摘要：为了提高光纤光栅传感器的测量精度及可靠性，实现点式测量，拓宽光纤布拉格光栅(FBG)的应用，本文提出了基于飞秒激光直写扫线技术制备超短FBG。首先，在单模光纤上制备了周期为5.35 μm、长度为53.5 μm的超短FBG，其温度和应力的灵敏度分别为0.011 nm/℃和1.509 nm/N；然后，用体积分数为4%的氢氟酸对制备超短FBG进行选择性腐蚀，制备出了微通道超短FBG，并研究了它对NaCl溶液的传感特性，其折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。结果表明，这种微通道超短FBG具有高重复性、高可靠性、可多参数测量等优点。
关 键 词：飞秒激光刻写；超短光纤布拉格光栅；温度；应力；折射率
1 引 言
光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、能在苛刻环境下测试等优点，得到广泛研究和应用[1-4]。作为光纤传感器中重要的一个分支，光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有插入损耗低、波长选择性好以及可实现远程遥感和分布式传感等优点。飞秒激光具有超短脉冲宽度和高功率峰值等优势，已广泛应用于光纤光栅加工。2004年，阿斯顿大学的A. Martinez等人首次采用飞秒激光逐点刻写直写技术在标准单模光纤上刻写了一到三阶的FBG[5]，这种技术比较灵活，刻写速度快。之后，麦考瑞大学的M. Withford教授和德国弗里德理西席勒·耶拿大学的A. Tunnermann教授带领的课题组对飞秒激光逐点刻写光栅的方法进行了系统研究[6-9]。吉林大学的梁居发等人[10]利用飞秒激光微加工技术在单模光纤上刻写了布拉格光栅和长周期光栅并联的结构，这不仅提高了光栅的性能，而且还降低了光栅的尺寸；他们还将该结构的传感器用作多参数传感。
目前制备的光纤光栅长度大都超过了2 mm，特别是采用掩模板技术制备的。这种较长的光栅在测量折射率时，因为折射率需要覆盖整个光栅区域，所以会导致测试成本较高，且光栅受热不均易造成测量误差。因为体积和性能方面的要求，在实际应用中只需要很短的光栅。例如，在光学芯片中，因为体积的限制，只能使用长度较短的光栅。在需要对一个点进行监测时，较长的光栅受周围环境的影响更大，易造成更大的测量误差。为了增加FBG传感器的灵敏度，拓宽传感器的应用范围，科研工作者不断探索新的传感器。Rui Yang等人[11]利用相位掩模板技术和腐蚀技术制备了一种新型的微孔阵列FBG传感器，用于温度和折射率的同时传感。H. Fu 等人[12]利用飞秒激光微加工结合选择性化学刻蚀在啁啾FBG上制作出了一段正好贯穿光栅中间部分的微通道，使得啁啾FBG的透射光谱出现明显的反射峰，并对主次反射峰的折射率、温度传感响应特性进行了研究。
本文基于飞秒激光直写扫线技术在SMF-28单模光纤上制备了一种长度为53.5 μm的超短FBG。这种超短FBG是目前已知同类光栅中最短的。首先研究了该超短FBG的温度和应力特性，然后将该超短FBG在超声水浴槽里进行选择性腐蚀(腐蚀溶液选用体积分数为4%的氢氟酸溶液)，制备了一种基于腐蚀微通道的光纤超短FBG，之后在不同浓度氯化钠溶液中测试折射率响应特性。这种超短FBG的有效传感区域较小，降低了其他因素的影响，提高了传感器的可靠性。同时，其制备工艺简单，成本低，可以很好地应用于温度、应力和折射率的传感。
2 原理及制备过程
2.1 原 理
FBG是在光纤纤芯中引入周期性折射率调制而形成的光波导器件，光纤FBG中的耦合模式是指前向传输的波导模式与反射回来的波导模式之间的耦合。对于单模FBG来说，根据耦合模理论可知反射率R满足[13]：
式中，
为自耦合系数，k为互耦合系数，L为光栅长度。
单模FBG的相位匹配条件为[13]：
式中，m为制备光栅的衍射阶数，λB为光栅对应的谐振波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为制备光栅的周期。
在相位匹配条件下，由式(1)和(2)可知，时反射率达到最大值，可表示为[14]：
Rmax=tanh2(kL).
