编辑 | 慢纪硬核说
介绍基于改进的二维扫描技术的二氧化碳激光照射系统，可用于刻写高质量的长周期光纤光栅，并且光栅刻写具有良好的再现性。
这归因于系统包括二氧化碳激光器具有小于2%的出色功率稳定性，3D超精密电动平移台具有80nm的出色双向重复性值。
系统中还开发了具有易于使用的操作界面的控制程序，只要输入光栅参数，例如光栅间距和光栅周期数，就可以实现高质量的长周期光栅。
具有广泛的商业价值和发展前景，该系统方案还观察并模拟了二氧化碳激光诱导长周期光栅的近模场，以研究光栅中的模式耦合。
研究背景
长周期光纤光栅已广泛应用于光纤传感器、通信、激光器等领域。一些刻字方法，例如紫外激光曝光，二氧化碳激光照射、电弧放电、飞秒激光曝光、机械微弯、蚀刻波纹、和离子束注入等，已被证明可以将长周期光栅刻入不同类型的光纤中。
在这些方法中，二氧化碳激光照射方法特别灵活且成本低廉，因为它可以用于在几乎所有类型的光纤中刻写长周期光栅，而无需使用相位掩模。
自从相关学者发布了第一个二氧化碳传统玻璃纤维中的激光诱导长周期光栅，各种二氧化碳激光照射技术已被证明或改进，可将长周期光纤光栅刻入不同类型的光纤中。
典型的二氧化碳激光刻划系统采用工业二维光学扫描仪，双向重复性较差，光栅间距精度不佳。此外，一氧化碳激光照射系统是一种工业，二氧化碳刻写长周期光栅通常采用最大输出功率为10W的激光器。
这样一个二氧化碳激光器的功率稳定性较差，因此长周期光栅的再现性不好。换句话说，输出功率一氧化碳必须对所使用的激光器进行微调，以在每次光栅刻划过程中实现高质量的长周期光栅。
如今最新的二氧化碳基于改进的二维扫描技术的激光照射系统，用于刻写高质量的长周期光栅。该系统采用3D超精密电动平移台，具有80nm的出色双向重复性，有出色的功率稳定性小于±2%，以及具有易于使用的操作界面的控制程序，可刻录高质量的长周期光栅。
实验方法
通过使用聚焦，制作一种基于改进的二维扫描技术的有前途的长周期光栅刻划系统，如图1(a)所示。
该系统由一个工业一氧化碳最大功率为10W的激光器，功率稳定性为±10%，用于打开/关闭激光束的电动快门；聚焦长度为63.5mm的红外镜头，用于减小聚焦激光光斑直径的四倍扩束镜；以及3-D超精密电动平台，最小增量运动为10nm，双向重复精度为80nm。
首次采用闭环控制系统提高功率稳定性二氧化碳激光至±2%，这是我们的长周期光纤光栅刻录系统的巨大优势。而实验结果表明，功率稳定性（±2%）的二氧化碳激光有效提高了光栅刻划的稳定性和再现性。
例如，目前的实验中光栅刻字的成功率几乎是100%。相比之下，我们之前的实验成功率约为30%二氧化碳激光器的功率稳定性为±10%。采用超连续谱光源和光谱分析仪来监测透射光谱二氧化碳光栅刻写期间激光刻写长周期光栅。
利用软件开发了具有易于使用的操作界面的控制程序，以控制系统中的各个设备并刻写高质量的长周期光栅。通过图1(b)所示的操作界面输入光栅参数，即可实现高质量的长周期光栅。
当然，通过点击“暂停”按钮或“停止”按钮，可以随时暂停或停止光栅刻划过程。因此，这种改进的长周期光栅刻写系统有可能与光纤拉丝塔集成，在拉丝过程中连续刻写大量的长周期光栅。
长周期光栅铭文可以描述如下。首先，使用一对光纤支架将标准单模光纤的一端固定在3D电动平台上，光纤的另一端通过一个小重量固定在3D电动平台上，以提供恒定的在光纤中预应变，从而提高刻写长周期光纤光栅的效率。
这二氧化碳激光束通过扩束器和透镜传播，然后通过调整3D平台的尺寸聚焦在光纤上。我们通过观察来获得聚焦光斑的直径，以及二氧化碳纤维表面的激光烧蚀区域。
如图2(c)所示，通过聚焦的重复扫描，在光纤的一侧刻出凹槽。二氧化碳激光束功率较高，为5W，测量凹槽宽度为30微米。所以聚焦激光光斑的直径约为30微米。
