[11]描述了另一种新型的折射率修正，其还通过使用193nm激光辐射用于光栅刻写和二次回火工艺而导致高温度稳定的布拉格光栅。初始种子光栅是I型，然后在大约950℃的温度下处理。 观察到二次光栅生长，其导致高达1100℃的高温稳定光栅，并被称为再生光栅。 对于这种光栅，硼掺杂的锗硅酸盐纤维与氢负载一起使用。 没有氢负载没有报告的效果。
我们已经观察到类似类型的再生折射率变化，然而通过在248nm处使用纳米级激光脉冲用于在高度光敏锗掺杂光纤中的初级光栅而没有硼掺杂，并且不需要氢负载用于再生过程。 正在研究这种类型的光栅的写入条件和制造工艺，并且针对它们在高温感测领域中的应用来分析它们的性质。
2.写入步骤
对于写入布拉格光栅，已经使用了给出不同性质的几种制造技术。 我们使用改进的Talbot干涉仪，首先由Dockney等人介绍。[12]与248nm的准分子KrF激光器组合，脉冲持续时间为20ns。该设置与不同的写入激光源[13,14]以及不同的布拉格波长范围结合使用，表明写入参数具有很高的灵活性。 所得的布拉格波长lambda;B可以通过改变干涉镜的角度来连续调整（图1a）。
图1 a）干涉仪几何形状，b）退火设置
写入激光器在光纤位置处的能量密度可以通过可移动的柱面透镜来调节。 使用外径为125mu;m的高锗掺杂光敏纤维进行写入实验。 预制件和最终纤维芯的锗含量由测得的折射率分布计算为18mol％。 光纤的数值孔径为0.26，在1550nm处的模场直径为（5.0plusmn;0.5）mu;m。 在写入光栅之前用夹具剥离涂层，并且不施加氢负荷。
3.格栅刻录
光栅已经刻有不同的能量密度，以便根据刻录条件研究再生光栅的反射特性。 随着透镜和光纤之间的距离的变化，光栅记录平面中的能量密度可以改变。 通过考虑具有焦距f和在z-y方向上聚焦而不改变布拉格周期（图1）的柱面透镜，可以通过使用简单的三角方程近似光纤位置处的能量密度Ed。 激光束轮廓假设为尺寸为20times;7.5mm 2的顶帽分布。 选择6times;5mm 2的较小部分用于更均匀的能量密度。 该轮廓在根据干涉仪的几何形状通过透镜之后被修改。 然后通过（图1）描述透镜和纤维年龄之间的干涉仪的一个臂的路径长度距离。
对于焦点区域外的位置，我们可以使用光线光学近似。作为透镜和光纤d之间的距离d（年龄）的函数的光束直径可以从透镜之前的光束直径d0，干涉仪反射镜b的距离，使用的相位掩模光束分离器alpha;的衍射角得到布拉格角X：
由于干涉仪中的倾斜光路，必须考虑角度alpha;和布拉格角X的影响。在反射镜的平行和对称位置的情况下，两个角度相同。 在非对称情况下，透镜之前的初始能量密度根据以下变化：
其中Ed（0）是透镜之前的初始能量密度。 对于20times;7.5平方毫米的面积，取决于激光条件（气体的老化和具有气体填充的脉冲数量）的入射脉冲能量已经近似为150mJ的计算。 该脉冲能量对应于100mJ 每平方厘米的起始能量密度。 通过考虑由于透镜的损耗和相位掩模的衍射效率，对于Ed（0），能量密度降低到60mJ每平方厘米。
在此基础上，通过移动柱面透镜可以在60mJ / cm 2至高于1000mJ / cm 2的范围内调节能量密度。 我们在这里仅将两个干涉仪路径中的计算的能量密度的和作为平均值，并且忽略在局部强度给出调制的干涉效应。 我们还忽略了来自光纤几何形状的附加折射效应，因为它在聚焦变化的整个范围上几乎是恒定的。 然后，光栅的特征在于反射或透射以确定光栅反射率R.利用测量的反射率，可以通过使用与UV感生的折射率变化成比例的耦合模式理论来计算光栅强度eta;[5]：
因此，根据该等式，可以根据记录能量密度导出折射率变化。
