周 賢 劉克非

張 欣 1 張海波 1, 2

明興祖3

1. 湖北文理學(xué)院

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

湖北 襄陽 441053

2.湖北文理學(xué)院

機(jī)械工程學(xué)院

湖北 襄陽 441053

3.湖南工業(yè)大學(xué)

機(jī)械工程學(xué)院

湖南 株洲 412007

0 引言

光柵光纖傳感器因其具有抗電磁干擾、高分辨率、輕量化、體積小、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)良性能[1]，在包裝自動(dòng)化加工系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。微結(jié)構(gòu)光柵光纖具有比標(biāo)準(zhǔn)光柵光纖更高的伸縮性、較大的表面積，其靈敏度顯著提高。研究人員不斷探索在光柵光纖上刻蝕不同的微結(jié)構(gòu)（如微槽[2]，微腔[3]），再將其制成各種新型傳感器，如在布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）光纖的包層制作微結(jié)構(gòu)，并結(jié)合敏感涂層制成的新型光柵光纖傳感器，其在磁場(chǎng)測(cè)量[4]、氣體傳感[5]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

超短脈沖激光刻蝕是一種能有效提高微加工效率的技術(shù)，它具有峰值功率高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，適合加工各種硬脆材料[6]。如采用飛秒（femtosecond，fs）激光與相位掩模或逐點(diǎn)刻劃技術(shù)相結(jié)合，在光纖或熔融二氧化硅中制備各種光柵[7-9]。光柵或波導(dǎo)的特性直接受激光能量、輻照時(shí)間、聚焦數(shù)值孔徑等影響，因此有關(guān)飛秒激光與介質(zhì)材料之間的刻蝕機(jī)理研究也越來越多。然而，透明材料激光損傷的機(jī)理并不統(tǒng)一，如熔融二氧化硅中超快激光誘導(dǎo)折射率的變化原因有應(yīng)力、致密化、色心、累積加熱等理論[10-12]。一般來說，低激光能量會(huì)導(dǎo)致與色心理論有關(guān)的I型結(jié)構(gòu)的正折射率變化，而超過損傷閾值的輻照能量則通常產(chǎn)生與應(yīng)力、致密化有關(guān)的Ⅱ型結(jié)構(gòu)[13-14]。

為深入研究激光誘導(dǎo)折射率變化的機(jī)理，本研究利用飛秒激光在光柵光纖包層上制備了直槽微結(jié)構(gòu)，近似量化了飛秒激光誘導(dǎo)的光柵光纖折射率變化，研究光纖表面微結(jié)構(gòu)的刻蝕特性。此外，還研究了不同加工參數(shù)對(duì)光柵光纖的影響，退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了激光對(duì)光纖損傷的機(jī)理，并以微型結(jié)構(gòu)光柵光纖磁場(chǎng)探頭和氫氣探頭為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以期為探究飛秒激光刻蝕微結(jié)構(gòu)的光纖特性以及微結(jié)構(gòu)光纖傳感增敏機(jī)理提供理論參考。

1 飛秒激光加工光纖實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由飛秒激光加工系統(tǒng)、光譜儀、自制旋轉(zhuǎn)光纖夾具、FBG光纖組成。日本CyberLaser公司的IFRIT型鈦寶石飛秒激光器（Titanium gem femtosecond laser），能夠輸出波長(zhǎng)為 780 nm、頻率為 1～1 000 Hz、平均輸出功率為 1.1 W、輸出光束直徑為5 mm的飛秒激光。光纖夾具夾持光纖放置在三維加工平臺(tái)（實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸移動(dòng)，移動(dòng)精度分別為 1 μm×1 μm×0.5 μm），自制旋轉(zhuǎn)夾具用于固定和旋轉(zhuǎn)光纖。光譜分析儀（OSA型，波長(zhǎng)分辨率為 0.05 nm，Δλ范圍為 350～1 750 nm）用來觀測(cè)FBG光纖輸出光譜。光纖采用輸出波長(zhǎng)為1 319.6 nm、有效折射率為1.445、光柵長(zhǎng)為9 mm、光纖光柵周期為4 564 nm的單模光纖。