据所知，这是刻划系统中最小的聚焦点，该系统采用一氧化碳2迄今为止的激光。电动平台沿“Y”方向（即光纤轴的垂直方向）以0.5mm/s的速度移动1mm，以便聚焦二氧化碳激光束扫描/照射穿过光纤。
因此，第一个周期的长周期光纤光栅诞生了。第三，电动平台移动光栅间距，例如320微米，沿“X”方向，即光纤轴，然后沿“Y”方向移动1mm，以便聚焦二氧化碳激光束再次扫描/照射穿过光纤。因此，第二期长周期光纤光栅诞生了。
这种扫描和移位过程周期性地执行N次（N是光栅周期的数量），直到创建最后一个光栅周期。上述过程可以从第一个光栅周期到最后一个光栅周期重复K个周期，直到获得期望的长周期光纤光栅。
结果分析
为了研究相位匹配条件与谐振波长的函数关系，使用了8个具有相同光栅周期数的长周期光纤光栅（N=30），以及260、280的不同音高，和400微米。通过使用改进的方法被写入标准二氧化碳上面的激光系统。
如图3所示，每个长周期光纤光栅都有大于在1100至1700nm范围内观察到每个长周期光纤光栅的谐振波长为33dB，插入损耗小于0.5dB，并且有超过3个衰减谷，表明基模耦合到不同的包层模式。
如图4所示，一氧化碳2-光栅间距较长的激光刻写长周期光栅，对应同阶包层模的谐振波长也较长，这与文献中图8所示的紫外激光刻写长周期光栅的相位匹配条件相同。
通过从图4所示的曲线确定合适的光栅间距，可以刻写出具有所需谐振波长的高质量长周期光纤光栅。
如图5所示，另外4个长周期光纤光栅，即长周期光栅1,长周期光栅2,长周期光栅3,长周期光栅4，具有420、380、320和280不同的光栅间距微米，分别刻在标准中，以便研究二氧化碳激光雕刻光栅。
来自波长范围为1510至1612nm的可调谐激光器的单波长光输入到每个长周期光纤光栅的一端。长周期光栅的另一端在最后一个光栅周期被劈开，使用红外相机和显微镜观察其近场。
如图5(b)所示，在各长周期光纤光栅的谐振波长处观察到非对称的模场分布。也就是说，基本模式长周期光栅1在1530.8nm的共振波长处，长周期光栅2在1570.0nm的共振波长下。
长周期光栅3谐振波长为1548.2nm，长周期光栅4在1593.8nm的谐振波长处，耦合到圆不对称包层模式分别为LP12,LP13,LP14，和LP15。
而且，从图5(b)不难看出，一侧的包层模能量明显大于另一侧的包层模能量，即一侧的包层模能量。二氧化碳激光诱导的长周期光栅在光纤包层的横截面内是不对称的。
这是因为，在长周期光栅刻录过程中，单侧辐射产生的不对称残余应力松弛引起了光纤横截面内的圆形不对称折射率调制二氧化碳激光。
结论
一个有前途的二氧化碳基于改进的二维扫描技术的激光照射系统被证明可以刻写高质量的长周期光栅。与其他相比二氧化碳激光刻划系统，在系统中，激光束是固定的，所使用的光纤沿X方向周期性移动并沿Y方向移动，使得聚焦的激光束周期性地扫描/照射光纤。
大约需要5分钟才能刻出一个衰减量较大的高质量长周期光纤光栅。使用当前的实验系统，在标准单模光纤中获得35.7dB、87.8nm带宽和30个光栅周期，功率稳定性提高了小于±2%和二维扫描技术。
相反，必须需要更多的时间，例如大约30分钟来刻写具有大约大约30的小衰减倾角的长周期光纤光栅。-使用我们之前的实验系统，在同类型光纤中，功率稳定性较差，为25.1dB，带宽为12.0nm，光栅周期为55个±10%。
圆形不对称模场分布表明不对称模式耦合二氧化碳激光诱导长周期光栅。此外，还开发了具有易于使用的操作界面的控制程序。因此，该系统具有广泛的商业价值和发展前景。
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