4.再生光栅工艺
再生光栅通过在限定的高温下对初始记录的光栅进行退火而获得。我们的退火实验在700-750℃的温度范围内在Carbolite ELF/11/6B烘箱中进行，附加的温度控制在纤维的位置附近。初始光栅通常在高度Ge掺杂的光纤中使用能量密度为330mJ 每平方厘米的3000个激光脉冲产生，并且具有5mm的长度图2示出了在写入过程期间光栅反射率和布拉格反射波长的演变。由于高光敏性，光栅非常快速地生长到高于90％的反射率，并且在高于99％的反射率下暴露约2分钟后已经饱和。 因此，在约5分钟的曝光时间之后，光栅强烈过度曝光。 在写入期间布拉格波长连续地移动到红色，这表示平均折射率变化的增加，并且是正常的I型行为，没有任何指示如类型IIA光栅中所观察到的负折射率变化。 用于以下讨论的所产生的光栅具有-23.5dB的传输损耗，这对应于99.55％的反射率。 测得光谱宽度为0.489nm（FWHM），其在室温下的布拉格波长为1550.672nm。 然后将该光栅在700℃下退火。
图2根据图3中的光栅的反射率（方块）和布拉格波长（三角形）写入过程
在退火过程中的光学性能的变化如图1所示图3在黑色圆圈的左轴上，光栅强度（根据等式（5））和在具有红色三角形的右轴上，光栅反射率根据退火时间呈现。图3中的蓝色圆圈示出用于比较 通过使用由Erdogan提及的模型在I型光栅退火期间的典型的常规光栅强度特性，以及通过对具有相同起始特性的光栅的减少进行建模。
图3再生光纤布拉格光栅与常见的I型光栅相比的退火行为
对于测试中的特定光栅，我们可以首先观察到从I型光栅已知的参数归一化的指数变化和反射率的强初始下降。像在Erdogan等人提出的模型中。[5] UV诱导折射率的衰减可以通过倒数功率函数近似（对于长退火时间接近零）。然而，在强初始下降之后，退火过程约10分钟后光栅强度再次增加，在约50分钟后达到次要最大值。诱导指数的这种二次生长导致光栅反射率增加约5％，如图3所示（红色三角形）。相关的光栅光谱在FWHM中从0.489nm同时减小到约0.200nm。在图4中可以看到在700℃退火期间光谱宽度和布拉格波长的测量。图2中的谱宽度。图4示出了与光栅反射率相同的行为。这导致指数调制的实际增加。布拉格波长的大变化源自所使用的炉的变化。只能使用图的包络进行定性分析。与光栅区域（方程（1））中的有效折射率成比例的布拉格波长在第一分钟内增加，因为温度从约20℃改变到700℃，在增加之后，开始减小过程在图3中的光栅再生最大值之后，光栅反射率和指数调制降低，同时可以观察到平均指数的增加，可以假定在最大值之后的折射率调制的减小可以通过干涉图案中未曝光区域的平均折射率变化的增加来解释，这导致折射率调制的减小，并且这种折射率变化的原因目前是未知的，假设可以是玻璃材料中的结晶或扩散过程。为了更详细地分析效果，我们在下一节研究依赖写入参数。
图4在700℃退火过程中的布拉格波长和光谱宽度（FWHM）的演变
5.讨论相关光栅刻录参数
为了理解实现再生光栅类型的条件，我们可以在初始光纤写入过程期间改变参数能量密度和脉冲数。 为了分析，我们研究退火光栅的两个光栅参数。 第一参数是再生因子，其对应于再生后的第二反射最大值与归一化反射率的第一最小值之间的差。 再生因子表示光栅反射率的再生次序。 该因子与相对再生折射率调制成比例。 我们从测量中得到的第二个参数是达到光栅反射率的次级最大值的时间。这给了我们对过程的时间行为的理解。