1.2 飛秒激光加工光纖實(shí)驗(yàn)

采用相位掩模技術(shù)，利用248 nm準(zhǔn)分子激光器將光纖光柵寫入標(biāo)準(zhǔn)單模光纖纖芯，制備成FBG光纖；然后，利用鈦寶石激光器在FBG光纖表面刻蝕了一種長(zhǎng)度為9 mm直槽微結(jié)構(gòu)。加工方法如下：飛秒激光經(jīng)過光路聚焦在光纖表面，同時(shí)夾具夾持光纖樣品置于精密三維移動(dòng)平臺(tái)上，三維平臺(tái)作Y軸移動(dòng)，配合激光完成直槽加工。所采用激光的加工參數(shù)為：激光功率20～50 MW，掃描速度4.5 mm/min。加工過程中采用實(shí)時(shí)電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）相機(jī)對(duì)燒蝕過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并用光譜分析儀對(duì)光柵光纖的反射光譜進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 飛秒激光加工光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental system for femtosecond laser machining optical fiber

2 結(jié)果與分析

2.1 飛秒激光刻蝕FBG光纖表面形貌分析

圖2顯示了使用飛秒激光（功率為22 MW，平移速度為4.5 mm/min）燒蝕光纖的整體形貌。

圖2 光纖表面形貌Fig. 2 Surface morphology of ablated fiber

由圖2a可知，光纖表層堆積一層微小碎屑，這是由于激光功率極高，燒蝕后溝槽較深，燒蝕材料不能完全噴射到光纖表面，所以在溝槽側(cè)壁上沉積固化，出現(xiàn)不規(guī)則的顆粒狀，且顆粒碎屑的體積隨著脈沖能量或輻照時(shí)間的增加而增大。圖2b為使用氫氟酸（HF）處理后的光纖表面形貌，大部分的碎屑已被去除，光纖表面變得光滑平整。圖2c為槽側(cè)壁的局部放大部分，觀察到其形態(tài)類似鐘乳柱狀，光纖的晶粒方向與激光的偏振方向垂直，在溝槽邊緣存在一些零星的周期性條紋。這是因?yàn)樵跓g過程中，激光與靶材接觸后產(chǎn)生材料等離子體，當(dāng)激光通過等離子體和濺射碎片時(shí)會(huì)發(fā)生激光反射或折射，從而產(chǎn)生納米裂紋；當(dāng)?shù)入x子體分布不均勻時(shí)，激光束與等離子體界面相互作用，在聚焦區(qū)產(chǎn)生周期性條紋并進(jìn)一步電離。圖2d為燒蝕光纖的橫截面，可以看出槽的形狀與激光的高斯分布一致，凹槽的深度約為24 μm。

利用最小二乘法對(duì)不同激光能量下的溝槽深度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 激光能量與微槽深度關(guān)系Fig. 3 Relationship between laser energy and groove depth

由圖3可知，擬合曲線方程中y表示刻蝕深度，x表示激光能量，R2為線性擬合程度指標(biāo)，曲線方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。隨著激光能量的增加，微槽的深度也隨著增加。

2.2 飛秒激光刻蝕FBG光纖對(duì)FBG光譜影響

2.2.1 激光刻蝕槽數(shù)的影響

圖4為激光刻蝕不同槽數(shù)的FBG反射光譜。由圖4可知，反射光譜永久性地向長(zhǎng)波方向偏移，且隨著凹槽數(shù)量的增加，漂移量逐漸增大，沒有變形跡象，但存在一定的光功率損耗。對(duì)比圖4a與4b，F(xiàn)BG光纖中心波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)基本一致，不同之處在于圖4b中波長(zhǎng)漂移量更大，且光譜帶寬的變化也更大。這是因?yàn)椋号c偏離光纖中心20 μm的情況相比，聚焦在光纖中心時(shí)激光輻射劑量對(duì)纖芯的影響要大得多，波長(zhǎng)漂移量和帶寬變化更大一些。為了制作微結(jié)構(gòu)的FBG傳感器，通常選擇偏離光纖中心20 μm為宜，避免波形出現(xiàn)較大變化。

