CN109641318A - 飞秒激光刻写 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用飞秒脉冲激光器在衬底的表面内部或上刻写周期性图案的新颖方法和系统。所述方法包括以下步骤：(a)接收多条飞秒激光脉冲光束，每条光束在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量；(b)控制所述多条激光脉冲光束的所述脉冲持续时间、通量、焦点大小、焦点形状、轮廓和能量中的至少一个；(c)将所述多条激光脉冲光束引导到具有光轴的衬底的某个区域上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和应力调制区域中的至少一种；(d)可控制地使所述衬底沿着其光轴位移以沿着所述光轴在第一刻写平面上产生所述周期性图案；以及(e)跨所述衬底产生至少在两个维度上具有受控折射率轮廓的间隔开的平面。

Description

飞秒激光刻写
技术领域
本发明涉及光学和光子学。具体地说，本发明涉及用于制作波导、光栅和集成光电路的方法和系统。
背景技术
通过将透射材料和吸收材料暴光于强烈的激光辐射以便改变所述材料的光学性质，已经实现了对许多光子装置的制作。例如，已经利用锗掺杂石英玻璃的UV诱导光敏性以在单模光纤和波导的光敏Ge掺杂石英纤芯中产生永久性折射率变化，这与未掺杂包层相反。通过使用如Glenn等人在美国专利号4,807,950中公开的双光束干涉技术或者通过使用如Hill等人在美国专利号5,367,588中公开的相位掩模产生对UV曝光的空间强度调制，可以在波导的光敏纤芯中产生布拉格光栅(Bragg grating)结构。
如Glenn等人公开的，通过将穿过包层的光纤纤芯暴露于由两条相干的紫外激光束产生的干涉条纹图案将永久的周期性光栅设置到或压入纤芯中，所述两条光束关于垂直于光纤轴线的平面对称地引导到光纤上。纤芯中的材料暴露于由所述两条重叠的UV光束产生的合成干涉条纹强度图案，从而沿着波导的UV光敏纤芯的长度产生永久的周期性折射率变化。所产生的折射率变化被朝向为垂直于波导轴线以便形成布拉格光栅。
Hill等人在美国专利号5,367,588中教导了一种光压印布拉格光栅的更流行方法，其中通过使单条UV光束撞击被称为相位掩模的透射性衍射光学装置来产生干涉条纹图案。待加工波导直接放置在相位掩模后面并且暴露于所产生干涉条纹图案，从而导致形成布拉格光栅结构。在这些实例中，用UV光以预定强度且在预定持续时间内辐照具有Ge掺杂光敏纤芯的光纤或波导，所述强度和持续时间足以在所述波导的纤芯内获得基本上永久的布拉格光栅结构。
这些光栅提供了有用的功能，然而其在可能存在的所诱导折射率变化的量方面存在一些限制。为了将一些布拉格光栅结构写入标准电信单模光纤中，常常需要通过如Atkins等人在美国专利号5,287,427中教导的在高压和高温下将光纤暴露于氢气或氘气或者如Bilodeau等人在美国专利号5,495,548中教导的通过氢火焰洗刷来使这种光纤对UV光具有光敏性。在暴露之后，需要在高温下对UV写入结构进行退火以去除波导纤芯中存在的任何剩余间隙氢气或氚气。如Erdogan等人在美国专利号5,620,496中教导的，实施此退火步骤通常是为了通过加速老化来使所诱导折射率变化稳定。对光纤或波导的这些额外加工步骤使光子装置的制造变得复杂并且降低了产率。
另一种用于在玻璃中产生永久性光折射率变化的方法采用的是使用积分通量或每激光脉冲的能量/单位面积密度接近产生玻璃的宏观损伤所需的积分通量或每激光脉冲的能量/单位面积密度的强烈UV光束。Askins等人在美国专利号5,400,422中教导了一种用于用单一高强度UV激光脉冲在Ge掺杂光纤的光敏纤芯中产生永久性光折射率变化的方法。由从单条UV光束分裂而来的两条交叉UV光束产生的干涉条纹的高强度部分在光纤内的纤芯-包层界面处产生局部损伤。因为用于诱导折射率变化的过程是由于玻璃的局部物理损伤引起的结构变化过程，而不是由于UV光诱导色心形成引起的结构变化过程，所以所诱导折射率变化更具鲁棒性并且不会随着温度升高而减小。因此，不需要如Erdogan等人在美国专利号5,620,496中教导的退火步骤。事实上，Askins等人公开了在光纤或波导接近材料的玻璃转变温度之前，无法通过退火去除以此方式产生的光栅。这种诱导折射率变化的方式的缺点在于：以此方式产生的布拉格光栅的折射率调制相对较低并且其机械性弱，这是因为有效折射率变化由纤芯-包层界面处的周期性局部损伤产生。由于损伤机制基于强度阈值过程，所以所产生的布拉格光栅的光谱质量通常很差。
最近，几个研究小组已经对在飞秒脉冲持续时间方案中采用高强度激光脉冲来产生永久性玻璃折射率变化的过程进行了探索。K.M.·Davis等人在《光学快报(Opt.Lett)》21,1729(1996)中公开了一种用于用超高峰值功率飞秒红外辐射在块状玻璃中诱导折射率变化的技术。Miura等人在美国专利5,978,538中教导了使用这种技术在块状玻璃中产生波导，而Dugan等人在美国号20030035640中教导了对现有波导结构的修改或修整。看起来在材料中引起折射率变化的物理过程是由于通过对束缚电荷的非线性吸收和多光子电离，随后是雪崩电离和局部电介质击穿来产生自由电子而引起的，因为这些自由电子是通过强烈但持续时间短的激光场加速的。而且，这导致材料的局部熔融和重组以及同时折射率增加。在此场中进行的工作已经使用了紧密聚焦于产生极高光强度的近衍射极限光斑大小的激光脉冲以便在材料中启动非线性吸收过程。虽然这实现了折射率变化的高分辨率空间局部化，但是其涉及沿着光纤或波导的长度和光轴对超短持续时间激光器的逐点扫描，如Fertein等人所公开的(应用光学《(Appl.Opt.)》40(21),3506(2001))。对于写入回射布拉格光栅结构来说，这是一个显著的缺点，但这适用于写入长周期布拉格光栅结构，所述长周期布拉格光栅结构将在前向传播导引模式中沿着光纤行进的光能量耦合到传播到光被至少部分地衰减的前向传播包层模式中的光中，而不是将来自前向传播导引模式的光耦合到回射导引模式中。存在若干长周期光栅制作实例。Hill等人在美国专利号
5,104,209中使用狭缝振幅掩模教导了逐点写入方法。Tam在美国专利号6,208,787中教导了振幅掩模技术的变体，其中平凸圆柱形微透镜阵列用于将入射UV光束的部分聚焦到光纤上。Kosinski等人在美国专利号6,050,109中教导的另一种用电弧制作长周期光纤光栅的技术。
为了使用高强度飞秒持续时间辐射将回射布拉格结构光压印到光纤或波导的纤芯中，有利的是使用全息技术或衍射光学装置产生源自单个飞秒激光脉冲的干涉条纹图案。Kawamura等人在《应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)》78(8),1038(2001)中公开了一种用于使用双光束激光干涉暴露过程产生全息图的设备，所述过程包括使用脉冲宽度为10飞秒到900飞秒的能够产生傅里叶变换极限或接近傅里叶变换极限的脉冲光束的飞秒激光器的步骤。使用分束器将来自激光器的光束分成两条光束，所述两条光束在时间上通过光学延时电路并且在空间上使用平面和凹面反射镜进行控制，这些反射镜各自具有可稍微旋转的反射表面以将所述光束会聚在衬底的表面上或衬底内从而通过以下以100GW/cm2或更高的能量密度记录全息图：使所述两条光束的每个偏振平面保持平行以便在时间和空间上匹配所述两条光束的会聚光斑，借此在由透明材料、半导体材料或金属材料形成的衬底上不可逆地记录全息图。体积全息图任选地被分层以便提供多重全息图记录，所述多重全息图记录是永久性的，除非其被加热到引起全息图被刻写于其中的衬底的原子布置的结构变化的温度。多位作者在美国专利申请20020126333中教导了这种方法。
