超快激光關(guān)鍵器件——CFBG的國產(chǎn)化進(jìn)程
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、持續時(shí)間極短，在3C產(chǎn)業(yè)(包括計算機、通信和消費電子產(chǎn)品)、增材制造、精準醫療、微納加工、超快檢測等領(lǐng)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(chǎng)規模每年以高出激光行業(yè)整體增速數倍的速度增長(cháng)，據《2021中國激光產(chǎn)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(chǎn)的企業(yè)超過(guò)25家，預計2021年國內超快激光器市場(chǎng)規模將超過(guò)31億元。
啁啾脈沖放大(Chirped pulse amplification, CPA)技術(shù)是當前工業(yè)飛秒激光技術(shù)的主流路線(xiàn)，其基本原理如圖2所示，振蕩器輸出的飛秒脈沖通過(guò)展寬器將脈寬展寬為數百皮秒，經(jīng)過(guò)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(lèi)型多種多樣，常見(jiàn)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(jīng)投入研發(fā)，但是目前該器件主要依賴(lài)從加拿大Teraxion公司進(jìn)口，價(jià)格高昂、供貨周期較長(cháng)，不利于飛秒激光的大規模應用，更為關(guān)鍵的是，面對百年未有之大變局，國際形勢波詭云譎，關(guān)鍵器件依賴(lài)進(jìn)口有被卡脖子的風(fēng)險。
為實(shí)現超快激光器關(guān)鍵器件國產(chǎn)化，突破CFBG器件技術(shù)瓶頸，深圳技術(shù)大學(xué)科研團隊在國家自然科學(xué)基金及深圳市高層次人才項目支持下，積極搭建CFBG刻寫(xiě)系統，并取得了初步成果。
CFBG刻寫(xiě)原理：CFBG刻寫(xiě)原理示意圖，激光器輸出的紫外激光經(jīng)過(guò)空間濾波、光束整形后過(guò)濾高階模式以及雜散光，得到較為純凈、均勻的光束；經(jīng)過(guò)擴束系統后得到所需光斑尺寸的準直光束；為實(shí)現切趾功能，準直光束之后安裝切趾控制模塊；經(jīng)過(guò)切趾控制模塊后的準直光束經(jīng)過(guò)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(shí)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(xiě)系統
參照上述刻寫(xiě)原理，深圳技術(shù)大學(xué)研制的CFBG刻寫(xiě)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(dòng)化控制模塊及在線(xiàn)檢測模塊。
其中，自動(dòng)化控制模塊通過(guò)設置光開(kāi)關(guān)實(shí)現自動(dòng)控制刻寫(xiě)過(guò)程激光照射的時(shí)間，實(shí)現在紫外光照射過(guò)程中光束沿相位模板及光纖掃描。通過(guò)對高精度電動(dòng)平移臺的編程控制，精準調節光束掃描的速度、加速度、運動(dòng)距離等，從而實(shí)現CFBG調制深度、切趾函數的調節; 為便于實(shí)時(shí)監測光柵刻寫(xiě)進(jìn)度，配置了在線(xiàn)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(xiě)結果
基于上述CFBG刻寫(xiě)系統，進(jìn)行了樣品試制，下圖是刻寫(xiě)的CFBG樣品照片，及 CFBG樣品光譜及色散參數，中心波長(cháng)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(chǎn)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(cháng)、~3 ps脈寬，經(jīng)過(guò)該CFBG后脈寬展寬至~130 ps，經(jīng)隔離器保護后進(jìn)入一級光纖放大器，然后進(jìn)入Treacy型雙光柵（透射光柵）壓縮器，光柵刻線(xiàn)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(wú)旁瓣，初步證明了該CFBG在超快激光領(lǐng)域應用的可行性。
總結
自研的CFBG刻寫(xiě)系統成功地刻寫(xiě)出CFBG樣品，并在全光纖CPA系統中得到初步應用，后續將持續優(yōu)化該系統，實(shí)現高階色散可調控、波長(cháng)可拓展、光電一體小型化等重要目標。位卑未敢忘憂(yōu)國，事成仍需再赤膊，愿與國內同仁一起努力，為我國高端裝備關(guān)鍵器件的自主化貢獻綿薄之力。
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