圖4 不同槽數(shù)的光柵光纖反射光譜Fig. 4 The reflected spectrum of FBG fiber with different grooves

均勻光纖光柵的功率反射率r為

式（1）～（3）中：κ為交流耦合系數(shù)；ξ+是直流耦合系數(shù)；s是折射率變化的條紋可見度；L為光柵的長(zhǎng)度；為折射率調(diào)制量；λ為波長(zhǎng)。

由雙曲正切函數(shù)式（2）可知，最大功率反射率隨著折射率變化的增加而變大，圖（4）的結(jié)果與耦合函數(shù)理論式（2）吻合較好。

2.2.2 激光功率及輻照時(shí)間的影響

本研究利用紫外（ultra-violet，UV）激光（波長(zhǎng)為248 nm）輻照單模光纖，將9 mm長(zhǎng)的FBG寫入光纖纖芯，一般稱之為I型光柵[15]，其折射率的變化與紫外光或多光子過程激發(fā)的中心缺陷變化有關(guān)。然后用激光能量強(qiáng)度超過光纖損傷閾值的紅外激光照射I型光柵，使其折射率發(fā)生變化。

根據(jù)方程式

得到中心波長(zhǎng)變化量為

其中：λB為布拉格波長(zhǎng)；λ1是激光照射后的中心反射波長(zhǎng)；Δλ為波長(zhǎng)的變化量；neff為纖芯折射率；Δn折射率調(diào)制變化量；Λ為光柵柵距。折射率的變化與標(biāo)準(zhǔn)光纖或熔融二氧化硅中的變化相同，與輻照時(shí)間和能量的增長(zhǎng)成正比[16-18]。

根據(jù)式（7）中給出的光波導(dǎo)模耦合理論[19]，帶寬也受激光輻照的影響。

其中：Δλ0是帶寬；L是光柵的長(zhǎng)度。對(duì)于強(qiáng)光柵，帶寬隨著折射率變化的增大而增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表達(dá)式所得結(jié)論一致。

激光功率、輻照時(shí)間對(duì)FBG光纖反射譜帶寬、中心波長(zhǎng)漂移量及折射率的影響如圖5所示。根據(jù)式（6）將圖5a中波長(zhǎng)偏移的值進(jìn)行替換，獲得圖5b所示的折射率變化量。

圖5 激光功率、激光輻照時(shí)間對(duì)FBG光纖漂移量、帶寬及折射率的影響Fig. 5 Effects of laser power and laser irradiation time on wavelength shift, bandwidth and refractive index of FBG fiber

由圖5a可知，隨著激光輻照時(shí)間的增加，中心波長(zhǎng)漂移量和帶寬不斷增大。當(dāng)輻照時(shí)間為360 s、激光加工功率分別為35 MW和25 MW時(shí)，波長(zhǎng)分別向長(zhǎng)波方向移動(dòng)397 pm和270 pm，帶寬分別為305 pm和225 pm。光纖中心波長(zhǎng)的變化主要是由于激光引起光纖折射率的變化。圖5b為光纖折射率與激光輻照時(shí)間的關(guān)系曲線，隨著激光輻照時(shí)間的增加，光纖折射率隨之升高。當(dāng)激光功率為35 MW、輻照時(shí)間為360 s時(shí)，光纖折射率變化量為4.4×10-4；當(dāng)激光功率為25 MW、輻照時(shí)間為360 s時(shí)，光纖折射率變化量為2.9×10-4。

