光纤光栅的作用与原理(光纤光栅在光纤激光器的作用)-尊龙官方网站

光纤光栅的作用与原理(光纤光栅在光纤激光器的作用)？如果你对这个不了解，来看看！

光纤布拉格光栅传感器的工作原理解析,下面一起来看看本站小编中电网给大家精心整理的答案，希望对您有帮助

光纤光栅的作用与原理(光纤光栅在光纤激光器的作用)1

近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。

在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。

光纤传感器简介

从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 （混合型） 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。

光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯（core），包层（cladding）和保护层（buffer coating）。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。

图1. 典型光纤的横截面图

光纤布拉格光栅（fbs）传感器

光纤布拉格光栅传感器是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，如下面的方程 （1） 中所示。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。

在方程 （1）中，λb 是布拉格波长，n 是光纤纤芯的有效折射率，而 λ 是光栅之间的间隔长度，称为光栅周期。

图2. 光纤布拉格光栅传感器的工作原理

因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数（方程 （1） 中的λ），所以光纤布拉格光栅可以被生产为具有不同的布拉格波长，这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。

图3. 光纤布拉格光栅透视图

应变以及温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有效的光折射率 n 以及光栅周期λ ，造成的结果就是光栅反射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程 （2） 中的关系来表示：

其中 δλ 是反射波长的变化而 λo 为初始的反射波长。

右边加号前的第一个表示式表示的是应变的变化对反射波长的影响。其中 pe 是应变光学灵敏系数，而 ε 是光栅所受到应变影响。加号后面的第二个表达式表示的是温度的变化对波长造成的影响。其中 αλ 是热膨胀系数而 αn 是温度光学灵敏系数。αn 体现了光折射率因为温度变化造成的影响而 αλ 体现了同样的温度变化造成的光栅周期的改变。

正因为光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响，所以在计算反射波长变化的时候既要同时考虑这两种因素，又要分别对其进行分析。当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。你可以使用为此专门进行封装的fbg温度传感器，这种传感器能保证封装内部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的弯曲，拉伸，挤压或扭曲应变。在这种情况下，玻璃的热膨胀系数 αλ 通常在实用中是可以忽略的;所以，因温度变化而造成的反射波长的改变就可以主要由该光纤的温度光学灵敏系数 αn 来决定了。

光纤布拉格光栅应变传感器在某种程序上讲就更加复杂了，因为温度和应变会同时影响传感器的反射波长。为了正确地进行的测量，在测试的时候，必须针对温度对光纤布拉格光栅造成的影响进行补偿。为了实现这种补偿，可以使用一个与fbg应变传感器有良好热接触的fbg温度传感器来完成。得到测试结果以后，只需要简单地从fbg应变传感器测得的波长改变中减去由fbg温度传感器测得的波长改变就可以从方程 （2） 中消去加号右边的第二个表达式，这样做就补偿了应变测试中温度变化造成的影响了。

安装光纤布拉格光栅应变传感器的过程和安装传统的电气应变传感器的过程类似，而且fbg应变传感器有许多种不同的种类和安装方法可供选择，包含环氧树脂型，可焊接型， 螺栓固定型和嵌入式型。

探询方法

由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长，所以可以利用它来实现良好的波分复用 （wdm） 技术。这个特性使得可以在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。波分复用技术在可用的光学广谱中为每一个fbg传感器分配了一个特定的波长范围供其使用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，就算在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输造成了光强的损耗和衰减，传感器测得的结果也仍然能够保持准确。

每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长探询器可探询的总波长范围决定了在一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量。一般来说，因为应变改变造成的波长改变会比温度改变造成的波长改变更加明显，所以一般会为fbg应变传感器分配大概5纳米的工作波长范围，而fbg温度传感器则分配大概1纳米的工作波长范围。又因为通常的波长探询器能提供的测试范围大概为60到80纳米，所以一条光纤上挂接的传感器数量一般可以从1个到80个不等 – 当然，这要建立在各个传感器反射波长的区域在光谱范围内不会有重叠 （图 4） 的基础上的。因此，在选择fbg传感器的时候，需要仔细地选择标称波长以及工作波长范围来保证每一个传感器都有其独立的工作波长区域。