Maznev等人在《光学快报(Opt.Lett.)》23(17),1378(1998)中公开了一种用于用飞秒脉冲通过使源自穿过衍射光学元件的单条光束的两条飞秒光束重叠来产生干涉条纹的技术。多位作者在美国专利号6,204,926中教导了这种方法。Miller等人在美国专利6,297,894中教导了一种类似的用于利用衍射光学装置产生干涉条纹图案以便使用飞秒持续时间激光辐射在材料中诱导折射率变化的方法。Miller等人的发明的示例性实施例包括用于向衍射光学元件提供光的飞秒激光源。从衍射光学元件传播的光入射在曲面镜上，所述曲面镜用于将光聚焦到透镜或另一曲面镜中并且然后聚焦到目标中。
然而，应当理解的是，上述用于使用短脉冲激光器刻写光栅结构的方法不限于逐点或逐线刻写。在两种情况下都存在无法容易补偿的若干限制。例如，这些方法要求光栅应当精确地定位在光轴(在光纤的情况下)上，并且激光束应当精确地对齐到光纤的光轴上。此外，在逐点技术中，无法精确控制折射率变化。
石英光纤布拉格光栅(FBG)传感器在从应变和温度测量到更复杂的准分布传感的各种应用中被广泛地用作点传感器，如用于通常需要光栅阵列的振动模式形状监测、超声检测和结构健康监测。此外，标准光纤的单模特性得到了充分理解并且其避免了多模光纤传感器将在其它方面遇到的多种问题，如多峰光谱、模式重叠和模式混合。主要地，在通常超过100dB/m的近红外线中遇到的极高损耗以及缺少对商业单模聚合物光纤的接入已经使聚合物光纤(POF)演变为玻璃光纤的替代品变得复杂。这是不幸的，因为如果可以克服上述两个缺点，则POF有望实现超常的光学传感能力。可以证明基于POF的光学传感器对医疗应用特别有用，其中就安全性而言，插入塑料类导管是可接受的，并且其中物理、化学和生物传感器可以用于测量温度、压力、葡萄糖水平和抗体生物分子。此外，POF的杨氏模量极低，比石英的杨氏模量低25倍，这可能提供非常大的应变范围以及高达5％应变的FBG波长调谐，并且POF还是温度可调的。所有目前商业化的聚合物光纤仅可通过由光纤到家(FTTH)应用驱动的多模光纤——或者阶跃折射率光纤或梯度折射率光纤——的形式获得，其中所述光纤的较大纤芯直径允许使用低成本连接器和插座实现容易且高效的耦合。在多模光纤中刻写光纤布拉格光栅导致激发大量高阶模式，从而产生多峰FBG光谱。这种效应对于可以忍受低分辨率测量结果的一些应用来说是可接受的。然而，随机模式混合的发生对常规光纤传感器解调设备造成的问题，因为峰跟踪算法不再知道要跟踪哪个峰，并且如果存在多于一个多模FBG，则这种问题加剧。
发明内容
本发明的技术提供了用于具有可以充当滤光器和/或传感器的带有线性和任意折射率轮廓的周期性折射率调制结构(例如，最简单的形式为ID布拉格光栅)的装置的直写飞秒激光制作过程和系统。
如上所述，用于使用短脉冲激光器刻写周期性结构的常规方法不限于逐点或逐线刻写。这对于与单模光纤一起使用来说可能是可接受的，但对于与具有少模或多模空间模式的光纤一起使用来说是有问题的，因为模式激发不受控制。这些方法带来了对准要求。还已经提出了用于制作平面的相位掩模或干涉系统。然而，无法按照用户可选择的量单独刻写这些平面，也无法这些平面仅刻写到纤芯中或刻写到包层中。此外，这些方法无法容易地控制刻写尺度。
提供了一种用于使用短(飞秒)脉冲激光器将周期性图案(例如，光栅结构)刻写(即，直写)在衬底的表面内部(即，嵌入)或上的新颖方法和系统。因此，通过增加或减小激光束与如光纤和波导等光学媒体之间的相互作用点处的局部折射率对材料进行修改。因此，本发明特别适用于产生光学波导(纤芯连同包层、仅纤芯、仅包层)、布拉格光栅等。可以通过使用本发明的技术刻写所述波导，并且然后在波导刻写过程期间写入光栅被或刻写波导被或将光栅写入到所刻写波导中。通过将波导刻写到包层中，并且可以在其中制作响应于弯曲和外部折射率变化的非对称光栅传感器。
因此，提供了一种用于刻写周期性图案的方法，其包括以下步骤：(a)接收多条飞秒激光脉冲光束，每条光束在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量；(b)控制所述多条激光脉冲光束的所述脉冲持续时间、通量、焦点大小、焦点形状、轮廓和能量中的至少一个；(c)将所述多条激光脉冲光束引导到具有光轴的衬底的某个区域上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和应力调制区域中的至少一种；(d)可控制地使所述衬底沿着其光轴位移以沿着所述光轴在第一刻写平面上产生周期性图案；以及(e)跨所述衬底产生至少在两个维度上具有受控折射率轮廓的间隔开的平面。当所述衬底包括光纤时，所述衬底的所述某个区域包括以下中的至少一种：仅纤芯、仅包层或纤芯连同包层。
在一些实施例中，步骤(b)包括以下中的至少一个：在空间上调制所述激光脉冲光束；垂直于所述光轴跨所述衬底横向地扫描所述激光束；以及在所述衬底的两种不同材料之间的边界处产生局部折射率变化、微孔和应力诱导区域中的至少一种。所述在空间上调制所述激光脉冲光束可以包括以下中的至少一个：通过使用光学布置缩放所述光束；以及通过使用空间光束整形器对所述光束进行整形。可以在同一区域上重复所述扫描以便由此控制折射率变化的水平。在空间上调制所述激光脉冲光束可以包括使用空间光调制器、具有可变焦点的光学布置以及聚焦透镜布置中的至少一种。
在一些实施例中，所述方法包括辐照所述某个区域，其中所述辐照以受控的刻写速度执行。
在一些实施例中，所述方法包括针对每个刻写平面独立地改变所述刻写速度以便由此修改所述折射率轮廓和/或产生光栅轮廓和/或产生较高阶光栅。所述刻写平面可以包括嵌入在所述衬底内部的平面。
在一些实施例中，所述方法进一步包括可控制地使所述衬底跨其光轴位移以在与所述第一刻写平面间隔开的另一刻写平面上产生所述周期性图案，其中所述步骤(a)到(e)以某个周期重复，其中每个光栅平面是单独产生的以便由此产生光栅结构。所述可控制地使所述衬底跨其光轴位移包括以线性或非线性增量控制间隔开的平面之间的线间隔。
在一些实施例中，步骤(b)包括跨所述衬底针对每个平面单独地控制所述周期性图案的宽度、深度和长度中的至少一个以便由此控制3D折射率轮廓的形状。
在一些实施例中，所述方法包括产生在深度和宽度上不对称的平面以产生局部双折射。
在一些实施例中，所述方法进一步包括控制所述飞秒激光脉冲光束的波长范围。
在一些实施例中，所述方法包括在所述平面刻写之前相对于所述衬底的光轴以某个角度旋转所述衬底以便由此控制刻写平面相对于所述光轴的角度从而产生倾斜光栅。
在一些实施例中，步骤(e)包括控制所述平面的长度，由此控制所述平面中的每一个的反射强度。
在一些实施例中，步骤(b)包括在刻写每个平面之前改变所述能量以控制每个平面的双折射和/或以控制每个平面的位置处的损耗。