2.2.3 FBG刻蝕長(zhǎng)度及輻照時(shí)間的影響

激光刻蝕光纖過程中，F(xiàn)BG的反射光譜隨FBG長(zhǎng)度及輻照時(shí)間的變化曲線如圖6所示。圖6a顯示了激光完成整個(gè)直槽刻蝕過程中光譜的變化。當(dāng)約有一半光柵長(zhǎng)度的包層區(qū)域被燒蝕時(shí)，波形嚴(yán)重變形并出現(xiàn)對(duì)稱雙峰；但隨著激光燒蝕光纖包層總長(zhǎng)度的增加，雙峰逐漸消失。該結(jié)果表明折射率調(diào)制對(duì)反射波形有影響，其機(jī)理與相移光柵相似。圖6b顯示了當(dāng)激光燒蝕到一半長(zhǎng)度時(shí)，不同激光輻照時(shí)間FBG反射光譜的變化。隨著激光輻照時(shí)間的增加，反射光譜中出現(xiàn)波長(zhǎng)為1 320.1nm的透射尖峰，并逐漸增長(zhǎng)，但在輻照20 min后停止增長(zhǎng)，表明該區(qū)域折射率變化量已達(dá)飽和。這是由于光柵中折射率的變化會(huì)引起光相位的變化，從而導(dǎo)致光纖中的傳輸光在該處發(fā)生相移。

圖6 激光加工過程中FBG光纖反射光譜Fig. 6 FBG fiber reflection spectrum during laser processing

2.3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)光譜結(jié)果及式（8），繪制了再生折射率調(diào)制圖，結(jié)果如圖7所示。其中，實(shí)線表示折射率的原始調(diào)制曲線，點(diǎn)線表示fs激光照射后的再生折射率調(diào)制曲線。

圖7 折射率調(diào)制原理Fig. 7 Refractive index modulation principle

由于激光刻蝕過程中的工藝參數(shù)相同（fs激光頻率為1 kHz，光斑半徑約為10 μm，掃描速度為90 μm/s），相鄰兩光斑基本重疊因此fs激光引起的折射率變化可以假定為均勻調(diào)制，同時(shí)激光不會(huì)改變光柵間距。最終，fs激光引起的折射率變化與折射率調(diào)制的原始輪廓重疊，導(dǎo)致纖芯有效折射率和中心波長(zhǎng)的增加。同樣，帶寬隨著輻照時(shí)間或激光能量的增加而永久增加。

參照實(shí)驗(yàn)折射率變化量結(jié)果，仿真參數(shù)“ac”分別設(shè)置為 1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4，依據(jù)波導(dǎo)耦合理論，燒蝕約一半光柵長(zhǎng)度（3.84 mm）在不同折射率調(diào)制下無相移（黑線）和有相移（紅、藍(lán)、紫線）的反射光譜，如圖8所示?！癮c”指數(shù)變化為1.8×10-4、2.5×10-4、2.9×10-4時(shí)，分別對(duì)應(yīng)紅色、藍(lán)色、紫色線。仿真結(jié)果較好匹配了圖6b所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)仿真相移光譜圖Fig. 8 Spectrogram of experiment simulation phase shift

彩圖

2.4 FBG光纖退火實(shí)驗(yàn)分析

在光纖加工過程中，觀察到反射波形存在嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，如反射波帶寬大幅度加寬，即使采用較小的激光能量，中心波長(zhǎng)也會(huì)偏移幾十皮米，但停止激光照射后反射波形即可恢復(fù)。這是由于庫侖爆炸和等離子體的作用，在聚焦區(qū)會(huì)產(chǎn)生高溫，從而導(dǎo)致反射波發(fā)生變形；當(dāng)激光停止照射時(shí)，溫度對(duì)光柵的影響消失，波形逐漸恢復(fù)。

為了驗(yàn)證色心理論是否有助于折射率的變化[16]，本研究將刻蝕后的光纖在300 ℃退火1 h，觀察退火前后光柵光纖波形的變化，結(jié)果如圖9所示。

圖9 300 ℃退火前后光柵光纖波形Fig. 9 Waveform before and after annealing at 300 ℃

由圖9可知，退火前后光柵光纖的波形沒有明顯變化，僅觀察到由于熱誘導(dǎo)應(yīng)力松弛引起的少量功率損失；退火后光柵光纖的中心波長(zhǎng)不變，但仍存在永久折射率變化。由此表明折射率變化可能不是由色心理論引起的。

3 微結(jié)構(gòu)探頭應(yīng)用

FBG光纖表面加工微結(jié)構(gòu)后，可在微結(jié)構(gòu)表面鍍上傳感材料。微結(jié)構(gòu)能夠容納多種敏感材料，因此其具有增敏作用，可以進(jìn)一步拓展FBG光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。