图4. 同一条光纤上挂接的每一个fbg传感器必须具有其独立的工作波长范围

一般的fbg传感器会拥有几个纳米的工作波长范围，所以光学探询器必须能够完成分辨率为几个皮米甚至更小的测量 – 一个相当小的量级。探询fbg光栅传感器可以有几种方法。干涉计是通常运用的实验室设备，它可以提供相当高分辨率的光谱分析。但是，这些仪器一般来说非常昂贵，体积庞大并且不够坚固，所以在一些涉及各种结构的现场监测的应用中，如风机叶片，桥梁，水管以及大坝等环境的监测中，这些仪器都不适用。

一种更加坚固的方法是引入了电荷耦合器件 （charge-coupled device - ccd） 以及固定的分散性单元，一般是指波长位置转换。

在这种方法中，会用一个广谱的光源照射fbg传感器 （或者一系列fbg传感器）。这些反射光束会通过一个分散性单元，分散性单元会将波长不同的反射光束分别分配到电荷耦合器件（ccd）表面不同的位置上去。如下图5所示。

图5. 使用波长位置转换法探询fbg光学传感器

这种方法可以快速并且同时地对挂接在光纤上的所有fbg传感器进行测量，但是它只提供了非常有限的分辨率以及信噪比 （snr）。举例来说，如果我们希望在80纳米的波长范围中实现1皮米的分辨率，那么我们需要一个包含80，000个像素点的线性ccd器件，这个像素指标已经比目前在市面上能够找到的最好的线性ccd器件 （截至2010年7月） 的指标高出了10倍以上。另外，因为广谱光源的能量是被分散到一个很广的波长范围中，所以fbg反射光束的能量会非常小，有时候甚至会给测量带来困难。

目前最流行的方法是利用一个可调法珀滤波器来创造一束具有高能量，并且能够快速扫频的激光源来代替传统的广谱的光源。可调的激光源将能量集中在一个很窄的波长范围里面，提供了一个具有很高信噪比的高能量的光源。这种体系结构提供的高光学功率让使用一条光纤挂载多个光学通道成为可能，这样就能有效地减少多通道探询器的成本并且降低系统的复杂度。基于这种可调激光架构的探询器可以在一个相对大的波长范围里面以很窄的光谱带进行扫描，另一方面，一台光探测器将与这个扫描同步，测量从fbg传感器反射回来的激光束。当可调激光器发射的激光波长与fbg传感器的布拉格波长吻合的时候，光探测器就能测量到相应的响应。该响应发生的时候可调激光的波长就对应了此时fbg传感器处测得的温度以及/或者应变，如图 6所示。

图6. 用可调激光源法探询fbg光学传感器

使用这种方法进行探询可以达到大概1皮米的精度，对应到传统fbg传感器的精度即是约1.2微应变（fbg应变传感器）或约0.1摄氏度（fbg温度传感器）。因为可调激光源法相对于其它的方法来说具有很高的光学功率，所以这种探询法还可以适用于光纤长度更大 （超过10千米） 的测量应用中。

fbg光学传感器的优势

通过使用光波代替电流以及使用标准光纤代替铜线作为传输介质，fbg光学传感解决了许多使用电气传感需要面临的挑战和解决的困难。光纤和fbg光学传感器都是绝缘体，具有被动性电学特性，并且不受电磁感应噪声的影响。具有高光学功率可调激光源的探询器可以以很低的数据丢失率甚至是零丢失来完成长距离的测量。同时，与电气传感器系统不同，一个光学通道可以同时完成多个fbg传感器的测试，极大地减小了测试系统的体积，重量以及复杂度。

在一些外部环境条件恶劣的应用现场中，一些常用的电气传感器，例如箔应变片，热电偶，以及振弦式传感器已经很难使用甚至已经失效的情况下，光学传感器是一个非常理想的解决办法。因为光学传感器的用途以及安装方法和这些传统的电气传感器类似，所以从电气测试方案过渡到光学测试方案会相对简单。如果能够对光纤和fbg的工作原理有一个比较好的了解，那将帮助你更好地接受光学测试技术并驾驭这种新技术所带来的所有优势。

