FBG布拉格光纤光栅制备方法综述
早在1978年，加拿大的希尔博士小组使用 488 nm 的氩离子激光，从1米长掺锗光敏光纤端面注入，利用端面反射形成的驻波，在掺锗光敏光纤中缓慢诱导出了FBG布拉格光栅(耗时约几分钟时间），当时并未命名为FBG布拉格光纤光栅，而是暂命名为希尔光栅。
图1. 希尔博士与希尔光栅的制备
其制备与检测的实验架构如图1，一台平均输出功率为瓦级的488nm水冷氩离子激光经过可调衰减器（调变激光功率并统计激光功率，辐照时间与内写效果的函数关系）和50x物镜聚焦进入长度为1米的掺锗光敏光纤端面；由于这1米长的光纤输入端和输出端均具备一定的反射率，也就相当于距离为1米的具备一定反射能力的两面反射镜，所以经由这两个端面的反射会在光敏光纤内形成驻波，驻波的波结位置（即那些功率密度极大的点位）经观察会将当前位置的光敏材料逐渐改性（逐渐改变了当前所有驻波点位的折射率/透射率与反射率）；此变化的观察工具是放置于光敏光纤输入口与输出口的两台激光功率计。激光功率计监测数据表明1米光敏光纤的透射信端信号逐渐降低，而光敏光纤的反射端信号逐渐增强。经过数分钟的时间，获得了在488nm可见光波长下具备90%永久性反射率的光栅（这就是最初的FBG布拉格光栅），但当时暂命名为希尔光栅。后续测试该布拉格光栅的带宽非常窄（200 MHz），与其光纤长度数据1米完美匹配。而FBG光栅强度随氩离子激光光强度的平方而增加，这被推测为其形成机制可能是双光子过程。很显然，双光子效应产生的几率很低，所以FBG光栅的制备效率不高。而且注意此时FBG光纤反射波长仅取决于刻写激光波长，并不能做到其他波长点，且光敏光纤曝光后的全长度都是FBG结构，很难再做熔接等后续工作，所以并不具备实际的应用意义。希尔博士文章发表后长达11年在学术界并未有大的波澜。
2、244nm紫外CW激光全息成像侧面辐照法：
1989年，较大的进展出现了，论文由美国Meltz小组发表。思路很直接，既然488nm激光在光敏光纤内产生双光子效应的几率很低，研究者就会思考能否用244nm倍频氩离子激光的单光子效应直接制备出FBG布拉格光栅。但此时请注意244nm的紫外光是无法在光敏光纤内传输的，所以方法1的驻波内写制备法不可行。因此才有了如图2的紫外干涉条纹的全息成像侧面辐照制备法。
图2. 紫外双光束形成干涉条纹侧面辐照光敏光纤制备法
如图2. 将一束瓦量级488nm水冷氩离子激光增加倍频晶体获得一束几十毫瓦量级的244nm紫外激光（UV laser Beam)，经一个50%/50%分束器分为相干的两束光，然后经过若干紫外反射镜和一个柱面透镜，最终在待加工光敏光纤的侧面形成一段全息成像的干涉条纹（一般设计为若干厘米），经过一定时间曝光（若干秒），此紫外干涉条纹即在光敏光纤的全息成像曝光段制备出永久性的FBG布拉格光栅。事后证明该紫外辐照与固化的过程能对应着掺锗光敏光纤在5 eV（245 nm）锗氧空位缺陷能级区。
此方法的优点是：
此方法也有一定的缺点：
此论文的发表明显激起了同行的兴趣，自此后，FBG制备技术有有了诸多的探索与进展，比如说：
如前所言， 以1989年发表的紫外激光架构干涉光路侧面辐照光敏光纤法在工业应用上有一定的不便之处：
此后多个实验室跟进做了不同的尝试，其中也包括了我们熟悉的希尔博士小组，在1993年，加拿大希尔博士小组与美国贝尔实验室安德森博士小组几乎同时发表了对FBG工业生产影响巨大的紫外激光加掩板侧面辐照法，并在短短几年内确立为工业制成FBG布拉格光纤光栅的主流制备手段：
图3. 紫外激光加掩模版FBG制备法
如图3 相位掩模（即图中英文 Silica Glass Phase Grating) 是由对紫外光透明的硅玻璃（石英片）制成。在硅玻璃（即石英片）其中一个平面表面上，采用光刻技术蚀刻出一维的周期性表面条纹浮雕结构。该周期性图案的截面轮廓近似于方波（Grating Configrations) 。 垂直入射于相位掩模上的紫外光（Incident Ultraviolet Light Beam)穿过并被相位掩模上的周期性波纹结构衍射。通常，大部分衍射光包含在一级衍射级次中。待加工光纤Optical Fiber与相位掩模板平行，且与相位掩模版上的波纹结构距离保持很近(一般距离在若干um），这样的好处是激光自身的相干长度只要保持um以上即可满足相位掩模产生稳定的若干微米间隔全息干涉条纹，并投影到待加工光纤上稳定的辐照出FBG结构.
