原創 趙聰 光電匯OESHOW

2025年04月16日 16:01 上海

作為現代光子技術的核心元件，光纖光柵的溫度穩定性直接決定其在極端環境下的工程適用邊界。隨著工業4.0與深空探測的發展，傳統紫外激光光柵在高溫場景（＞300℃）的性能衰減問題日益凸顯。通過飛秒激光直寫技術制備光纖光柵，能將其工作溫度上限提升至1800℃（基于藍寶石光纖光柵），這一跨越式的突破，背后有著怎樣的奧秘？

一、光纖光柵的妙用

光纖布拉格光柵（以下簡稱"光纖光柵"）是通過周期性調制光纖軸向折射率形成的核心光子器件。憑借獨特的波長選擇特性，這類器件在光纖傳感、光通信系統及光纖激光器等領域展現出重要應用價值。特別是在分布式光纖傳感領域，光纖光柵陣列已發展成為智能工程結構健康監測的關鍵技術，成功應用于橋梁、大壩、飛行器、船舶、礦井等重大基礎設施的實時狀態監控。

全同弱反射光柵陣列（反射波長一致、反射率低于萬分之一）通過增強光纖散射強度，顯著提升了分布式聲波傳感（DAS）、分布式溫度傳感（DTS）及光頻域反射（OFDR）系統的核心性能指標，包括測量精度、有效探測距離與空間分辨率。

當前主流的大規模光柵陣列制備技術涵蓋三類：基于光纖拉絲塔的紫外激光雙光束干涉技術、紫外激光掩膜技術，以及飛秒激光直寫全自動制備技術。

紫外激光光纖光柵通常只能在200℃以下的環境中使用，而飛秒激光制備的光纖光柵則能承受更高的溫度。通俗地講，光纖本身能耐受多高的溫度，那么飛秒激光制備的光纖光柵就能夠耐受多高的溫度。例如，聚酰亞胺涂層光纖光柵可耐溫至350℃，而藍寶石光纖光柵的耐溫可達到1800℃以上。

深圳大學王義平教授團隊實驗數據顯示，基于飛秒激光制備的藍寶石光纖光柵能夠在1500℃的環境下穩定工作超過1000小時。

二、制備機理的本質差異

01 紫外激光制備

（1）制備原理

摻雜光敏元素（如鍺、磷等）的光敏纖芯經過載氫處理后，能夠顯著增強其光敏性。光敏元素的摻雜不僅提高了光纖對紫外光的吸收能力，還通過改變局部電子態增強了光致反應的效率。

載氫處理則通過將氫分子擴散到光纖中，進一步增加紫外光照射下的缺陷生成效率。此時，利用紫外激光曝光可以引發光纖中折射率的周期性調制，從而形成光纖光柵。

（2）光柵退化機理

在紫外激光的作用下，光纖中的硅氧網絡發生光致變化，鍺摻雜區域和氫分子的相互作用導致局部電子態的改變，同時紫外光的高能量破壞硅氧鍵，生成氧空位等微觀缺陷。這些缺陷的產生是折射率周期性調制的關鍵來源。

當溫度升高時，光纖中的熱運動增強，氧空位等缺陷可能通過熱激發發生遷移或修復。作為光纖光柵中折射率調制的關鍵來源，氧空位本身具有較弱的熱穩定性。

在300°C以上的高溫環境中，氧空位的遷移和修復過程尤為明顯，導致光纖光柵的折射率調制效果減弱，性能逐漸衰退。這種高溫下的缺陷修復通常是不可逆的，是光纖光柵在高溫應用中性能衰退的主要原因。

02 飛秒激光制備

飛秒激光制備光纖光柵的過程與紫外激光制備光纖光柵的機理有顯著差異。

飛秒激光（脈寬fs-ps量級）由于其脈沖持續時間極短，在光纖中引發的熱效應極為局部且短暫。

激光脈沖的超高峰值能量使得光纖局部區域的溫度瞬間升高，但持續時間極短，熱效應僅局限于極小的空間范圍，且不會引起大范圍的材料結構變化。因此，飛秒激光光纖光柵的形成主要通過非線性光學效應（如多光子吸收、雪崩電離等）引起折射率變化，而非通過破壞材料結構或引入缺陷。