光纤光栅的作用与原理(光纤光栅在光纤激光器的作用)2

以光为名，我就从光之谷说起。

光谷一般指武汉东湖新技术产业开发区，大家可以不清楚，便光谷步行街不知道的就很多了。光谷的得名是离光谷步行街不远的武汉邮电科学研究院。1973年初，武汉·中国光谷首席科学家赵梓森院士接触到感兴趣的光纤通信专业后，就全身心投入到这项事业之中。 1977年在无比简陋条件下研制出了中国第一根实用型光纤，采用石英光纤作传输介质、半导体激光器作光源、脉冲编码调制为通信制式的方案建立了中国的光纤通信技术体系。领导科研技术团队架设起贯通全国的光纤通信线路，主导借鉴和引进国外先进制造技术发展我国的光纤通信产业，倡议并支撑建立起武汉·中国光谷这个全球最大的光电产品研产基地。从此拉开了“光缆无铜，偷盗无用，“信息高速公路！

在相当长时间里普通大众对光纤的认知就是传输信号，铜缆的替代者这一固有角色。但光纤更神奇的用途是来自于作为传感器的应用。光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、 位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。对你没看错，一个光纤这可以这么多神奇的本领。那就要从底层原理来说起：光栅传感器的基本原理是，光栅的bragg波长是由lb=2nl决定的。当光纤光栅所处环境的温度，应力，应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化。

长周期光纤光栅（lpg）传感器原理，长周期光纤光栅（lpg）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式是li=(n0- niclad）·l 式中，n0—纤芯的折射率，niclad—i阶轴对称包层模的有效折射率。

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。

莫尔条纹能从，双色或多色网点之间的干涉，各色网点与丝网网丝之间的干涉，作为附加的因素，由于承印物体本身的特性而发生的干涉。使用莫尔条纹防护系统的目的就在于根据你选定的丝网目数，加网线数，印刷色数和加网角度来预测莫尔条纹。

将两块栅距相同，黑白宽度相同（a=b=τ/2 ）的标尺光栅和指示光栅尺面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一很小的夹角θ，这样在光源的照射下，两块光栅尺的刻线相交，就形成了即莫尔条纹。

按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有math-zender干涉型光纤传感器，fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

传感器的特点

⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。

⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以传感器可以根据现场检测需要做成不同的形状。

⑶测量的频带宽、动态响应范围大。

⑷可移植性强，可以制成不同的物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。

⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。

光纤传感技术在结构工程检测中的应用

钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。

混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用otdr来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。

光纤传感技术在桥梁检测中的应用

桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应， 输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。

成功的案例有：加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州i -10桥健康检测系统，它由60个fbg传感器组成，可实现动态与静态应变测量。

光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用

岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功应用光纤传感器检测岩土工程的成功案例：

三峡大坝坝前水温监测

三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，采取光纤bargg光栅温度传感器进行监测，通过实际工程应用，光纤bargg光栅温度传感器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。

光纤传感技术在军事上的应用

光纤传感技术在军事上同样应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用与民航机，无人机，导弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。

石油和天然气：油藏监测井下的p / t传感、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂；

航空航天：喷气发动机、火箭推进系统、机身；

民用基础建设：桥梁、大坝、道路、隧道、滑坡；

交通运输：铁路监控、运动中的重量、运输安全；

生物医学：医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。

光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。fbg传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。

目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

阵列复用传感系统

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，也称为准分布式系统。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。

阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。

智能化光纤传感系统

目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智能化，实现信号获取、存储、传输、处理于一体。智能化光纤传感系统在许多新型应用领域受到广泛关注，如智能材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，在汽车工业、航空航天、医疗、安防、体育及土木工程等领域有着广泛的应用。

光纤光栅的作用与原理(光纤光栅在光纤激光器的作用)3

高功率光纤激光器中少不了光纤光栅的使用。光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的无源器件。

光纤光栅的制作方法目前主要包括：光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法等。

根据周期的大小可以分为：短周期光栅和长周期光栅。短周期光栅的周期在亚微米量级，一般是反射型光纤光栅；长周期光栅的周期在亚毫米量级，一般是透射型光纤光栅。作为一种新型无源器件，光纤光栅在诸多领域有着广泛的应用。

