利用双掺提高光纤材料光敏性最主要的有利因素是B的掺入能够引起光纤材料芯区折射率的降低。因此，B/Ge双掺杂光纤材料可以具有较高的锗掺杂浓度，同时又不引起光纤芯折射率的增大，从而可实现与普通单模光纤的良好匹配。

(2) 刷火

由于光纤材料的光敏性与光纤材料中的缺氧锗缺陷浓度直接有关，且两者近似成正比关系，因此可以通过使用氢灯对所要曝光的光纤段进行刷火处理。1993年，Bilodeau等人 ^{REF _Ref176532655 \r \h \* MERGEFORMAT [2]}用温度高达1700℃的氢氧焰来回灼烧要写入光栅的区域，持续20min，使光纤在240nm处的吸收增加。该作用只发生在含GeO的纤芯，对包层没有影响。紫外灼烧后的光纤可得到大于10^-3的折射率变化，使光纤材料的光敏性提高了一个数量级。用这种方法增强光敏性不会产生折射率的漂移。由于对曝光区段的光纤进行处理，因此这种方法对两个主要的通信窗口几乎没有影响，可在标准通信光纤中写出强光纤光栅。

该方法的主要缺点是高温灼烧破坏了光纤，有长期稳定性问题。

(3) 氢载

将光纤需制作光栅的部分去掉保护层，然后置于(20～750)×10⁵Pa的氢气高压容器中，氢气浓度23000～85000ppm (1ppm定义为每个SiO₂分子有10^-6molH₂)，在常温(21～75℃)下渗氢数百小时或数天。氢载处理后的光纤光敏性可提高几十倍到几百倍，折射率改变可达10^-2数量级。它的机理也同样是增加了锗缺陷从而提高了光纤的光敏特性。

低温高压载氢技术是通过外在方式提高光纤光敏性的一种有效方法,制作成本低廉,制备简单,能大幅提高光纤的光敏性。经过载氢处理后,普通光纤纤芯的折射率调制量可从10^-5提高到10^-2,这样就使在任意光纤(包括标准光纤、低损耗传输光纤或其它希望使用的光纤)中制作高反射率的光纤光栅成为可能。载氢的基本原理是将普通光纤置于高压氢气中一段时间后,氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中，当特定波长的紫外光(一般是248nm)照射载氢光纤时,纤芯被照部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge-OH和Ge-H键,使该部分的折射率发生永久性的增加。刻写过程结束后，光栅中残存的氢分子有扩散运动,且反应后存在不稳定的Ge-OH键，这都会造成光栅光学特性的不稳定，因此必须用高温退火的方法来保证光纤光栅实际应用时的稳定性。退火一方面可以清除残留在光纤中未反应的氢分子；另一方面可以破坏光栅写入后纤芯中一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键。研究发现，退火后光纤折射率变小，光栅谐振波长向短波方向漂移，光栅透射谱深度变小。

棱镜干涉仪和Lloyd干涉仪 是两种比较有代表性的可以在光纤中写入布拉格光栅的分波前干涉仪。棱镜干涉仪的装置如 图3.5 (a)所示，棱镜由高均匀性的紫外熔融石英制作而成，具有较好的传输特性。实验装置中紫外光束被棱镜边缘二等分，其中一束光被棱镜的内表面反射。在棱镜的出光面上两束光相遇，形成与光敏光纤纤芯平行的干涉条纹。装置之前放置的一个圆柱透镜有助于沿光纤形成直线干涉条纹。由于光程差是产生在棱镜内部，它不受振动的影响，因此该干涉仪具有良好的稳定性，有报道说用棱镜干涉仪写入光栅时写入时间可以超过8h。因为干涉图案是将光束折叠产生的，因此光束的不同部分必须相干，这就要求紫外光源必须有很好的空间相干性，这是棱镜干涉仪的一个主要缺点。