在图5中，我们可以观察到两个参数与能量密度的大部分线性相关性。所有光栅均使用每个特定能量密度值的3000个激光脉冲写入。所有光栅的初始绝对反射率相似，并且在退火之前高于95％。在高于800mJ每平方厘米的较高能量密度的范围内，时间和再生因子的测量值分布更多，因为写入过程在玻璃系统的损伤阈值附近进行。该限制的指示是在1000mJ 每平方厘米附近写入的光栅的不良光谱响应和II型温度行为。在图1的插图中。图5示出了写在750mJ每平方厘米附近的光栅的典型退火行为。
图5再生因子（700℃退火时光栅反射率的第二最大值和最小值之间的差值;三角形）
到退火期间光栅反射率的第二最大值的时间
到次级最大值的时间取决于温度。 在较高温度下的实验加速了光栅的再生，
较低的温度减慢了该过程。
图6依赖于写入激光能量密度的再生因子（正方形：随脉冲数的变化，三角形随能量密度的变化）
图6示出了用于初始光栅刻写的能量密度（即能量和脉冲数量的乘积）的重要性。为了该研究，使用不同的脉冲数以相同的能量密度（700mJ每平方厘米）产生4个光栅。这4个光栅也在700℃下退火，并确定再生因子。其他光栅刻有能量密度的变化并保持脉冲数恒定。在图中可以清楚地看到再生因子直接取决于应用的通量。具有4200J每平方厘米能量密度的光栅产生非常强的再生因子，达到高达初始反射率的80％。我们没有观察到低于900J每平方厘米流量的再生过程。
6.温度稳定性
在本节中，我们要研究再生光栅的温度稳定性。为了确定温度稳定性，在700mJ每平方厘米的能量密度下用3000个激光脉冲再次写入几个光栅，并在700℃下退火直到达到最大再生因子。使用高稳定温度校准器（稳定性plusmn;0.01℃）进行温度实验。然后在温度循环中处理这些光栅。在第一校准循环中，将光栅从50℃加热到500℃，并且在50℃的步骤中以每步的30分钟的测量周期向后加热。在第一次校准循环后，光栅在550°C下加热72小时，然后在相同条件下进行第二次校准。在图7中，示出了根据光栅的第一和第二校准周期的温度的布拉格波长。
图7再生光纤布拉格光栅的校准曲线
第一次校准的红色三角形，第二次校准的蓝色方块。在第一次校准后，将光栅在550℃ 下加热72小时（插图显示在250℃和500℃下的放大数据）
红色三角形标记了光栅的第一个校准周期，在250°C和500°C的插图部分中，测量值以更高的精度显示。由于使用的频谱分析仪，测量精度的极限为0.001nm。在550℃退火72小时后，没有观察到波长的显着漂移，并且在相同条件下进行第二校准（蓝色方块）。相比之下，两条曲线显示非常好的一致性，没有指示光栅的高温稳定性的滞后。图6中的曲线的拟合。图6示出了从典型光栅已知的布拉格波长随温度的移动的正常行为。在50℃至200℃的较低温度范围内，人们可以近似于温度依赖性波长漂移11.5mu;m/℃，从200℃至高达约500℃15 pm /℃。该结果表明，这种类型的光栅非常适合于在至少550℃的温度范围内进行感测并具有良好的光谱反射特性。
7.结论
我们讨论了热激活再生的光纤布拉格光栅写在非氢负载但高光敏纤维的结果。 再生效应的过程尚未完全理解。 例如，可以预期在高温退火期间发生结晶或扩散效应。 光栅再生导致在初始漂白之后光栅反射率的强烈增加，并且给出比已知的I型修改更温度稳定的光栅。 由于它们的高温稳定性和它们小的和良好限定的反射光谱，它们是至多大于550℃的多重传感器光栅阵列的完美候选，显示没有漂移或滞后。
193nm光栅的硼掺杂锗硅酸盐光纤的超高温再生
布拉格光栅适合于高温应用的发展在传感和高功率激光器中是一个越来越重要的研究话题，先前的研究已经提出了光纤
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[140507]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