具體來說，飛秒激光制備的光纖光柵在高溫下的穩定性主要體現在以下幾點：

（1）非線性光學效應穩定性

飛秒激光通過非線性光學效應引發的折射率變化比紫外激光制備的光纖光柵更為穩定。這是因為非線性效應直接將電子從價帶激發至導帶，產生局部等離子體并引發微觀結構改變，而不是依賴于缺陷的生成和遷移。飛秒激光刻寫后玻璃網絡重構所形成的高熔點微結構具備一定的高溫穩定性。因此，即使在高溫環境下，飛秒激光引起的折射率調制仍然能夠保持穩定。

（2）局部熱效應避免全局退火

由于飛秒激光脈沖時間極短，熱效應僅限于光纖中的小區域，因此即使在高溫環境下，這些區域不會經歷與紫外激光制備方法相同的全局退火效應。

因此，飛秒激光制備的光纖光柵不僅能承受較高的溫度（單模石英光纖光柵可達800°C及以上），而且在高溫條件下具有更好的長期穩定性。

三、技術特征與應用場景解析

01紫外激光制備

（1）優點

技術成熟：紫外激光制備光纖光柵的技術已經非常成熟，工藝穩定且應用廣泛。

參數可調性強：通過調節激光參數（如能量、曝光時間等），可以精確控制光纖光柵的周期和折射率調制深度。

兼容性強：適用于多種標準光纖（如摻鍺石英光纖），且對光纖材料的要求較低。

（2）缺點

高溫穩定性差：在高溫環境下（尤其是超過300°C時），光纖光柵的性能會顯著衰退，主要由于氧空位等缺陷在高溫下的遷移和修復。

長期穩定性受限：光纖光柵的性能依賴于缺陷的生成，而這些缺陷在長期使用中可能逐漸退化，影響光柵的穩定性。

（3）適用場合

適用于對溫度要求不高、成本敏感的應用場景，例如低溫環境下的光纖傳感器、通信設備以及實驗室研究。

02 飛秒激光制備

（1）優點

高溫穩定性優異：飛秒激光制備的光纖光柵能夠在800°C（藍寶石光纖光柵1800°C）甚至更高的溫度下穩定工作，適合極端環境。

抗退火性強：由于折射率調制主要依賴于非線性光學效應而非缺陷生成，飛秒激光光柵在高溫下不易發生退火效應。

局部性控制精確：飛秒激光的極短脈沖和高峰值能量使其能夠在光纖中實現高度局部的折射率調制，提高了光柵的可靠性和精度。

（2）缺點

制備成本高：需要高功率飛秒激光器和精密的光學控制系統，設備成本和維護費用較高。

工藝復雜性高：非線性光學效應可能導致折射率調制的復雜性增加，對工藝參數的控制要求較高。

（3）適用場合

適用于高溫、極端環境下的應用，例如航空航天、深海探測、高溫工業傳感以及核反應堆監測等領域。

圖1 100倍顯微鏡下的不同飛秒激光刻寫光纖光柵

結 語

總體來說，兩種激光技術制備的光纖光柵存在性能差異，可根據具體的應用環境和溫度要求做出合理選擇。紫外激光技術適合對溫度要求不高、成本敏感的應用場景；而飛秒激光技術，更適合高溫、極端環境下的高性能應用，盡管其成本較高，但在高溫穩定性和長期可靠性方面具有顯著優勢。

作者簡介：

趙聰，就職于人工智能與數字經濟廣東省實驗室（深圳），擔任副研究員，從事飛秒激光制備的光纖微結構器件開發及產業化工作。

參考文獻：

1. Zhang, Bo, Xiaofeng Liu, and Jianrong Qiu. "Single Femtosecond Laser Beam Induced Nanogratings in Transparent Media - Mechanisms and Applications." Journal of Materiomics 5, no. 1 (2019): 1-14.

2. Wang, Yitao, Shuen Wei, Maxime Cavillon, Benjamin Sapaly, Bertrand Poumellec, Gang-Ding Peng, John Canning, and Matthieu Lancry. "Thermal Stability of Type Ii Modifications Inscribed by Femtosecond Laser in a Fiber Drawn from a 3d Printed Preform." Applied Sciences, no. 2 (2021).

3. Su, Dan, and Xueguang Qiao. "High Thermal Stability of Ultra-Low Insertion Loss Type Ii Cladding Fiber Bragg Grating Based on Femtosecond Laser Point-by-Point Technology." Optics Express 30, no. 6 (2022): 9156-64.