通过飞秒激光诱导的非线性吸收，在叠加的光纤布拉格光栅中产生的梳状光谱的分析

《Optics & Laser Technology》：Analysis of comb-like spectra in superimposed fiber Bragg gratings induced by femtosecond laser through nonlinear absorption

基于超脉冲激光的非线性吸收效应，研究揭示了多周期光纤布拉格光栅（SIFBGs）叠加形成comb-like光谱的机制：五光子吸收诱导折射率调制，不同周期光栅谐频叠加产生密集反射峰，并伴随准Fano共振现象。仿真与实验结果一致，为定制光谱光纤器件提供理论支撑。

　　

Ruilong Lv|Dexing Yang|Yajun Jiang|Chi Liu|Kangzhe Zhao|Jie Zou|Li Shen|Zhenyu Liu|Chun Wang

中国西北工业大学物理科学与技术学院，工业和信息化部光场操控与信息获取重点实验室，陕西光学信息技术重点实验室，西安710129

摘要

本文详细分析了通过飞秒激光非线性吸收效应刻写的叠加光纤布拉格光栅（SIFBGs）所具有的梳状光谱特性。利用五光子吸收过程，可以诱导非线性折射率变化。沿光纤轴传播的两束飞秒激光产生的干涉效应会导致周期性折射率调制，其中包含谐波成分。当具有不同周期的FBGs叠加时，它们的谐波会结合产生一系列新的频率，最终形成具有梳状光谱的SIFBGs。此外，这种叠加效应还会由于长周期光纤光栅（LPFG）与FBG之间的相互作用而引发准Fano共振现象。不同类型光谱的仿真结果与现有实验结果高度吻合，能够准确预测SIFBG的光谱特性。这些发现为工程应用提供了明确且定量的指导，有助于更高效地设计多波长光纤激光器和多通道滤波器。

引言

自1960年激光器发明以来，相关研究不断缩短了单个激光脉冲的持续时间[1]。20世纪90年代，飞秒激光脉冲的出现具有超短持续时间和超高峰值功率，使其在精密三维加工领域得到广泛应用[2]。飞秒激光具有显著优势，包括稳定的加工阈值、最小的热效应、高精度以及与多种材料的兼容性。这项技术促进了在各种透明材料（如玻璃、宝石、光学晶体和光纤）中刻写光栅、波导、微流控通道和光子晶体等光学元件的发展[3]。研究表明，材料的形态变化通常分为三类：平滑的折射率变化[4]、高双折射率调制[5]和微腔形成[6]。在熔融石英（最常用的波导材料）中，通过改变入射激光能量可以简单地调整这些形态。例如，掺锗石英光纤的典型带隙能量为7.1 eV；而800 nm飞秒激光的光子能量约为1.56 eV[7]。在掺锗石英光纤中刻写光纤布拉格光栅（FBGs）时，五个光子的总能量（7.8 eV）被价电子非线性吸收，电子随后跃迁到导带。在较低激光能量下，会产生各向同性的折射率变化（类型I）；这种变化在800°C的温度下可以完全消除。而在较高激光能量下，由于高脉冲能量，会产生高双折射率调制甚至微腔结构（类型II），并且在高达1000°C的温度下仍能持续存在[8][9]。 传统的FBG刻写方法主要是将光敏光纤暴露在紫外（UV）激光下，这一过程可以用色心模型来解释[10]。FBGs的轴向折射率变化通常表示为余弦函数[11]。叠加FBGs（SIFBGs）是在光纤同一位置刻写多个具有不同周期的光栅的多波长FBG结构。这种多波长FBG在光学滤波器[12][13]、多波长光纤激光器[14][15][16]、分布式布拉格反射器[17]和光纤传感[18]等应用中具有显著优势。在传统的UV激光刻写方法中，每次刻写都会产生一个新的反射波长，该波长位于现有FBG反射波长附近[19]。因此，当需要多个反射波长时，刻写步骤会显著增加。使用UV刻写方法刻写的SIFBGs的光谱密度明显低于飞秒激光刻写的结果。基于UV采样相位掩模的交错采样光栅也可以产生梳状反射光谱[20]。与UV方法相比，飞秒激光叠加FBG方案不依赖于材料的光敏性，因此几乎可以在所有类型的光纤中刻写光栅，并且刻写的光栅在高温和恶劣环境中的稳定性更高。此外，交错光栅刻写需要专门设计的相位掩模和移动的光纤，而飞秒方法只需更换不同周期的相位掩模或拉伸光纤，操作更为简单，所需工作量也更少。飞秒激光已被广泛用于利用双光束干涉[21]、直接写入[22]和相位掩模[23]方法刻写耐高温FBGs。通过使用飞秒激光和相位掩模方法的双次曝光，已经成功刻写了具有梳状反射峰的强SIFBGs[24]；然而，控制SIFBGs形成的具体机制尚未得到充分分析。 在本文中，我们详细分析了通过飞秒激光非线性吸收效应刻写的SIFBGs的梳状光谱特性。我们揭示了SIFBG中频率梳产生的根本机制。飞秒激光与介电材料相互作用过程中发生的多光子吸收效应对于生成SIFBG的梳状光谱至关重要。这一现象将谐波引入周期性折射率调制中。当具有不同周期的FBGs叠加时，它们的谐波会结合产生一系列新的频率，最终形成梳状光谱。随着叠加FBGs数量的增加，SIFBG中的反射峰数量显著增加。这些反射峰呈等间距分布，其间距可以通过改变叠加FBGs的周期来轻松调节。此外，我们还观察到由于长周期光纤光栅（LPFGs）与FBG之间的相互作用，在SIFBGs中出现了准Fano共振现象。

飞秒激光微加工机制

飞秒激光是超短脉冲激光，其特点是峰值功率极高且加工阈值稳定，这使得非线性吸收局限于材料中的聚焦区域。当飞秒激光聚焦在材料上时，价带中的电子通过非线性光电离作用被激发到导带，主要涉及两种激发机制：光电离和雪崩电离[25]。光电离表现为两种形式：

原始频率的组合

当使用飞秒激光刻写的两个FBGs在光纤中叠加时，产生的频率不仅仅取决于它们的频率差。特定位置的折射率调制由最大值决定，即max{δn₁(z), δn₂(z)}。max函数的非线性特性导致复杂的光谱轮廓。因此，最终的折射率调制在δn₁(z)和δn₂(z)之间交替变化以达到这个最大值。

结论

本文详细分析了通过飞秒激光非线性吸收效应刻写的SIFBGs的梳状光谱特性。主要解释是飞秒激光对光纤芯的非线性吸收会导致FBG折射率调制中的谐波现象。频率分量与布拉格衍射峰之间的关系由相位匹配条件决定，并提出了一种用于多叠加FBGs的光谱预测方法。 Ruilong Lv：撰写——初稿、方法论、形式分析、概念化。 Dexing Yang：撰写——审阅与编辑。 Yajun Jiang：撰写——审阅与编辑。 Chi Liu：数据管理。 Kangzhe Zhao：实验研究。 Jie Zou：项目监督。 Li Shen：结果验证。 Zhenyu Liu：资金获取。 Chun Wang：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了秦创原“科学家与工程师”团队建设项目[2025QCY-KXJ-042]和国家自然科学基金[62075182]的支持。