超快激光關鍵器件——CFBG的國產化進程

作者：Huaray 更新時間：2024-03-26 點擊數：

飛秒激光是指脈沖寬度在飛秒（10^-15秒）量級的激光，由于其峰值功率極高、持續(xù)時間極短，在3C產業(yè)(包括計算機、通信和消費電子產品)、增材制造、精準醫(yī)療、微納加工、超快檢測等領域擁有廣闊的應用前景，如圖1所示。超快激光（含飛秒及皮秒）市場規(guī)模每年以高出激光行業(yè)整體增速數倍的速度增長，據《2021中國激光產業(yè)發(fā)展報告》數據顯示，2020年國內從事超快激光器研發(fā)生產的企業(yè)超過25家，預計2021年國內超快激光器市場規(guī)模將超過31億元。

啁啾脈沖放大(Chirped pulse amplification, CPA)技術是當前工業(yè)飛秒激光技術的主流路線，其基本原理如圖2所示，振蕩器輸出的飛秒脈沖通過展寬器將脈寬展寬為數百皮秒，經過放大器提升能量后再使用壓縮器將脈沖壓縮回飛秒量級，從而獲得高能量高功率飛秒激光脈沖。

展寬器的類型多種多樣，常見的有基于平面光柵對（或等效光柵對）的Offner型或Martinez型展寬器、啁啾布拉格光柵(Chirped fiber bragg grating, CFBG)、單模光纖等，其性能及成本對比如表所示。CFBG具有展寬量大、壓縮性較好、尺寸小、成本低的綜合優(yōu)勢，是超快激光器不可或缺的器件。雖然國內部分科研院所及公司已經投入研發(fā)，但是目前該器件主要依賴從加拿大Teraxion公司進口，價格高昂、供貨周期較長，不利于飛秒激光的大規(guī)模應用，更為關鍵的是，面對百年未有之大變局，國際形勢波詭云譎，關鍵器件依賴進口有被卡脖子的風險。

為實現超快激光器關鍵器件國產化，突破CFBG器件技術瓶頸，深圳技術大學科研團隊在國家自然科學基金及深圳市高層次人才項目支持下，積極搭建CFBG刻寫系統，并取得了初步成果。

CFBG刻寫原理：CFBG刻寫原理示意圖，激光器輸出的紫外激光經過空間濾波、光束整形后過濾高階模式以及雜散光，得到較為純凈、均勻的光束；經過擴束系統后得到所需光斑尺寸的準直光束；為實現切趾功能，準直光束之后安裝切趾控制模塊；經過切趾控制模塊后的準直光束經過平凸柱透鏡聚焦后到達相位模板，相位模板的±1級衍射干涉形成條紋照射到載氫后的光敏光纖上，當該干涉條紋照射光纖纖芯一定時間后，明條紋照射處的折射率將上升，明暗條紋也相應地調制到光纖纖芯中，形成布拉格光柵。

CFBG刻寫系統

參照上述刻寫原理，深圳技術大學研制的CFBG刻寫系統，該系統含有六大模塊，分別為紫外激光器模塊、紫外光路模塊、相位模板、光纖加持模塊、自動化控制模塊及在線檢測模塊。

其中，自動化控制模塊通過設置光開關實現自動控制刻寫過程激光照射的時間，實現在紫外光照射過程中光束沿相位模板及光纖掃描。通過對高精度電動平移臺的編程控制，精準調節(jié)光束掃描的速度、加速度、運動距離等，從而實現CFBG調制深度、切趾函數的調節(jié); 為便于實時監(jiān)測光柵刻寫進度，配置了在線檢測模塊，由1030 nm波段的保偏ASE光源、光譜儀、消光比測試儀、分光元件等組成。

CFBG刻寫結果

基于上述CFBG刻寫系統，進行了樣品試制，下圖是刻寫的CFBG樣品照片，及 CFBG樣品光譜及色散參數，中心波長1030.65 nm，光譜帶寬為11.7 nm（半高全寬）

搭建了全光纖CPA系統，采用了華日激光生產制造的光纖鎖模振蕩器輸出參數為~40 MHz重頻、10 mW平均功率、1033 nm中心波長、~3 ps脈寬，經過該CFBG后脈寬展寬至~130 ps，經隔離器保護后進入一級光纖放大器，然后進入Treacy型雙光柵（透射光柵）壓縮器，光柵刻線數為1000 lines/mm，入射角為利特羅角，光柵斜距約為1 m，脈寬壓縮測試結果如圖所示，脈寬為539 fs，脈沖干凈無旁瓣，初步證明了該CFBG在超快激光領域應用的可行性。