本发明的技术能够降低对准要求并且不要求将光栅精确地定位在光轴上。因此，不同于常规方法，可以在不进行复杂的对准程序的情况下并且在不需要直接激光控制的情况下，如在不需要将台位置与运动控制模块的每条轴线上的激光触发器链接的位置同步输出(PSO)的情况下在光纤或平面样本中制作快速光栅阵列。PSO确保激光器在某个位置处产生脉冲并且使这些同时发生。此外，所述技术实现在整个纤芯区域内刻写光栅平面，而不论纤芯材料是否掺杂。
刻写周期可以由用户选择为任何期望值。此外，这种技术实现选择性地添加啁啾和/或添加/去除平面。这种技术单独产生每个光栅平面(即，1D到3D折射率变化、用户可选择的受控平面维度)。还可以在三个维度上选择折射率变化的轮廓形状。装置维度通过跨纤芯横向地扫描激光器来进行控制。光栅的长度基于被选择以便进行刻写的平面的数量。应当指出的是，轮廓形状决定了阶次光栅的数量。此外，对于一阶光栅或较高阶光栅来说，可以选择任何工作波长。还应当指出的是，光栅波长是通过了解光纤在所有波长下的折射率来进行选择的。
例如，这实现对相移光栅进行刻写，因为啁啾光栅具有用户可选择的时延性质。这还允许对具有或不具有啁啾光栅、取样光栅、倾斜光栅及其较高阶版本的腔的简单刻写。此外，可以刻写用于信号编码和解码的光栅以及具有基于斐波纳契数列(Fibonacciseries)、卢卡斯数(Lucas number)、递归关系和整数序列或任何其它随机序列形式的平面序列的光栅。对局部折射率变化(在掺杂和未掺杂光纤中)和损耗的控制导致产生具有增益/损耗性质的部件以利用宇称-时间对称。产生较高阶光栅可以被控制为使得波长反射序列在预定波长下发生。
可以实时、在线、使用包括可调谐激光器和检测器系统的典型光栅测量系统或宽带光源和光谱分析仪组合对装置的刻写过程进行测量。可以“在空中(on-the-fly)”修改刻写，直到实现期望的光谱性质。
在一些实施例中，所述方法还包括通过在跨纤芯的宽度和深度上控制光栅的幅度来控制光栅的偏振性质。例如，可以根据用户需要使光栅平面呈矩形，从而诱导受控双折射。
在一些实施例中，所述方法包括通过将布拉格峰分裂成两个峰来控制局部双折射。局部双折射的水平导致所测得光栅峰的分裂，并且这可以被“分裂”成可以使用偏振选择性元件分离的两个导引偏振模式。
在一些实施例中，所述方法包括整体地和针对每个平面控制光栅的双折射。可以通过以下执行这一点：在刻写每个平面之前改变(增加或减少)激光能量，这增加或减少双折射。此外，可以通过制作在深度和宽度上不对称的平面来诱导局部双折射。例如，可以在多模光纤类型中刻写光栅，使得所有或个别平面分别具有相同或不同的维度，由此激发不同空间纤芯模式并与其相互作用。
在一些实施例中，所述方法还包括通过控制光栅的幅度来控制包层模式耦合。例如，对跨纤芯进入包层的平面的长度的控制实现对纤芯和包层模式强度的相对强度的控制。这对于所有光栅类型来说都适用。如果考虑倾斜光纤布拉格光栅，则包层模式的强度随着平面延伸到包层中而减小，相反随着平面受限于纤芯区域而增加。
在一些实施例中，所述方法还包括在光栅平面的深度、宽度和长度方面控制光栅的幅度，从而实现2D或3D光栅。每个光栅平面可以具有不同的2D和3D轮廓，从而产生定制光栅类型。
在一些实施例中，所述方法包括控制透射口(notch)、反射率、装置损耗、折射率强度和装置长度；以及在达到期望规格时停止刻写过程。应当指出的是，如所属领域的技术人员熟知的，高折射率意味着低透射。折射率变化越大，应当产生更多激光能量，并且折射率越大，带阻滤波器的响应越好。然而，过度增加激光能量还会增加局部损耗。具体地说，所述方法包括控制每个平面的位置处的损耗。可以通过以下实现这一点：在刻写每条线之前改变(增加或减少)激光能量，从而局部地增加或减少损耗。所提出的新颖激光刻写过程是损耗控制过程，并且可以通过在平面刻写期间改变(增加或减少)激光能量和积分通量来增加或最小化损耗。积分通量是基于激光重复率和运动速度来计算的。
在一些实施例中，所述方法包括控制光栅阶次。可以刻写横跨两个倍频程的较高阶光栅，即均匀光栅、倾斜光栅或啁啾光栅。可以通过控制每个平面的折射率轮廓的形状来实现这一点，诱导较高阶光栅反射，例如主要反射频率(傅里叶级数(Fourier series))的倍数。轮廓越呈正方形，较高阶的数量越大。
在一些实施例中，所述方法包括控制光栅结构的占空比。可以通过以均匀或任意方式间隔平面及其周期来实现这一点，并且基于在刻写下一平面之前采用的步长，可以控制栅极占空比。
在一些实施例中，所述方法包括在多模光纤中刻写单峰光栅。
在一些实施例中，所述方法包括用移动控制模块改变线间隔(例如，步长)以控制反射波长。对于均匀光栅来说，步长可以是均匀的，并且对于各种类型的啁啾光栅和定制光栅来说，步长可以具有线性或非线性增量。
在一些实施例中，所述方法包括产生能量高达100nJ/脉冲的激光。
根据本发明的另一广泛方面，提供了一种用于在具有光轴的衬底上刻写周期性图案的系统。所述系统包括：第一光束引导模块，其用于将多条激光脉冲光束引导到所述衬底的某个区域上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和/或应力调制区域，从而在刻写平面上至少在两个维度上产生受控折射率轮廓；运动控制模块，其用于使所述衬底至少沿着其光轴位移；控制单元，其连接到所述运动控制模块和激光器，所述控制单元用于控制脉冲持续时间、通量、焦点、轮廓和能量中的至少一个以及受控刻写速度以便由此在所述刻写平面上至少在两个维度上提供折射率轮廓。
在一些实施例中，所述系统进一步包括用于在空间上调制所述激光脉冲光束的光束整形元件，其中所述光束整形元件包括具有可变焦点的光学布置、聚焦透镜布置、狭缝元件和空间光调制器中的至少一种。
在一些实施例中，所述系统进一步包括用于朝着所述光束整形元件引导所述飞秒脉冲激光束的第二光束引导模块，其中所述光束引导模块朝着所述衬底的所述某个区域引导来自所述光束整形元件的所述飞秒脉冲激光束。
在一些实施例中，所述系统进一步包括用于产生在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量的多条飞秒脉冲激光束。
在一些实施例中，所述控制单元控制所述激光器的工作波长范围。
在一些实施例中，所述运动控制模块被配置成旋转所述衬底。
附图说明
为了更好地理解本文公开的主题并且为了例示在实践中如何实施本发明的主题，现在将仅通过非限制性实例参考附图对实施例进行描述，在附图中：
图1示意性地表示本发明的方法的主要步骤的流程图；
图2示意性地表示本发明的系统的主要功能模块的框图；
图3A示出了通过控制激光脉冲能量定制的不同光栅强度(kL)值的样本FBG光谱；
图3B示出了不同长度值的样本FBG光谱；
图4A表示与折射率相关的定义；
图4B和图4C针对40脉冲/um(图4A)和80脉冲/um(图4B)的AC和DC变化示出了由刻写过程诱导的相对折射率变化贡献；
图5示出了作为刻写速度的函数的折射率变化；
图6针对各种激光剂量水平示出了不同的刻写速度下的光栅强度(kL)和有效折射率变化；
图7针对脉冲数/um示出了光栅强度对脉冲能量；
图8针对各种脉冲数/um示出了光栅强度对积分通量；
图9示出了光栅强度(kL)的梯度对脉冲数/um；
图10A和图10B示出了均匀光栅(在此实例中为16阶)的实例的光谱，其中已经通过多个道次刻写了每个平面；
图11A和图11B分别示出了有效模式折射率(neff)和经调制折射率(dneff)与激光道次的数量；
图12示出了用能量为116nJ的激光并且在5kHz的重复率下通过使用本发明的教导产生的由2000条线构成的10nm啁啾光栅的反射光谱；