补充说明：
掩模法也不是没有缺点：
针对掩模板固定周期的这个问题，自然也涌现出不同的解决方案。
以希尔博士小组本身就在同年演示了紫外激光逐点加工法，原理超级简单，就是将激光汇聚为一点，而待加工光纤装卡在一维步进电机扫描台上，根据设计好的周期，在光纤上逐点加工出FBG结构。好处当然是可以随意改变周期，乃至一根光纤上也可精确加工出变周期FBG结构。优点是有，但缺点更多：如加工耗时更久，不适合做短周期结构（因为步进电机的可重复扫描定位精度约2um)。
而从工艺角度看，解决一个掩模板仅对应一个固定的FBG工作波长有一个简单有效的解决方案：
即利用光纤本身在受力下具备一定的可延展性，且应变系数是固定值；换言之是施加拉力与光纤伸长量线性相关。工艺简单，在紫外曝光前对光敏光纤施加一定拉力，然后掩模法紫外曝光制备出FBG结构。当拉力释放后光纤尺寸自然回弹，所以FBG周期也跟着光纤总尺寸回弹等比例减小，如此简单的达成了FBG工作中心波长向短波微小频移的目的（一般可达成1-2nm）；以此方法可在制备有限数量掩模板的情况下，适配多得多的FBG工作波长点。一个更为极端的例子是光纤一端挂着一组砝码（精确控制本次紫外曝光期间的预拉力（也对应着一个特定的伸长量）；光纤另一端是一个步进马达（马达的卷绕使得光纤n个不同分段分别被紫外曝光刻录下n个FBG结构。请注意，这n次不同位置紫外曝光时施加的拉力是不同的。那么当FBG光栅制备完毕，释放拉力时，光纤整体回缩到初始长度。现在观察这n段不同的FBG结构。当初刻录过程中预应力最大的回缩比例最大（也就此FBG周期缩短量最大），同理，预应力最小的回缩比例最小（也就此FBG周期缩短量最小）；所以说本例演示了用同一个掩模板，同一个紫外激光辐照，同一根光纤，通过预拉力的精确控制，精确控制制备了n个不同周期的FBG光纤光栅。
使用固定周期的掩模板且紫外激光均匀辐照下，用OSA检测最终获得的FBG布拉格光栅可观察到主峰两边位置会出现旁瓣，虽然旁瓣虽然通常幅度较低，但在注入密集波分复用DWDM等场合还是会串扰到相邻信道。所以引出来旁瓣消除所谓“切趾”处理Apodization； 一般可通过设计制造变周期掩模板或者对原本平顶功率分布的紫外照明光源做光束整形（把两边的曝光功率减小）达成切趾Apodization的目的。
4、激光直写法：
前一小节已经提及希尔博士在1993年已演示过激光直写法，即将激光聚焦到一点，从侧面辐照光纤的一点，利用步进扫描台逐点定位，逐点加工FBG结构。
激光直写的优点突出：
激光直写的一些局限：
附录1. 本文涉及的一些FBG制备用激光器以及选择的要点。
对于现代用户而言，本文涉及的水冷氩离子激光器可完全不考虑。水冷氩离子激光器体积大，能耗高，寿命短，唯一优点是初始采购金额相对较低。现在已经被全固态激光器完全取代。
本文涉及的248nm KrF氟化氪准分子激光器与193nm ArF氟化氩准分子激光器。
示例是德国ATL公司的ATLEX-FBG准分子激光器和设备参数
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准分子气体 |
ArF |
KrF |
单位 |
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波长 |
193 |
248 |
nm |
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高压开关技术 |
固态开关 |
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|
|
最大脉冲能量 |
8 |
15 |
mJ |
|
稳态脉冲能量 |
4 |
8 |
mJ |
|
稳态平均功率 - ATLEX-300-FBG |
1.2 |
2.4 |
W |
|
稳态平均功率 - ATLEX-500-FBG |
2 |
4 |
W |
|
最高重复频率 - ATLEX-300-FBG |
300 |
Hz |
|
|
最高重复频率 - ATLEX-500-FBG |
500 |
Hz |
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|
脉冲宽度 |
5 - 8 |
ns |
|
|
光斑尺寸 (V x H) |
4 x 6 |
mm |
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激光发散角 (V x H) |
1 x 2 |
mrad |
|
|
能量稳定性 (Stand. Dev.) |
< 2 |
% |
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|
激光器尺寸 (L x W x H) |
540 x 470 x 370 |
mm |
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|
激光器重量寸 |
60 |
kg |
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|
冷却形式 |
风冷/水冷 |
|
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电源需求 |
230VAC / 10 A / 50-60 Hz / 单向电 |
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ATLEX-FBG设备参数
本文涉及的213nm全固态激光器(以德国Xiton公司为例）
从FBG制备而言，深紫外全固态激光器的激光采购价格固然高于准分子激光器，但是全固态激光器完全免维护，激光工作寿命超1万小时是其突出优点
一般而言，Xiton公司的Impress 213是FBG刻写的常用型号，通常匹配相位掩模板，B/Ge光纤，无需载氢。
部分客户选择无相位掩模板而自己架构全息干涉光路，则建议选用相干长度高达1.5米的SLM-213
 Impress-3
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 SLM-213 |
213nm全固态激光器参数表
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型号 |
Impress 213 |
SLM 213 |
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波长 |
213nm |
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平均功率 |
150 mW |
100 mW |
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脉冲宽度 |
6-8 ns |
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单发能量 |
15μJ |
10μJ |
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重复频率 |
1-15 kHz |
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M² |
<1.6 |
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相干长度 |
NA |
1.5米 |
13810233784
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