由此可知FBG的最大折射率是由光栅长度L和耦合系数k决定。而耦合系数k可表示为：
式中，V为折射率调制的振幅，λ为波长，为光栅周期内平均折射率的变化。
由式(4)可知，当折射率调制更大时，k就会越大。而微通道光栅制备的折射率调制比逐点扫描法制备的折射率调制更大，因此在相等的反射率下，可以大大减小光栅的长度。
2.2 制备过程
超短FBG的制备是通过飞秒激光扫线直写扫线方式实现的。飞秒激光加工过程是利用预先编制好的程序，通过控制三维加工平台上光纤的移动距离和激光光闸的开关来实现光栅的加工。激光加工时，光栅的形貌可以通过加工系统中的CCD连接到电子计算机显示器上进行显示。飞秒激光加工过程的示意图如图1(a)所示。飞秒激光的加工参数为：频率100 Hz，每个脉冲的能量80 nJ。加工过程中，激光焦点需对准光纤的上表面，通过三维加工平台使光纤垂直于激光入射方向向上移动，这样激光就可以沿着光纤直径扫描一条线，这条线横穿整个光纤。扫完一条线以后，控制三维加工平台将光纤向右移动5.35 μm，然后再通过控制三维加工平台将光纤向下移动，使激光焦点再次对准光纤的上表面。重复以上步骤，就可以扫描出11条折射率调制微通道，形成周期性结构。如果加工过多的周期，腐蚀后的光栅强度就会大大降低，这里选择10个周期。扫描时步进电机的移动速度为20 μm/s，制备出的光纤布拉格光栅的周期为 5.35 μm，整个光栅长度为53.5 μm。将超短FBG放入体积分数为4%的氢氟酸中进行选择性腐蚀，制备出的基于微通道的光纤FBG的结构示意图如图1(b)所示。光纤上飞秒激光作用过的区域会发生改性，其折射率亦会发生变化，这使得激光作用过的区域的腐蚀速度高于激光未作用区域的腐蚀速度，从而使得腐蚀具有选择性。将制备的超短FBG用酒精棉擦拭干净，然后放到体积分数为4%的氢氟酸中进行腐蚀，整个腐蚀过程在超声水浴槽中进行，这样可以使腐蚀的微通道光栅更加均匀，并且可以通过观察光栅的反射光谱来控制腐蚀时间。当腐蚀开始时，光栅的光谱并没有什么变化，因为此时氢氟酸正在腐蚀光纤的包层；腐蚀9 min之后，光谱开始发生变化，此时氢氟酸作用到光纤纤芯，光谱的反射率逐渐升高，并在腐蚀12 min左右时达到最高；随着腐蚀时间继续延长，光栅的质量逐渐变差，这是因为氢氟酸的过度腐蚀破坏了光栅的结构。基于微通道的超短FBG的显微照片如图2所示。图2(a)为基于微通道的超短FBG的侧视图，可知加工了10个周期的光栅，光栅分布均匀，通道腐蚀均匀。图2(b)为基于微通道的超短FBG的俯视图，可知通道宽度约为3 μm。
图1 (a)飞秒激光刻写示意图；(b)基于微通道的光纤超短FBG结构示意图
Fig. 1 (a) Schematic diagram of femtosecond laser writting; (b) Schematic diagram of microchannel ultrashort FBG structure
图2 基于微通道的超短FBG的显微照片。(a)侧视图；(b)俯视图
Fig. 2 Micrographs of microchannel ultrashort FBG. (a) Side view; (b) Top view
3 实验及结果分析
超短FBG的反射光谱如图3所示，在1 100～1 600 nm范围内有5个反射峰。光谱范围内谐振峰的衍射阶数m标注于图3中。选择m=10的谐振峰来研究超短FBG的温度和应力特性。
首先将未腐蚀的光纤超短FBG置于数控热台上，再用砝码将光栅固定在热台上，通过调节热台的温度来测量光栅的温度响应特性，设定的温度值可以显示在数控热台自带的显示器上。每隔30 ℃测试1个数据点，在50～200 ℃范围内共可得6个数据点。如图4所示，随着温度逐渐升高光谱红移。因为此时环境温度的变化对光栅的有效折射率和周期都有影响。随着温度升高，光纤的热光效应使FBG的有效折射率增大，而热膨胀效应使FBG的周期增大，最终引起Bragg谐振波长红移。该谐振峰的温度灵敏度为0.011 nm/℃(R2=0.998)。
图3 超短FBG反射光谱
Fig. 3 Reflectance spectrum of ultrashort FBG
图4 未腐蚀超短FBG温度特性。(a)衍射峰波长随外界温度变化的漂移;(b)衍射峰波长和温度的线性关系
Fig. 4 Temperature characteristics of uncorroded ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding temperature; (b) Linear relationship between the wavelength of diffraction peak and temperature