图13示出了图12的啁啾FBG的透射光谱；
图14示出了通过使用本发明的教导制作的4阶和8阶啁啾FBG；
图15示出了FBG法布里-珀罗腔(Fabry-Perot cavity)反射光谱，其中已经通过使用本发明的技术产生了FBG法布里-珀罗腔；
图16A到图16C是使用本发明的教导在低损耗多模梯度折射率CYTOP光纤中刻写的FBG的显微镜图像，其中跨纤芯的中心，平面宽度为30μm(图16A)、15μm(图16B)和5μm(图16C)；
图17A和图17B针对约56nJ/脉冲的固定脉冲能量关于激光重复率示出了通过使用本发明的教导制作的光栅平面的深度(图17A)，并且针对约10kHz的固定重复率关于脉冲能量示出了所述深度(图17B)；
图18示出了通过使用本发明的教导在多模POF中制作的长FBG(10mm)的光谱，其中所述光谱是从横跨物理长度超过20m的光纤的短侧(从光纤中的FBG位置起几cm)到长侧获得的；
图19A到图19C示出了5um和300平面光栅的光谱(图19A)、5um和500平面光栅的光谱(图19B)以及5um和1000平面光栅的光谱(图19C)；
图20A到图20F示出了通过使用本发明的教导制作的多模CYTOP聚合物光纤中的不同类型的FBG；图20A表示单峰FBG的光谱；图20B表示具有最小化模式混合的FBG的光谱；图20C表示FBG阵列的光谱；图20D表示啁啾FBG的光谱；图20E表示取样FBG的光谱；并且图20F表示FBG法布里-珀罗腔的光谱；
图21A示出了通过使用本发明的教导制作的倾斜FBG的图片；
图21B示出了光谱，其示出了图21A的FBG的包层模式；
图22A到图22C示出了较高阶倾斜FBG的光谱，其示出了根据包层模式波长位置同时在多个光谱位置处产生用于传感液体和气体的包层模式；并且
图23示出了使用本发明的刻写过程在硅纤芯光纤中产生的FBG的光谱。
具体实施方式
参考图1，其通过流程图示出了本发明的用于刻写周期性图案的方法100的主要步骤。方法100包括步骤120：接收多条飞秒激光脉冲光束，每条光束在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、光束轮廓和能量；步骤122：控制所述多条激光脉冲光束的脉冲持续时间、通量、焦点大小、焦点形状、轮廓和能量中的至少一个；步骤124：将所述多条激光脉冲光束引导到具有光轴的衬底的某个区域上以便由此根据激光特性在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和应力调制区域中的至少一种；步骤126：可控制地使衬底沿着其光轴位移以沿着光轴在第一刻写平面上产生周期性图案；以及步骤128：跨衬底产生具有受控3D折射率轮廓的间隔开的平面。步骤128进一步包括可控制地使衬底跨其光轴位移以在与第一刻写平面间隔开的另一刻写平面上产生周期性图案，其中步骤120到126以受控制单元110控制的某个周期重复。刻写周期可以由用户选择为任何期望值。步骤122可以包括跨衬底针对每个平面单独地控制周期性图案的宽度、深度和长度中的至少一个以便由此控制3D折射率轮廓的形状。方法100能够实现周期性或经修改的周期性折射率调制装置的直接一步制作和集成并且实现低成本的多功能一维光栅装置并且被容易地扩展到对简单和复杂光学系统的二维或三维光学电路制作。在光纤(例如，光栅)的情况下，可以仅在纤芯中、在纤芯-包层界面中或仅在包层中实现这一点。应当理解的是，在产生光栅结构时，单独产生每个光栅平面。方法100产生3D的、具有受控宽度、深度和长度以及所选角度的折射率变化。
在此方面，应当理解的是，如果材料在激光的工作波长下是透明的(线性吸收可忽略)，则激光-材料相互作用通过激光焦点处的多光子吸收驱动，而不透明材料将在受限于激光诱导的扰动的长度尺度上进行加工，所述扰动限制于激光在材料中的穿透深度。快速激光脉冲(例如，但不限于<250fs)意味着甚至是对于中度的普通激光功率来说，在被适当聚焦的情况下，可以产生极度强烈的光。在如但不限于硅的不透明半导体材料的情况下，已经实现了硅光纤，借此硅纤芯受透明石英玻璃包层束缚。如果激光以低于1.1微米的波长工作，则硅将是几乎完全不透明的，并且此处在材料中<1μm的浅深度处将发生吸收。无论如何，应当指出的是，所述新颖的刻写技术仍然可以在不透明光纤中产生光栅结构。应当指出的是，在激光工作波长下缺少材料透明性导致材料吸收系数显著增加。这样的效果是激光焦点处的温度显著增加。对于相当于激光波长的长度尺度来说，焦点处的温度可以达到10^4/10^5K。然而，在激光重复率低的情况下，fs激光加工是“冷的(cold)”；热量快速耗散到周围环境中导致熔融材料在小空间长度尺度上重新固化。在本发明的一些实施例中，跨衬底的光轴(例如，光纤的纵轴)横向地扫掠/扫描激光束，由此通过修改硅-玻璃界面跨纤芯产生平面并且跨纤芯引起应力调制。当此过程在给定时段内重复时，诱导均匀光栅结构。发明人已经表明飞秒激光加工是一种灵活的用于修改半导体纤芯玻璃包覆光纤的方式。通过对激光聚焦参数进行仔细控制，发明人已经表明可以在纤芯包层界面处诱导受控应力，并且通过这样做在硅内产生具有可容易测量的波长光谱的周期光栅结构，甚至是在短激光刻写波长下实际上没有光穿透到硅中的情况下。这种FBG形成为基于光纤的硅拉曼激光器(Raman laser)开创了途径。具有这些纤芯材料的光纤还可能直接由于fs激光加工而受到应力。
在一些实施例中，方法100包括产生具有飞秒激光脉冲的红外、可见、紫外波长激光束；对光束进行整形并控制其脉冲持续时间和强度以优化其修改/处理材料；以及将光束引导到样本上/中以产生足以修改材料的强度(例如，1010W/m2)。光束整形实现了使用衍射光束和非衍射光束诱导折射率变化。本发明的技术可以适用于任何系统产生脉冲光束，并且因此所述多条脉冲光束可以由刻写系统外部的激光器接收。可替代地，激光器可以集成到本发明的刻写系统中，并且在这种情况下，方法100包括任选步骤110：用多条脉冲光束以受控刻写速度辐照所述某个区域。
方法100还包括通过控制刻写速度修改任何折射率修整(例如，直接切趾(apodization))的轮廓和/或产生较高阶(例如，饱和)光栅。在此方面，应当理解的是，如果刻写速度减慢，则较大的折射率变化被诱导，并且相反，速度增加诱导较小的折射率变化，并且以此方式，可以对折射率进行轮廓调整。
可以采用以下可能的方式实施对折射率轮廓的修改：
1)控制每个光栅平面的刻写速度，使得速度与激光诱导的折射率变化成反比，例如，较慢的速度产生较强的折射率变化。以此方式，针对任何切趾功能定制光栅轮廓。
2)控制线跨过纤芯的程度，由此控制光栅平面与传播光模式之间的相互作用；平面跨过纤芯的长度越长，模式相互作用越大，由此控制光栅平面中的每一个的反射强度。以此方式，针对任何切趾功能定制光栅轮廓。
3)控制跨光栅的线间隔，使得光栅端部处的线的宽度不同于中心处的线的宽度，由此“抹掉(smear)”端部的反射率贡献。以此方式，针对任何切趾功能定制光栅轮廓。
4)多于一次地扫描每条线以控制折射率变化的水平。
在一些实施例中，控制激光脉冲光束的步骤122包括在空间上调制激光脉冲光束和/或垂直于光轴跨衬底横向地扫描激光束和/或当衬底由两种不同的材料制成时，在所述两种不同材料之间的边界处产生局部折射率变化、微孔和应力诱导的区域中的至少一种。
