原创 赵聪 光电汇OESHOW2025年04月16日 16:01 上海作为现代光子技术的核心元件，光纤光栅的温度稳定性直接决定其在极端环境下的工程适用边界。随着工业4.0与深空探测的发展，传统紫外激光光栅在高温场景（＞300℃）的性能衰减问题日益凸显。通过飞秒激光直写技术制备光纤光栅，能将其工作温度上限提升至1800℃（基于蓝宝石光纤光栅），这一跨越式的突破，背后有着怎样的奥秘？一、光纤光栅的妙用光纤布拉格光栅（以下简称"光纤光栅"）是通过周期性调制光纤轴向折射率形成的核心光子器件。凭借独特的波长选择特性，这类器件在光纤传感、光通信系统及光纤激光器等领域展现出重要应用价值。特别是在分布式光纤传感领域，光纤光栅阵列已发展成为智能工程结构健康监测的关键技术，成功应用于桥梁、大坝、飞行器、船舶、矿井等重大基础设施的实时状态监控。全同弱反射光栅阵列（反射波长一致、反射率低于万分之一）通过增强光纤散射强度，显著提升了分布式声波传感（DAS）、分布式温度传感（DTS）及光频域反射（OFDR）系统的核心性能指标，包括测量精度、有效探测距离与空间分辨率。当前主流的大规模光栅阵列制备技术涵盖三类：基于光纤拉丝塔的紫外激光双光束干涉技术、紫外激光掩膜技术，以及飞秒激光直写全自动制备技术。紫外激光光纤光栅通常只能在200℃以下的环境中使用，而飞秒激光制备的光纤光栅则能承受更高的温度。通俗地讲，光纤本身能耐受多高的温度，那么飞秒激光制备的光纤光栅就能够耐受多高的温度。例如，聚酰亚胺涂层光纤光栅可耐温至350℃，而蓝宝石光纤光栅的耐温可达到1800℃以上。深圳大学王义平教授团队实验数据显示，基于飞秒激光制备的蓝宝石光纤光栅能够在1500℃的环境下稳定工作超过1000小时。二、制备机理的本质差异01 紫外激光制备（1）制备原理掺杂光敏元素（如锗、磷等）的光敏纤芯经过载氢处理后，能够显著增强其光敏性。光敏元素的掺杂不仅提高了光纤对紫外光的吸收能力，还通过改变局部电子态增强了光致反应的效率。载氢处理则通过将氢分子扩散到光纤中，进一步增加紫外光照射下的缺陷生成效率。此时，利用紫外激光曝光可以引发光纤中折射率的周期性调制，从而形成光纤光栅。（2）光栅退化机理在紫外激光的作用下，光纤中的硅氧网络发生光致变化，锗掺杂区域和氢分子的相互作用导致局部电子态的改变，同时紫外光的高能量破坏硅氧键，生成氧空位等微观缺陷。这些缺陷的产生是折射率周期性调制的关键来源。当温度升高时，光纤中的热运动增强，氧空位等缺陷可能通过热激发发生迁移或修复。作为光纤光栅中折射率调制的关键来源，氧空位本身具有较弱的热稳定性。在300°C以上的高温环境中，氧空位的迁移和修复过程尤为明显，导致光纤光栅的折射率调制效果减弱，性能逐渐衰退。这种高温下的缺陷修复通常是不可逆的，是光纤光栅在高温应用中性能衰退的主要原因。02 飞秒激光制备飞秒激光制备光纤光栅的过程与紫外激光制备光纤光栅的机理有显著差异。飞秒激光（脉宽fs-ps量级）由于其脉冲持续时间极短，在光纤中引发的热效应极为局部且短暂。激光脉冲的超高峰值能量使得光纤局部区域的温度瞬间升高，但持续时间极短，热效应仅局限于极小的空间范围，且不会引起大范围的材料结构变化。因此，飞秒激光光纤光栅的形成主要通过非线性光学效应（如多光子吸收、雪崩电离等）引起折射率变化，而非通过破坏材料结构或引入缺陷。具体来说，飞秒激光制备的光纤光栅在高温下的稳定性主要体现在以下几点：（1）非线性光学效应稳定性飞秒激光通过非线性光学效应引发的折射率变化比紫外激光制备的光纤光栅更为稳定。这是因为非线性效应直接将电子从价带激发至导带，产生局部等离子体并引发微观结构改变，而不是依赖于缺陷的生成和迁移。飞秒激光刻写后玻璃网络重构所形成的高熔点微结构具备一定的高温稳定性。因此，即使在高温环境下，飞秒激光引起的折射率调制仍然能够保持稳定。（2）局部热效应避免全局退火由于飞秒激光脉冲时间极短，热效应仅限于光纤中的小区域，因此即使在高温环境下，这些区域不会经历与紫外激光制备方法相同的全局退火效应。因此，飞秒激光制备的光纤光栅不仅能承受较高的温度（单模石英光纤光栅可达800°C及以上），而且在高温条件下具有更好的长期稳定性。三、技术特征与应用场景解析01紫外激光制备（1）优点技术成熟：紫外激光制备光纤光栅的技术已经非常成熟，工艺稳定且应用广泛。参数可调性强：通过调节激光参数（如能量、曝光时间等），可以精确控制光纤光栅的周期和折射率调制深度。兼容性强：适用于多种标准光纤（如掺锗石英光纤），且对光纤材料的要求较低。（2）缺点高温稳定性差：在高温环境下（尤其是超过300°C时），光纤光栅的性能会显著衰退，主要由于氧空位等缺陷在高温下的迁移和修复。长期稳定性受限：光纤光栅的性能依赖于缺陷的生成，而这些缺陷在长期使用中可能逐渐退化，影响光栅的稳定性。（3）适用场合适用于对温度要求不高、成本敏感的应用场景，例如低温环境下的光纤传感器、通信设备以及实验室研究。02 飞秒激光制备（1）优点高温稳定性优异：飞秒激光制备的光纤光栅能够在800°C（蓝宝石光纤光栅1800°C）甚至更高的温度下稳定工作，适合极端环境。抗退火性强：由于折射率调制主要依赖于非线性光学效应而非缺陷生成，飞秒激光光栅在高温下不易发生退火效应。局部性控制精确：飞秒激光的极短脉冲和高峰值能量使其能够在光纤中实现高度局部的折射率调制，提高了光栅的可靠性和精度。（2）缺点制备成本高：需要高功率飞秒激光器和精密的光学控制系统，设备成本和维护费用较高。工艺复杂性高：非线性光学效应可能导致折射率调制的复杂性增加，对工艺参数的控制要求较高。（3）适用场合适用于高温、极端环境下的应用，例如航空航天、深海探测、高温工业传感以及核反应堆监测等领域。摘要：原创 赵聪 光电汇OESHOW2025年04月16日 16:01 上海作为现代光子技术的核心元件，光纤光栅的温度稳定性直接决定其在极端环境下的工程适用边界。随着工业4.0与深空探测的发展，传统紫外激光光栅在高温场景（＞300℃）的性能衰减问题日益凸显。通过飞秒
来源：小玉科技观
