图1紫外飞秒激光+相位掩模版的CFBG刻写系统及封装后的CFBG

该团队首次提出紫外飞秒激光结合相位掩模技术刻写CFBG的方法，并搭建了相应的刻写系统（图1）。利用载氢光敏光纤对紫外激光的超高光敏性，大幅提升了写入效率并降低了能量需求。同时，利用高峰值功率飞秒激光与石英材料作用中的多光子吸收、光致电离等非线性过程，诱导光纤中永久的Type Ⅱ型折射率变化，有效地提高写入光栅的热稳定性。他们基于257 nm紫外飞秒激光器在载氢保偏光纤上实现了高质量CFBG的刻写，其中心波长为1031.7 nm，3 dB带宽为11.97 nm，最大反射率接近100%，11 nm带宽内的平均反射率可达98.3%，各波长反射率方差σ²低至0.00003，表明反射光谱具有超高的平坦度。在图2所示的线性坐标下，整个反射带内的反射率仅出现了很小的波动，展现了紫外飞秒+相位掩模版刻写CFBG的稳定性和高度一致性。

值得一提的是，该系统刻写CFBG所需的脉冲能量仅为2 nJ，如表1所示，相比于此前已报道的CFBG刻写所需最低能量低了一个数量级；同时，刻写12 cm长的CFBG仅需240 s，表明了该刻写系统的能耗-时间高效性。将所刻写的CFBG在300℃高温下加热12 h后，其反射光谱及反射率特性几乎未发生变化，体现了所刻写CFBG的高热稳定性。

图2 CFBG反射/透射光谱

表1 已报道的不同波长飞秒激光写入的FBG/CFBG特性对比

该团队还提出了一种基于偏振干涉的PMF-CFBG色散测量方法，如图3所示，利用光纤起偏器（POL）和偏振控制器（PC）将入射自然光转换为圆偏振光，以使得保偏光纤快慢轴之间的光强分布近乎相等。由于保偏光纤固有的双折射属性，快慢轴反射的光会具有一定的光程差，因此，可在反射光谱上观测到干涉条纹。另一方面，由于CFBG的群速度色散特性，不同波长会引入不同的额外相移。因此，可以通过从频谱中提取相位差来解调时间延迟，进而可以获得CFBG的各阶色散特性。如图4所示，利用该方法测得CFBG的群延迟色散（GDD）高达-61 ps2。利用该CFBG可将3.1 ps的锁模种子源展宽至约1.2 ns。同时，得益于所刻写CFBG的高反射率，整个拉伸系统具有较高的运转效率，总传输效率接近80%，近20%的能量损耗主要来源于光纤环行器和熔接损耗(~0.7-0.9 dB)。此外，由于所刻写的CFBG具有超高的光谱平坦度，被展宽脉冲的原始光谱信息基本实现了无失真的传输，即便是细小的光谱抖动，也被很好地保留下来，这体现了所刻写的CFBG在高效全光纤CPA系统中的巨大潜力。

图3基于偏振干涉法的保偏CFBG GVD测试系统

图4CFBG群时延特性以及在光纤CPA系统中的脉冲展宽特性

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总结与展望

紫外飞秒激光+相位掩模干涉技术CFBG刻写法具有系统结构简单、刻写效率高以及能量需求低等优势，利用这种刻写方法，将CFBG刻写在大模场双包层光纤中，有望消除传统光纤CPA系统对体光栅的需求，实现紧凑、可靠的全光纤化CPA系统。利用该方法所刻写的CFBG在反射率、光谱平坦度以及热稳定性等指标方面有显著提升，可以有效提高系统运转效率并减少光谱信息失真，这一特性使得它在级联高功率CPA系统中具有不可替代的优势。目前该团队和杭州光潋科技有限公司已开始研发可耐受功率50瓦以上的大模场CFBG以及2微米和3微米波段的中红外CFBG。综上，该超平坦、高反射率、大色散量啁啾光纤光栅的研发以及高效、低能耗的CFBG刻写系统的设计，为实现核心光纤元器件的国产自主化做出了积极贡献。目前该类型CFBG已形成产品，有望打破国外对高性能CFBG的市场垄断。

论文链接：

1.Senyu Wang, Jinlong Wan, Hao Lei, Liang Zhao, Hongyu Luo, Jianfeng Li, High reflectivity, ultraflat-spectrum chirped fiber Bragg grating written using low energy UV femtosecond pulses, Optics & Laser Technology, Volume 176, 2024, 111035,

2. Ouellette Fraņois, Fei Yao, Jie Wang, and Jianfeng Li, A Simple Method to Measure the Group Delay of Chirped Fiber Gratings in Polarization-Maintaining Fiber, inOptica Advanced Photonics Congress 2022, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2022), paper BTh3A.3.

编辑 | 徐睿

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