在一些实施例中，方法100包括垂直于光纤轴线跨纤芯横向地扫描激光束和/或通过使用透镜缩放光束和/或通过使用空间光束整形器对光束进行整形和/或通过仅在纤芯(如果掺杂)与包层(未掺杂)之间使用不同的非线性阈值来在纤芯中诱导变化。例如，Ge掺杂石英玻璃(纤芯材料)的损伤阈值小于纯石英光纤包层的损伤阈值。应当理解的是，通过垂直于光纤轴线跨纤芯横向地扫描激光束，可以控制光栅平面的宽度。通过用空间光束整形器控制i)激光能量或ii)激光通量或iii)激光焦点或iv)光束轮廓，可以控制平面的深度。应当指出的是，折射率变化可以小到10-5或大到10-1。可以通过以下执行这一点：在刻写每条线之前改变(增加或减小)激光能量，从而单独地增加或减小每条线的折射率变化。
参考图2，通过框图示出了用于在具有光轴OA的衬底10上刻写周期性图案的刻写系统200的结构和功能部分的部分示意图。系统200包括：第一光束引导模块104A，其用于将多条激光脉冲光束102引导到衬底10的某个区域/目标点上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和/或应力调制区域，从而在刻写平面上产生受控3D折射率轮廓；运动控制模块106，其用于至少沿着衬底10的光轴运送所述衬底并使其位移；以及控制单元110，其连接到运动控制模块106和激光器108，所述控制单元用于控制脉冲持续时间、通量、焦点、轮廓和能量中的至少一个以及受控刻写速度以便由此在刻写平面上提供3D折射率轮廓。激光器108产生多条光束，所述多条光束具有飞秒激光脉冲的特性并且在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量。激光器108可以集成在刻写系统200中，或可以是控制单元110连接和控制的外部元件。
控制单元110被总体上配置为计算/电子实用程序。控制单元110通过导线或无线地连接到运动控制模块106和激光器108。控制单元110被配置成且可操作用于控制脉冲持续时间、通量、焦点、轮廓和能量中的至少一个以及受控刻写速度。控制单元110还可以控制激光的工作波长范围。所述多条激光束102的波长范围可以被修改为红外、可见或紫外波长激光束以便对具有进行正确非线性材料处理所需的适当透明度的材料进行处理。材料在激光工作波长下应当是透明的，从而意味着最低限度的线性吸收。
在一些实施例中，衬底10包括光纤(基于硅酸盐的、硅或其它半导体和聚合物)和由任何材料(在激光刻写波长下是透明的或相反)组成的平面样本中的至少一种，由此产生所有可能的光纤光栅类型，如但不限于布拉格光栅、长周期光栅、超结构(取样)光栅、相移光栅、啁啾光栅(任何轮廓，对啁啾率具有直接控制)、复合光栅(随机的光栅平面位置和振幅强度)、多阶光栅、切趾及其组合，如但不限于法布里-珀罗腔(对称或非对称)。在此方面，应当指出的是，本发明的技术适用于所有光纤类型，如微结构光纤、实体纤芯光纤、大纤芯面积光纤、护套光纤和包封光纤，在常规方法的情况下，情况不是这样。例如，衬底可以是单模或多模光纤的纤芯。因此，所述方法尤其可以刻写适用于所有类型的光纤的简单和复合布拉格光栅。通过使用本发明的新颖技术制作的布拉格光栅具有定制特性并且与现有光网络兼容。在本发明的技术应用于制作布拉格光栅的一些实施例中，使用短脉冲激光诱导受控3D折射率变化的新颖的逐平面技术以特定宽度、深度和长度刻写每个光栅平面，同时还保持对折射率的控制，如下文将关于图17A和图17B展示的。
在一些实施例中，系统200包括用于控制光束特性和在空间上调制激光脉冲束的光束整形元件112，其中光束整形元件112包括具有可变焦点的简单透镜布置、聚焦透镜布置、狭缝元件、空间光调制器(SLM)中的至少一种以进行光束整形，使得单独的平面可以具有定制性质、产生用于刻写的衍射光束和非衍射光束，如高斯光束(或其变体)、贝塞尔光束、艾里光束、涡旋光束等。此外，还应当指出的是，所述过程在本质上是非线性的并且具有阈值。空间光束整形器112因此还可以包含被配置成控制纤芯材料和包层材料的不同非线性阈值的模块。在两种材料之间的边界处诱导的应力诱导平面。而且，在这种情况下，所有平面被单独写入，并且仍然可以对光栅进行完全定制。例如，增加激光能量将焦点的形状从圆形修改为椭圆形，并且扫掠椭圆产生平面。在这种情况下，系统200进一步包括用于朝着光束整形元件112引导飞秒脉冲激光束102的第二光束引导模块104B。第一光束引导模块104A朝着衬底的某个区域引导来自光束整形元件112的飞秒脉冲激光束102。第二光束引导模块104B将短脉冲激光束聚焦到衬底的平面(例如，衬底内部的平面)上，同时被聚焦的光束穿过空间光束整形器112(通常，与其相互作用)以便由此产生受控3D折射率变化，从而在此平面上产生具有线性和任意折射率轮廓的周期折射率调制结构。
在一些实施例中，运动控制模块106被配置成在平面刻写之前相对于衬底10的光轴OA以某个角度(用户定义的)旋转衬底以便由此控制刻写平面相对于光轴的角度，从而产生倾斜光栅。可以制作在刻写过程的任何阶段并且独立地对于任何平面具有任何角度的平面。
以此方式，提供了以下：跨衬底逐平面直写具有用户定义宽度和深度的图案(例如，平面)；实现光栅与波导模式或平面波导之间的受控耦合；产生2D和3D光栅结构；以及相对于波导的光轴具有用户选择的角度或倾斜度。光栅平面相对于光纤的光轴的角度因此由用户控制并且对于这些所谓的倾斜光栅来说可以是任何角度。
在一些实施例中，通过将飞秒脉冲激光束聚焦到如衬底或任何类型的光纤等光学透明材料上，可以诱导这样的折射率调制，其相比于未加工材料具有净正或负折射率变化并且在三个维度上具有受控空间幅度。所述方法提供了对折射率变化程度(正或负)和激光积分通量的控制。
可替代地，光纤在激光的工作波长下可以是不透明的。所述技术通过在组成光栅的不透明光纤内引入应力场从而在所述场内写入平面。
如上所述，对于一阶光栅或较高阶光栅来说，可以选择任何工作波长。还应当指出的是，光栅波长是通过了解光纤在所有波长下的折射率来进行选择的。
下文的具体且非限制性的实例描述了通过使用本发明的教导产生布拉格光栅。使用常规拉丝塔、用装载有硅棒的石英预成型件产生硅光纤；对复合光纤进行加热和拉制以形成外径为125μm并且纤芯为12μm的同轴硅-石英光纤。将光纤安装在包括用于进行高分辨率双轴运动的运动控制模块，例如艾罗德克(Aerotech)空气轴承台(ABL1000)的本发明系统上，并且用于使激光脉冲和台运动精确同步的控制单元实现适当的激光加工。使用在517nm下以220fs的脉冲持续时间以及约10J/cm2的激光通量工作的HighQ激光器(femtoREGEN)进行激光刻写。以5kHz的重复率以及约1μm的焦点大小将纤芯的侧面暴露于能量为100nJ的激光脉冲，从而产生约10J/cm2的能量密度，所述能量密度是可以在激光焦点处容易地产生预计极端温度的值。在刻写过程期间，在跨纤芯以50μm/秒的速率横向地扫掠激光束(从而产生100脉冲/μm的平均暴露量)时观察到Si纤芯的区域中的强等离子体产生。激光脉冲在玻璃与纤芯之间的界面处引入应变，而不会显著影响纤芯材料的性质。通过受控步骤使光纤位移，并且重复此运动以沿着光纤长度限定周期性调制。这导致布拉格光栅的制作，在通过硅纤芯的纵向反射方面对所述布拉格光栅进行了探索。约每1820nm(对应于8阶光栅)地重复对纤芯区域的周期性调制；其中确定硅折射率值3.4408将产生接近1565nm的光栅，如所测量的。