图1 光纤激光器结构示意图

光纤光栅在光纤激光器中的应用主要有2个方面，包括：

1）作为腔镜使用的光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅具有波长选择特性，其主要用作光纤激光器的腔镜。布拉格光纤光栅能够将前向传输的纤芯模耦合至后向传输的纤芯模，周期为几百纳米，在光纤激光器中起到谐振腔腔镜的作用。

2）具有抑制非线性效应的特殊光纤光栅

用于抑制光纤激光器非线性效应的高功率光纤光栅，是近几年兴起的热点，需要具备高承载功率、低温度系数、能够实现多种非线性效应限制。

如何抑制高功率光纤激光器的非线性效应？

目前民用与军事领域急需具有高输出功率与窄光谱线宽的光纤激光器。例如在引力波探测中，需要窄线宽、高功率光纤激光器作为干涉光源；在军事领域，需要将多束高能激光合束到一起，这种合成需要窄线宽、高功率光纤激光器作为合束光源。非线性效应阻碍了光纤激光器向更窄线宽与更高功率方向发展。要做到窄线宽，就必须要抑制非线性效应。

如何抑制高功率光纤激光器的非线性效应？我们首先来了解一下光纤激光器的非线性效应。它主要包括：

1) 受激布里渊散射（ stimulated brillouin scattering，sbs）

2) 受激拉曼散射（ stimulated raman scattering，srs）

3) 自相位调制（ self-phase modulation，spm）

4) 四波混频效应（four- wave mixing，fwm）

近年来科研界提出了多种利用光纤光栅抑制高功率光纤激光器非线性效应的方法，这里主要介绍抑制srs效应的一些研究进展：

1）利用啁啾倾斜布拉格光纤光栅抑制srs效应

啁啾倾斜布拉格光纤光栅（chirped and tilted fiber bragg grating,ctfbg）是短周期光栅的一种，其能够将前向传输的纤芯模耦合至后向传输的包层模。ctfbg于1996年由美国罗切斯特大学提出，目前多应用于传感领域。

2017年国防科技大学利用 ctfbg抑制光纤激光器中的受激拉曼散射。两年后，国防科技大学将其应用于mopa光纤激光器的种子源中抑制srs效应并取得了良好的抑制效果。2019年南京理工大学将 ctfbg应用于千瓦级单腔振荡型光纤激光器中抑制srs效应并取得了良好的抑制效果。针对光栅栅区在高功率下发热的问题提出低温缓变结合高温渐变的退火方法，而针对光栅入射端涂覆层在高功率下发热的问题，则釆用了分段化学腐蚀法的包层光剥离技术。

该方法的优点包括光栅周期短、稳定性高、不易受环境影响导致抑制效果下降；该种高功率倾斜光纤光栅制作工艺相对较成熟。缺点则是存在一定的后向回光，极高功率下可能会影响激光器的性能；采用基于相位掩模板的光纤光栅刻写方法，导致制作成本相对较高。

2）利用长周期光纤光栅抑制srs效应

长周期光纤光栅（long period fiber grating，lpfg）的周期通常在亚毫米量级，能够将前向传输的纤芯模耦合至前向传输的包层模。lpfg于1996年由美国贝尔实验室研制出来，多应用于传感领域。

2009年德国耶拿大学提出利用lpfg来抑制脉冲光纤激光器中srs效应；2020年南京理工大学将lpfg应用于高功率连续mopa光纤激光器中分别抑制种子源与放大级激发的srs效应。其中，釆用逐点扫描的方法刻写lpfg；釆用高斯切趾技术降低光栅的插入提耗；采用低温缓变结合高温渐变热处理方法降低光栅温度系数；采用降敏封装结构降低环境因素对lpfg中心波长的影响。

该方法的优点包括透射型光纤光栅，无后向回光；采用逐点扫描的光纤光栅刻写方法，制作简单成本低。缺点是周期较长，易受环境因素影响导致srs效应抑制效果下降；该种高功率lpfg的工艺尚不成熟，目前仍在研发状态。

将朝更高承载功率与长波长方向发展

从发展趋势上来看，高功率光纤光栅未来将主要朝着更高承载功率（>5 kw）以及长波长方向（中红外波段）发展。

飞秒激光用于光纤光栅的刻写技术近年来不断发展，但在国内尚未有实质性应用，主要见于国外报道。从下图来看，用飞秒激光打到镀光膜上，通过一系列反应产生等离子体，等离子体微爆后产生折射率变化。