将制备的未腐蚀的光纤超短FBG放入光纤拉力装置的光纤夹具中，其中一端固定不动，另一端通过改变拉力来改变光纤所受的应力。应力的大小可以显示在应力传感器自带的显示器上，该应力传感器的分辨率为0.01 N。如图5可知，随着应力从0增大到1.2 N，光谱向长波方向移动，应力灵敏度为1.509 nm/N(R2=0.992)。
制备的超短FBG的温度和应力特性与已报道的单模FBG的温度和应力特性相比[13-16]，灵敏度基本一致。参考文献[14]对单模光纤FBG的特性和原理进行了全面阐述,其采用飞秒激光制备了长度为4.5 mm的光纤FBG，并给出了10阶衍射峰的温度灵敏度为0.0113 nm/℃，应力灵敏度为1.295 nm/N。可见，制备的超短FBG不会影响光栅的温度和应力特性。
图5 未腐蚀超短FBG的应力特性。(a)衍射峰波长随外界应力变化的漂移;(b)衍射峰波长与外界应力的线性关系
Fig. 5 Stress characteristics of uncorroded ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding stress； (b) Linear relationship between the wavelength of diffraction peak and stress
图6 基于微通道的超短FBG反射光谱随外界折射率的漂移
Fig. 6 Shift of reflection spectra of microchannel ultrashort FBG with surrounding refractive index
此外，还研究了腐蚀后超短FBG(基于微通道的超短FBG)的折射率响应特性。因为微通道将纤芯内的光栅与外界液体环境联通起来，环境折射率的改变将引起FBG谐振波长的飘移，以此可进行折射率传感。由图6中的黑色曲线可知，当将基于微通道的光纤超短FBG置于空气中时，微通道中空气的折射率与光纤的折射率相差太大，过度调制了纤芯的折射率，因此反射谐振峰光谱较差，只有将超短FBG放入溶液中时，光栅才会有比较规律的光谱特性。溶液进入微通道后，改变了光在光纤中的传播。随着氯化钠溶液的折射率从1.328变化到1.399，反射谱中5个谐振峰的波长均随着折射率的增加而红移，光谱反射率逐渐降低。如图7所示，m=10阶谐振峰的波长改变量与外界折射率成正比关系，此时谐振峰光谱的折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。在多次实验中，基于微通道的超短FBG的折射率灵敏度可以达到275.66 nm/RIU[14]。腐蚀的情况不同，制备的微通道光栅激发的纤芯模式的消逝场也不相同。微孔阵列FBG在折射率为1.423～1.438时的折射率灵敏度为17 nm/RIU[11]，而本文制备的基于微通道的FBG的折射率灵敏度几乎是它的10倍，是单端腐蚀FBG折射率灵敏度的40倍[17]，并与普通长周期光栅的灵敏度一致[18]。
图7 基于微通道的超短FBG的折射率响应特性。(a)衍射峰波长随外界折射率变化的漂移;(b)衍射峰的波长漂移和外界折射率的线性关系
Fig. 7 Refractive index response characteristics of microchannel ultrashort FBG. (a) Wavelength shifts of diffraction peak with the change of surrounding refractive index; (b) Linear relationship between wavelength shifts of diffraction peak and surrounding refractive index
4 结 论
利用飞秒激光直写扫线技术制备了一种超短FBG，并在这种光栅的基础上结合体积分数为4%的氢氟溶液选择性腐蚀技术制备了基于微通道的超短FBG。每个微通道形貌良好，微通道宽度约为5 μm。对超短FBG传感器的温度特性和应力特性进行了测试，得到温度和应力的灵敏度分别为0.011 nm/℃和1.509 nm/N。该超短FBG的长度仅为53.5 μm，可提高传感器的可靠性。光纤内的微通道可以增加光纤传感器的灵敏度，并可以扩展其传感参数类型。在氯化钠溶液中测试了制备的光纤超短FBG传感器的折射率响应特性，当外界折射率从1.328变化到1.399时，m=10阶谐振峰的光谱的折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。基于微通道的超短FBG具有制备简单、测试成本低以及灵敏度高等优点，为光纤微流控技术提供了新思路。