参照图3A，其示出了通过控制激光脉冲能量定制的不同光栅强度(kL)值的样本FBG光谱。在此具体情况下，样本是首先由康宁玻璃(Corning Glass)制造的行业标准单模光纤(SMF28)。光谱a是在137nJ的激光脉冲能量下在220fs的脉冲持续时间内获得的，而光谱b是在115nJ的激光脉冲能量下获得的。刻写周期可以由用户选择为任何期望值。在图3到图10的以下实例中，其被选择为500条线。
参照图3B，其针对样本示出了Fibercore PS 1250/1500中的7度倾斜FBG，所述FBG在横跨纤芯的长度上具有2mm的线间距差异。倾斜FBG是通过使用本发明的教导制作的，其中长度是受控的。曲线a表示长度为7μm且完全处于纤芯内的倾斜FBG的透射光谱。曲线b表示长度为20μm(这意味着6μm在纤芯的两侧上进入包层中)的倾斜FBG的透射光谱。曲线c表示长度为40μm(这意味着16μm在纤芯的任一侧上进入包层中)的倾斜FBG的透射光谱。可见，包层模式的强度随着平面延伸到包层中而降低，并且相反随着平面受限于纤芯区域而增加。因此表明本发明的技术能够刻写到包层中，并且表明这在倾斜FBG中如何影响包层模式的强度。因此，对光栅的幅度的控制实现了对包层模式耦合，以及纤芯与包层模式强度的相对强度的控制。
参考图4A，其示出了在如所属领域的技术人员已知的平均折射率的情况下的矩形折射率轮廓。平均折射率为nav＝1/2(nh+nl)，并且折射率差为Δn＝nh-nl。周期由给出，并且平均有效折射率通过以下确定：
A·neff＝dh·nh+dl·nx
A·neff＝dh·(nl+Δn)+dl·nl
其中neff是所暴露光纤对激光辐射的有效折射率，并且
Δn＝nh-nl
参考图4B和图4C，其针对40脉冲/um(图4B)和80脉冲/um(图4C)的折射率差异(Δn在图中被表示为AC)和有效折射率(neff在图中被表示为DC)示出了由刻写过程诱导的相对折射率变化贡献。因此，发明人已经表明，通过增加或减小激光束与如光纤和波导等光学媒体之间的相互作用点处的局部折射率、通过修改脉冲能量修改纤芯材料。
参考图5，其示出了作为刻写平移速度的函数的折射率变化。
参考图6，其针对各种激光能量水平示出了光栅强度(kL)和有效折射率dn随平移速度的变化。
参考图7，其针对脉冲数量/um示出了光栅强度(kL)对脉冲能量，表明对于这种具体光纤材料来说，“理想”脉冲数100脉冲/um指示最大折射率变化峰值。
参考图8，其针对各种脉冲数/um示出了光栅强度对积分通量，从而确认了理想脉冲数100脉冲/um。
参考图9，其示出了光栅强度(kL)的梯度对脉冲数/um，表明100脉冲/um接近理想值。
参考图10A和图10B，其针对16阶光栅光谱示出了在没有明显的装置损耗增加的情况下光栅强度随着写入道次的数量的增加(图10A)并且示出了折射率随着写入道次的数量从37％增加到65％(图10B)。道次的数量是指激光在同一平面上来回扫掠的次数。例如，四道次是指激光跨同一平面扫掠四次，每次都增加折射率变化，直到达到饱和。这些图示出了在不使用PSO的情况下可以如何控制折射率变化以及所述过程如何通过多个道次达到饱和，单个道次的37％折射率到第四道次的65％。应当指出的是，光栅的中心波长未显著改变。
参考图11A和图11B，示出了随着道次数量的平均折射率变化(neff)和经调制折射率变化(dneff)。
参考图12，其示出了用脉冲能量为116nJ的激光以5kHz的重复率通过使用本发明的技术制作的由2000条线构成的10nm啁啾光栅的反射光谱。滤波器置中于工作波长1585nm。因此，表明本发明的技术包括通过改变工作波长控制反射深度TdB。
参考图13，其示出了用脉冲能量为116nJ的激光以5kHz的重复率通过使用本发明的技术制作的由2000条线构成的10nm啁啾光栅的透射光谱。因此，表明了本发明的技术包括通过改变工作波长控制透射深度TdB。
参考图14，其示出了4阶和8阶啁啾FBG。光栅是使用本发明的逐平面新颖方法进行刻写的，线间隔线性地增大，但平面之间的间隔不同，其中4阶装置的平面间隔为8阶装置的一半。在此具体且非限制性的示例中，激光特性被选择如下：能量为约110nJ/脉冲；重复率为约5kHz；并且扫描速度为约50微米/秒。
参考图15，其示出了FBG法布里-珀罗腔反射光谱。激光特性与图14中大致相同，其中间隔为约2mm以产生腔。刻写了两个光栅，由此形成腔，其中所述光栅之间的固定间隔为约2mm。间隔由用户定义并且值不受限制。
以下具体且非限制性的实例描述了通过使用本发明的教导在低损耗多模梯度折射率环化透明光学聚合物(CYTOP)聚合物光纤中产生光纤布拉格光栅(FBG)和法布里-珀罗腔。刻写激光系统(HighQ激光器femtoREGEN)在517nm下通过使用晶体对基本工作波长进行二次谐波转换而工作，从而产生持续时间为220fs的脉冲。使用艾罗德克2轴移动控制模块对光纤移动进行控制。使用安装在另一台上的长工作距离显微镜物镜x50(三丰(Mitutoyo))将激光束聚焦到光纤中。基于这种设置，在不去除外护套的情况下在光纤中诱导折射率修改。
为了找到单峰FBG的正确刻写参数，通过使用本发明的教导刻写了具有置中于纤芯中部的宽度为5μm、15μm和30μm的平面且总FBG长度为660μm或1100μm的光栅。为了避免重叠的折射率平面，通过使用本发明的教导刻写了4阶光栅。使用对接耦合方法将光栅连接到循环器并且使用宽带光源(Thorlabs ASE730)将其照亮。使用光学分辨率为169pm且综合暴露时间为10μs的快速商业光谱仪(IBSEN IMON)对所述光栅的反射振幅光谱进行了测量。光栅峰的数量强烈依赖于所刻写平面的宽度和光栅的长度。具有较宽平面的较长光栅的光谱具有较多峰。平面宽度为5μm且长度为660μm的光栅样本显示出一个单峰。在平面宽度为15μm且总长为660μm的光栅中获得了具有较高强度的单峰。在kL为约0.5的情况下发现折射率变化δn为约5×10-4，其中k是耦合常数，并且L是光栅长度。
对于传感应用和通信系统来说，需要考虑双折射，双折射可能由光纤纤芯的非对称性以及在横向刻写过程期间诱导的任何双折射产生。在源与FBG样本之间使用线性偏光对源的输入偏振状态进行控制，并且在0°到360°的范围内测量了不同偏振角的透射振幅光谱。分别地，对于光栅长度660μm和1100μm来说，归因于双折射的最大波长位移为70pm和130pm(对于平面宽度5μm)、115pm和140pm(对于平面宽度15μm)以及70pm和320pm(对于平面宽度30μm)。在同一平面宽度的情况下，在较长光栅长度下获得了较高双折射。
对于刻写啁啾FBG(CFBG)来说，选择了宽度为15μm的平面以确保强背向反射，同时还提供与平面宽度为5μm的情况下的光谱类似的光谱。总长度为约4.5mm的CFBG由2000个周期组成。对于每个平面，按7.65pm的步长增加光栅的周期，从而产生周期差异AA＝0.0153μm。对于谐振波长居中于1560nm的4阶CFBG来说，初始周期为约2.3μm。
通过刻写光栅长度为660μm且平面宽度为15μm的两个完全相同的4阶FBG，制作了约法布里-珀罗(FP)腔。所述两个FBG在物理上分离3mm的腔长度。
因此，本发明的教导用于使多模CYTOP POF的光栅与较高阶传播模式之间的耦合最小化。刻写了具有不同平面宽度和总光栅长度的光栅，并且发现平面宽度较宽且长度较长的光栅在光谱中具有较多峰。