图2 飞秒激光光纤光栅刻写原理图

飞秒激光的波段基本上在800 nm左右，能够突破涂膜层直接打到芯径上。因此，基于飞秒激光的光纤光栅刻写技术可为上述发展方向提供尊龙凯时官方网站的解决方案。德国耶拿大学将飞秒激光制作的光纤光栅功率提升至5 kw，但目前国内仍处于研究空白。

利用飞秒激光刻写高功率近红外光纤光栅有以下优点：

1）免剥除涂覆层，提高光栅承载功率以及稳定性；

2）无需对光纤进行载氢，简化光栅制作工艺；

3）刻写能量高波段，刻写速度提高数倍。

中红外光纤激光器是目前的研究热点，它的氟化物和硫化物光纤不具备光敏性，因此紫外光刻法便失效了。飞秒激光也可刻写中红外光纤光栅。从研究上来说，加拿大拉瓦尔大学利用飞秒激光在氟化物及硫化物光纤上制作出了中红外光纤光栅。该技术可使中红外光纤激光器纯光纤化，随之将促进激光器功率提升、应用拓展。

飞秒激光刻写高功率中红外光纤光栅的优势包括：

1）利用飞秒激光的多光子效应，在无光敏性的中红外光纤上也能制作出光纤光栅；

2）免剥除涂覆层，避免了中红外光纤包层暴露在空气中发生潮解。

高功率光纤光栅如此重要，产业发展如何呢？

总体来说，国外生产高功率光纤光栅的公司主要有加拿大的itf公司以及teraxion公司。

而放眼国内，近年来国内诸多团队攻克了高功率光纤光栅研制技术，能够生产高功率光纤光栅的公司也越来越多，包括长飞光纤光缆股份有限公司、珠海光库科技股份有限公司、天津瑞晟昱发激光科技有限公司等。其中天津瑞晟昱发激光公司为南京理工大学团队的产业化成果，完成了千瓦级以上高功率光纤光栅的制作工艺与质量保证体系，在国内实现工业级稳定量产。

目前能够制作不同波长、不同型号光纤的高稳定性高功率光纤光栅，产品在国内光纤激光器行业得到认可并批量使用。

关于高功率光纤光栅，大家还比较关注以下几个方面，我们作一整理，供大家参考。

1分钟技术问答

q1

国内高功率光纤光栅产业化情况如何？

答：近几年，国内高功率光纤光栅刚刚发展起来，相关企业增多。包括锐科激光、创鑫激光等自制光栅的公司，另外一部分则是从国外进口。产业化的推进使得光纤光栅能够得到普及并应用。

q2

包层上刻写光栅可否提高抽运利用率？

答：由于包层里面没有光敏性，因此包层上不能刻光栅。

q3

5 kw以上承载功率，一般采用什么方法？只有飞秒刻写吗？

答：如果作为腔镜，达到5 kw以上，可以形成一个谐振腔，另一种是mopa结构，用一个种子源，通过mopa进行放大，很快就能够达到5 kw。mopa结构有一个缺点，使用的时候，光返回后可能会烧掉种子源。因此，工业用激光器，基本上都是基于谐振腔的。目前，市场上能够买到的功率达到2 kw的就已经很好了，3 kw也有，但工业用要求苛刻，不是很稳定。

q4

光栅窗囗的再涂覆涂层怎样改善温度导致的影响？

答：由于再涂覆属于一个污染过程，有缝隙、裂痕、气泡和灰尘，处理不好就会影响光栅的稳定性，因此需要特别注意。

q5

光纤的栅区域发热的主要原因是什么？

答：主要是残留的锗化氢造成，如果锗化氢全部去除了，就没有光栅的效果，但浓度太高的话，也会造成温度高。因此，要注意保持一定的浓度，不能过高或过低。

q6

光栅里残余的氢会产生热，氢产生的热会导致拉曼效应吗？

答：拉曼效应的产生与氢没有直接的关联。

q7

多大能量的飞秒激光器才能用于刻蚀光栅呢？

答：目前，用飞秒激光刻写光栅正在研究中，暂且无法定论。