用Lloyd干涉仪写入光栅的实验装置如 图3.5 (b)所示，干涉仪由一个绝缘的反射镜组成，将一半的紫外光束反射到与其倾斜的光纤上，写入光束被聚焦在反射镜面与光纤的交点上。直接入射的紫外光和被反射的紫外光产生与光纤轴线垂直的干涉条纹。装置之前放置了一个圆柱棱镜以帮助沿着光纤聚焦干涉条纹。与前面提到的棱镜干涉仪一样，Lloyd干涉仪的条纹图也是将光束分割然后折叠形成的，要求光束的不同部分必须相干，因此，所用的紫外光源也必须具有很好的空间相干性。分波前干涉法一个重要优点是只需要一个光学器件，大大降低了其对机械振动的敏感性，此外，紫外光束分割后传输的距离较短，减小了由于光束所经光路的空气流动和温度不同造成的波前畸变；再者，由于装置简单，很容易进行旋转，这样就可以很容易地通过改变两束光的夹角来调节光栅的波长。

分波前干涉法的缺点是支撑的光栅长度受限，它主要取决于光束的半宽度；还有一个缺点是受干涉仪物理配置的限制，布拉格波长的调谐范围不大，因为随着夹角的增大，两束光的光程差也增大，这样光束的相干长度就会限制布拉格波长的调谐范围。

利用相位掩膜板法制作光纤光栅

1993年，Hill等人首次采用相位掩模法成功写入光纤Bragg光栅，光源是248nm的KrF准分子激光器，相位掩模采用零级抑制位相掩模，周期Λ_PM=1060nm，零级衍射光受到抑制小于总衍射光功率的5%，正负一级衍射光各占总衍射光功率的37%，采用正入射曝光20分钟后在1531nm处得到16%的反射率。不久，该研究组又采用类似方法，用单个KrF准分子激光脉冲在光敏光纤中写入了光纤Bragg光栅。

几乎与此同时，美国AT&T贝尔实验室的Anderson^]也用相位掩模法成功的制作了光纤光栅。他们使用的相位掩模周期Λ_PM=519nm，采用斜入射，入射角为13°，零级衍射光占入射光功率的26%，正负一级各占14%，在1508.5nm处得到94%的反射率。

由于相位掩模法具有许多独特的优点，因此很快便成为制作Bragg光栅的首选方法。这种方法的最大优点是写入Bragg光栅的周期仅由位相光栅掩模的周期Λ_PM和写入光束的方向决定，而与写入光的波长无关，工艺简单，重复性好，成品率高，便于大规模生产，对光源的时间相干性和单色性要求较低。另外，相位掩模近场衍射所形成的干涉条纹的位相与写入光束入射到相位掩模上的位置无关，因此可以用来写入均匀周期长光栅。

相位掩膜法技术大大的降低了光纤光栅制作系统的复杂程度，简单到只需一个光学器件就可制作较强和比较稳定的光纤光栅，因为光纤通常都放在模板后面衍射光的近场中，对机械振动的敏感性以及由其产生的不稳定性等问题都被最大限度的克服了。由于干涉仪的几何结构、时间相干性不会影响写入能力(与干涉仪相比)，但空间相干性对光栅的制作很重要。另外，相位掩膜法要求光纤被放置在与相位模板上光栅结构近乎接触的位置，以便能够产生最大的折射率调制。显然，光纤与相位模板的距离在写入光栅过程中是一个很重要的参数。对于空间相干性不好的紫外光源，如准分子激光器等，应该使这个距离尽可能小。

图3.13所示的装置可以帮助理解空间相干性的重要性，纤芯与相位模板的距离为h，从模板不同部分(间隔距离为y)透过的+1阶衍射和-1阶衍射光束干涉形成干涉条纹，由于对两束相干光来说，光纤到相位模板的距离是相等的，因此并不要求较好的时间相干性，一样可以形成对比度高的干涉条纹。但是，随着距离h的增加，两束相干光的间隔距离y也会增加，因此必须要求光源具有很好的空间相干性才能形成对比度高的干涉条纹，如果距离h增加到超过入射紫外光的空间相干长度时，条纹对比度会迅速恶化，最后根本不会产生干涉。