此外，如上所述，跨纤芯横向地扫描光束以产生2D折射率平面的本发明教导可以用于将激发限制于基本模式，并且使多峰反射以及通常在多模光纤中的布拉格光栅中观察到的多峰反射及其耦合效应最小化，从而反而产生单峰光谱。CYTOP的低损耗优点与本发明的教导一起用于解决用于控制对于高度多模光纤典型的多峰FBG反射光谱的方法。飞秒激光器用于跨光纤纤芯横向地刻写单独的光栅平面，从而产生经修改的2D折射率表、以逐步过程建立光栅并且通过这样做对折射率变化和光栅长度具有完全控制。以此方式，对FBG与较高阶光纤模式之间的耦合程度进行了有效选择和最小化。限制了对最低阶模式的激发。这种逐平面的新颖技术非常适合于通过控制光栅平面间隔产生多重FBG并且用于在CYTOPPOF中刻写在1520nm与1590nm之间工作的FBG传感器阵列。使用了纤芯直径为62.5μm、包层为20μm并且具有提供光纤保护的聚酯和聚碳酸酯外涂层的梯度折射率CYTOP光纤。使用飞秒激光系统(HighQ激光器femtoREGEN)在未去除保护性外涂层的情况下在光纤纤芯的中心中刻写了刻写光栅平面。激光在517nm下工作，从而以2kHz的重复率发射220fs脉冲。出口处的激光脉冲的能量为约80nJ/脉冲。2轴空气轴承平移台系统使光纤相对于激光束移动，所述激光束是使用长工作距离显微镜物镜(x50，NA0.42，三丰)从上方聚焦的。在5μm、15μm和30μm的平面宽度下实现了刻写，并且在每种情况下针对与300个、500个和1000个平面相对应的光栅长度获得了其反射光谱，从而产生一系列短光栅和相对长的光栅。
参考图16A到图16C，其表示使用本发明的新颖刻写技术在低损耗多模梯度折射率CYTOP光纤中刻写的FBG的显微镜图像，其中跨纤芯的中心，平面的宽度为30μm(图16A)、15μm(图16B)和5μm(图16C)。随着光栅长度增加，光栅随着带宽减小而变得更强，如所预期的。为了在可恢复反射率方面对光栅的强度进行比较，在使捕获积分时间保持恒定(10μs)的同时用商业光谱仪(Ibsen I-MON 512，光学分辨率为169.5pm)对所有光栅进行探索。观察到多峰光栅反射光谱强烈依赖于fs激光刻写平面的宽度并且更依赖于光栅长度。清楚的是，平面的长度较长且宽度较宽的光栅更具多模性。通过比较反射光谱，发现具有较短长度的300到500个平面的光栅(光栅长度约0.65mm到1.1mm)展现出显著更少的模式激发，并且在5μm平面宽度下刻写的样本显示出单峰反射光谱。为了评估结果的正确性，用具有高光学分辨率(10pm)的光谱分析仪(爱德万(Advantest)Q8384)对5μm和300平面FBG的反射光谱进行了测量。考虑到可以控制模式耦合是众所周知的，具有光纤的梯度折射率轮廓的光栅的物理属性的组合一起工作以优化光栅波长光谱。当然，仍将存在对光栅的发射条件和照明的敏感性，但是在通常情况下，FBG光谱很少掩埋在噪声中，并且总是可能存在可恢复光谱。结果显示，最好的光栅折衷方案对应于跨光纤纤芯的平面长度为15μm或更少的光栅。在所述光栅上观察到的多峰效应非常小；因此，所述阵列中的光栅的最佳刻写参数对应于平面宽度为15μm或更少的300到500个平面(约0.65mm到1.1mm)。
发明人将FBG阵列用作鲁棒的6m传感软线以对自由-自由金属光束的运动进行直接模式形状捕获。此光纤长度不是限制性的，并且相比于在1550nm下工作的PMMAPOF中的FBG的几cm，传感器阵列可以容易地在60m内工作。
使用上文定义的刻写参数，还在长度为6米的多模梯度折射率CYTOP光纤中刻写了由物理地分离8cm且在1500nm到1600nm的波长范围内在光谱上分离的6个FBG组成的FBG阵列进行了刻写。在未对刻写过程进行主动监测的情况下“离线”写入所述光栅，从而表明所述方法的唯一对准公差。出于两种原因选择了8cm的光栅间距：第一，为了匹配振动光束的实验设置；以及第二，此距离匹配或超过在1550nm下操作的PMMA POF的最大可用光纤长度。在10μs的积分捕获时间内用I-MON 512对由使用本新颖技术刻写的六个4阶FBG组成的阵列的典型FBG反射光谱进行了探索。在1.39nm的半最大值全宽度(FWHM)带宽的情况下，在1529nm、1540nm、1548nm、1560nm、1571nm和1580nm处观察到所述六个光栅的反射响应。每个光栅的长度为约0.65mm，周期A为约2.2μm；使用了光栅周期的小改变来设置每个FBG的工作波长，并且整体刻写时间为约每光栅7分钟(包含任何对准程序)。在纤芯的中心中刻写每个平面，平面宽度为15μm。
还使用约100nJ/脉冲的能量以4kHz的重复率刻写了在单模石英光纤(SMF28)中写入的FBG阵列。FBG阵列由使用本新颖技术刻写的七个4阶FBG组成。每个光栅的长度为约2mm，由周期A为约2μm的1000个平面组成。在1541nm、1548nm、1556nm、1563nm、1568nm、1569nm和1582nm处观察到所述七个光栅的反射响应。
参考图17A和图17B，其表示在通过使用本发明的教导制作的CYTOP聚合物光纤中刻写的光栅平面的实例，其中针对固定脉冲能量关于激光重复率并且针对固定重复率关于脉冲能量示出了光栅平面的深度。可以对每种材料类型进行校正以产生类似的曲线。通过台的运动对宽度和长度进行精确控制。此实例展示了在给定激光能量下折射率变化的深度如何受重复率控制以及在给定重复率下折射率变化的深度如何受脉冲能量控制。所述图表明了对于任何透明材料参数空间矩阵可以如何发展。在所有情况下，激光束被聚焦到光纤纤芯的中心。
参考图18，其表示通过使用本发明的教导在多模POF中制作的长FBG(10mm)的光谱，其中所述光谱是从横跨物理长度超过20m的光纤的短侧(从光纤中的FBG位置起几cm)到长侧获得的，从而显示了强模式混合。
参考图19A到图19C，其表示在FBG的空间幅度和长度受限时的改进光谱，其中仅存在几种模式并且对于5um和300平面光栅来说不存在显著的模式混合标志(图19A)。图19B和图19C分别呈现了5um和500平面光栅和5um和1000平面光栅的FBG的光谱。
参考图20A到图20F，其表示通过使用本发明的教导、基于受控光栅刻写、通过精确空间幅度和光栅长度控制制作的多模CYTOP聚合物光纤中的不同类型FBG的不同实例。具体地说，图20A表示单峰FBG的光谱；图20B表示具有最小化模式混合的FBG的光谱；图20C表示FBG阵列的光谱；图20D表示啁啾FBG的光谱；图20E表示取样FBG的光谱；并且图20F表示FBG法布里-珀罗腔的光谱。这些图表明本发明的技术具有高度灵活性并且能够制作任何类型的FBG。
参考图21A，其示出了通过使用本发明的教导制作的倾斜FBG的图片。如图中清楚示出的，角度可以由用户选择以将光反射到包层中，并且对FBG的空间幅度的控制可以控制包层模式的深度和大小，如上文在图3B中示出的。参考图21B，其示出了光谱，所述光谱示出了图21A的FBG的包层模式。如图所示，产生/所激发包层模式的质量中心也完全由用户控制。
参考图22A到图22C，其示出了较高阶倾斜FBG的光谱，所述光谱示出了根据包层模式波长位置同时在多个光谱位置处产生用于传感液体和气体的包层模式。
参考图23，其表示使用本发明的刻写过程、基于对硅/玻璃界面应力调制的修改在硅纤芯光纤中产生的FBG的光谱。硅纤芯对于激光刻写波长来说是不透明的。