射磁致伸縮材料TbDyFe在磁場(chǎng)作用下能夠發(fā)生伸縮變化，在光纖表面產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，拉伸光纖，使得FBG光纖中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，從而感知磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。鈀/銀復(fù)合薄膜對(duì)氫氣敏感，能夠吸收氫氣發(fā)生膨脹，同樣使得FBG光纖波長(zhǎng)發(fā)生變化。本研究分別在微結(jié)構(gòu)樣品上濺射磁致伸縮材料TbDyFe和鈀/銀復(fù)合薄膜，制備了光纖磁傳感探頭和光纖氫傳感探頭。兩種鍍膜厚度不同，TbDyFe膜的厚度約為4.6 μm，鈀膜的厚度約為520 nm。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察制得的光纖磁傳感探頭（涂有TbDyFe薄膜）和光纖氫傳感探頭（涂有Pd/Ag薄膜）樣品的微觀形貌，結(jié)果如圖10所示。

圖10 微結(jié)構(gòu)探頭SEM圖Fig. 10 SEM of micro structured probe

由圖10可以看出，鈀/銀復(fù)合薄膜和TbDyFe膜較均勻的鍍?cè)诠饫w表面，鍍膜均勻致密有助于提高微結(jié)構(gòu)光纖傳感性能，為后續(xù)傳感實(shí)驗(yàn)提供較好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

為了研究微結(jié)構(gòu)對(duì)傳感增敏性能的影響，本研究選用加工了8個(gè)微槽的FBG光纖與未加工的光纖作對(duì)比，研究光纖磁傳感探頭和光纖氫傳感探頭兩種傳感器的中心波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度、氫氣含量的關(guān)系，結(jié)果如圖11所示。

由圖11a可知，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，兩種光纖磁傳感探頭的波長(zhǎng)遷移量均不斷增大，8個(gè)微槽的FBG磁傳感探頭的波長(zhǎng)漂移量變化更為顯著；8個(gè)微槽FBG磁傳感探頭的靈敏度最高可達(dá)0.6 pm/mT，而原始光纖探頭的靈敏度最高約為0.1 pm/mT。由圖11b可知，隨著氫氣含量的增大，兩種光纖氫傳感探頭的波長(zhǎng)遷移量均不斷增大，8個(gè)微槽的FBG氫傳感探頭的波長(zhǎng)漂移量增大更明顯；當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，8個(gè)微槽的FBG氫傳感探頭對(duì)氫氣的響應(yīng)靈敏度約為原始光纖探頭的5倍。由此表明，微結(jié)構(gòu)能夠有效提高傳感材料的傳感性能。

4 結(jié)論

利用飛秒激光在光柵光纖包層上制備三維直槽微結(jié)構(gòu)，并研究了微結(jié)構(gòu)FBG光纖的表面形貌，以及激光誘導(dǎo)的折射率變化，并以微型結(jié)構(gòu)光柵光纖磁傳感探頭和氫傳感探頭為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論。

1）隨著激光能量的增加，槽深變深，去除磨屑后，槽的表面微觀形貌變?yōu)殓娙橹鶢睿鶢罘较蚺c激光偏振方向垂直。

2）在光纖加工過程中，激光能量和輻照時(shí)間增加對(duì)光纖折射率變化和帶寬影響較大。隨著激光能量和輻照增加，光纖折射率變化量會(huì)持續(xù)增大，最終達(dá)到飽和，同時(shí)光纖帶寬也相應(yīng)變大。利用光纖耦合理論，進(jìn)行了理論仿真驗(yàn)證。

3）光纖中誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理主要是由高沖擊激光功率引起光纖中的應(yīng)力和密度引起的，通過退火實(shí)驗(yàn)排除了色心理論。

4）鍍有TbDyFe涂層的FBG磁傳感探頭的磁靈敏度比原始FBG探頭提高了5倍以上，鍍有Pd/Ag涂層的FBG氫傳感探頭的氫氣靈敏度提高了4倍以上。因此，微結(jié)構(gòu)FBG具有制作簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。