研究分析表明，光纤光栅反射谱在短波长一侧的反射旁瓣是由于光致折射率变化为非均匀时，光纤中的有效折射率随光纤光栅的位置而变化，使光栅形成自啁啾效应所造成的。显然，只要在光纤光栅的长度范围内使非均匀折射率变化的直流分量保持为恒定值，便可以避免光纤光栅中的自啁啾效应，从而有效地消除光纤光栅反射谱短波长侧的旁瓣。

这里分析讨论的光致折射率变化分布的获得，都是基于“相位模板”方式的。拟刻写光栅的光纤(经载氢、并剥去护套)直接置于相位模板下，光束垂直照射，光纤相位模板产生的干涉条纹使光纤受到周期结构光强的照射，从而产生周期结构的折射率变化，其分布取决于刻写光栅的光强分布和光纤折射率分布，一般情况下，后者沿光轴向分布是均匀的，因此，光纤光栅折射率变化的分布取决于光强的分布。当光强为高斯分布时，所形成的折射分布也呈高斯分布。

显然，要使非均匀折射率变化分布的直流成分为恒定值，必须使光纤中折射率的变化是关于光栅轴对称的。因此，应使拟刻光栅的光纤折射率变化沿轴向分布为光强分布的反分布，即应先在拟刻光栅的光纤上形成一折射率分布轮廓，然后再在该反对称折射率分布的光纤上刻制光纤光栅。为此，可以采用两步曝光法来实现。第一步曝光不加相位模板,使光纤上拟刻光栅的部位形成一所需的折射率分布；第二步曝光是把相位模板加于光纤的相应位置上，使该部分形成光栅的周期结构。在实际的应用中，可以用相对简便的方法去实现光纤中背景折射率的分布。

设拟刻光栅的光纤部分为R，长度为L，如 图3.20所示。先把高斯分布光束的中心点对准R的中心点；然后把光束平移L，使其对准待刻光栅(R)部位的右端，使右半部分曝光，形成图中箭头(a)所示的光致折射率变化；而后再把光束平移L，移到拟刻光栅的左半部分(光束中心对准L的左端)，使左半部分曝光，形成图中箭头(b)所示的光致折射率变化。这样便在拟刻光栅的部分R形成了一折射率分布。第二步曝光时，便可在此折射率背景中形成周期结构的折射率，如图3.20中箭头(c)所示。

表3. 制作光纤光栅用的UV光源及其性能

光源	物理机制	优点	缺点
1. KrF准分子激光器(248nm) 2. 倍频的氩离子激光器(244nm, 257nm) 3. 四倍频的Nd3 + ∶YAG激光器(266nm) 4. 二次谐波铜蒸气激光器(255nm) 5. Xecl准分子激光器倍频染料激光器(240～250nm)	GODC 240nm 处单光子吸收	KrF准分子激光器无需倍频,可提供短脉冲、高功率的能量,脉冲输出频率可调,既可保证掩模法所需的相干度,操作亦简单方便。是目前最为常用的光源。
氩离子激光器(488nm和514nm)	GODC 240nm 处双光子吸收		与内部写入法结合形成驻波成栅,现在已不常用该法。
近紫外的连续氩离子激光器( 333 ～364nm)	GODC 330nm 处的吸收		形成的折射率调制量很小。
ArF准分子激光器(193nm)		1. 可以在普通标准光纤上刻写光栅,而无需提高锗的掺杂浓度; 2. 由于光源波长短,因此在点点写入法中就可以提供高空间分辨率。	激光能量要低于248nm的KrF准分子激光器。
F2 激光器的真空紫外光(157nm)	直接激发掺锗石英光纤的传导带 <<<1234>>> 上一篇：结构健康监测中光纤光栅传感技术（二）光纤光栅基本原理2 下一篇：仪器仪表精度等级的划分标准 收藏 打印          粤ICP备14014482号-1 Copyright © 2013-2015 深圳市简测智能技术有限公司 版权所有 简测智能淘宝店：shop115087619.taobao.com 公司地址：深圳市南山区学府路1号