因此，本发明的新颖技术以这样的方式实施以消除在多模光纤中刻写的FBG中观察到的典型的多峰反射和透射光谱并且具有对较低阶模式的最小激发，从而反而产生单峰光谱。建模结果在光栅的谐振波长、模式激发和轮廓方面与所测得FBG光谱匹配，特别是宽度为5μm和15μm的平面，但对于平面宽度为30μm的FBG的轮廓来说存在偏差。在梯度折射率多模CYTOP聚合物光纤中展现了多单峰FBG阵列。所述阵列用于测量在距离聚合物光纤的发射点六米的第一谐振频率处激发的自由-自由金属光束的振动响应。将聚合物传感器阵列的响应与石英FBG传感器阵列的响应进行了比较并且显示出了高达6倍的显著敏感性改善。发明人已经表明聚合物光纤相比于石英光纤可以表现得非常好。因此，可以在多模聚合物光纤中实现FBG传感器阵列，在POF传感器中的多FBG阵列中记录了最长光纤长度。本发明的方法非常灵活，从而实现了用户可选择的布拉格波长、受控光栅强度和光谱轮廓。其提供了一种用POF进行传感的新颖且实用的方式，这尚未通过使用其它POF类型实现。

Claims (23)

1.一种用于刻写周期性图案的方法，其包括以下步骤：
(a)接收多条飞秒激光脉冲光束，每条光束在某个工作波长下具有某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量；
(b)控制所述多条激光脉冲光束的所述脉冲持续时间、通量、焦点大小、焦点形状、轮廓和能量中的至少一个；
(c)将所述多条激光脉冲光束引导到具有光轴的衬底的某个区域上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和应力调制区域中的至少一种；
(d)能够控制地使所述衬底沿着其光轴位移以沿着所述光轴在第一刻写平面上产生所述周期性图案；以及
(e)跨所述衬底产生至少在两个维度上具有受控折射率轮廓的间隔开的平面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制所述激光脉冲光束包括以下中的至少一个：在空间上调制所述激光脉冲光束；垂直于所述光轴跨所述衬底横向地扫描所述激光束；以及在所述衬底中的两种不同材料之间的边界处产生局部折射率变化、微孔和应力诱导区域中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述在空间上调制所述激光脉冲光束包括以下中的至少一个：通过使用光学布置缩放所述光束；以及通过使用空间光束整形器对所述光束进行整形。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述扫描在同一区域上重复以便由此控制折射率变化的水平。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其包括辐照所述某个区域，其中所述辐照以受控的刻写速度执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其包括针对每个刻写平面独立地改变所述刻写速度以便由此修改所述折射率轮廓和/或产生光栅轮廓和/或产生较高阶光栅。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中所述刻写平面包括嵌入所述衬底内部的平面。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其进一步包括能够控制地使所述衬底跨其光轴位移以在与所述第一刻写平面间隔开的另一刻写平面上产生所述周期性图案，其中所述步骤(a)到(e)以某个周期重复，其中每个光栅平面是单独产生的以便由此产生光栅结构。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其中所述能够控制地使所述衬底跨其光轴位移包括以线性或非线性增量控制间隔开的平面之间的线间隔。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其中所述控制所述脉冲持续时间和能量包括针对每个平面跨所述衬底单独地控制所述周期性图案的宽度、深度和长度中的至少一个以便由此控制3D折射率轮廓的形状。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括产生深度和宽度不对称的平面以产生局部双折射。
12.根据权利要求2到11中任一项所述的方法，其中所述在空间上调制所述激光脉冲光束包括使用空间光调制器、具有可变焦点的光学布置以及聚焦透镜布置中的至少一种。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的方法，其进一步包括控制所述飞秒激光脉冲光束的波长范围。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的方法，其中当所述衬底包括光纤时，并且所述衬底的所述某个区域包括以下中的至少一种：仅纤芯、仅包层或纤芯连同包层。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的方法，其包括在所述平面刻写之前相对于所述衬底的光轴以某个角度旋转所述衬底以便由此控制刻写平面相对于所述光轴的角度从而产生倾斜光栅。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的方法，其中所述跨所述衬底产生间隔开的平面包括控制所述平面的长度，由此控制所述平面中的每一个的反射强度。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的方法，其中所述控制所述多条激光脉冲光束的所述能量包括在刻写每个平面之前改变所述能量以控制每个平面的双折射和/或以控制每个平面的位置处的损耗。
18.一种用于在具有光轴的衬底上刻写周期性图案的系统；所述系统包括：
第一光束引导模块，其用于将多条激光脉冲光束引导到所述衬底的某个区域上以便由此在每条光束与所述某个区域之间的相互作用点处选择性地诱导局部折射率变化、微孔和/或应力调制区域，从而在刻写平面上至少在两个维度上产生受控折射率轮廓；
运动控制模块，其用于使所述衬底至少沿着其光轴位移；
控制单元，其连接到所述运动控制模块和激光器，所述控制单元用于控制脉冲持续时间、通量、焦点、轮廓和能量中的至少一个以及受控刻写速度以便由此在所述刻写平面上至少在两个维度上提供折射率轮廓。
19.根据权利要求18所述的系统，其进一步包括用于在空间上调制所述激光脉冲光束的光束整形元件，其中所述光束整形元件包括具有可变焦点的光学布置、聚焦透镜布置、狭缝元件和空间光调制器中的至少一种。
20.根据权利要求19所述的系统，其进一步包括用于朝着所述光束整形元件引导所述飞秒脉冲激光束的第二光束引导模块，其中所述光束引导模块朝着所述衬底的所述某个区域引导来自所述光束整形元件的所述飞秒脉冲激光束。
21.根据权利要求18到20中任一项所述的系统，其包括用于产生在某个工作波长下具有所述某个脉冲持续时间、通量、焦点大小、轮廓和能量的多条飞秒脉冲激光束。
22.根据权利要求18到21中任一项所述的系统，其中控制单元控制所述激光器的工作波长范围。
23.根据权利要求18到22中任一项所述的系统，其中所述运动控制模块被配置成旋转所述衬底。
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