高功率光纤激光器中少不了光纤光栅的使用。光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的无源器件。

光纤光栅的制作方法目前主要包括：光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法等。

根据周期的大小可以分为：短周期光栅和长周期光栅。短周期光栅的周期在亚微米量级，一般是反射型光纤光栅；长周期光栅的周期在亚毫米量级，一般是透射型光纤光栅。作为一种新型无源器件，光纤光栅在诸多领域有着广泛的应用。

图1 光纤激光器结构示意图

光纤光栅在光纤激光器中的应用主要有2个方面，包括：

1）作为腔镜使用的光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅具有波长选择特性，其主要用作光纤激光器的腔镜。布拉格光纤光栅能够将前向传输的纤芯模耦合至后向传输的纤芯模，周期为几百纳米，在光纤激光器中起到谐振腔腔镜的作用。

2）具有抑制非线性效应的特殊光纤光栅

用于抑制光纤激光器非线性效应的高功率光纤光栅，是近几年兴起的热点，需要具备高承载功率、低温度系数、能够实现多种非线性效应限制。

如何抑制高功率光纤激光器的非线性效应？

目前民用与军事领域急需具有高输出功率与窄光谱线宽的光纤激光器。例如在引力波探测中，需要窄线宽、高功率光纤激光器作为干涉光源；在军事领域，需要将多束高能激光合束到一起，这种合成需要窄线宽、高功率光纤激光器作为合束光源。非线性效应阻碍了光纤激光器向更窄线宽与更高功率方向发展。要做到窄线宽，就必须要抑制非线性效应。

如何抑制高功率光纤激光器的非线性效应？我们首先来了解一下光纤激光器的非线性效应。它主要包括：

1) 受激布里渊散射（ Stimulated Brillouin Scattering，SBS）

2) 受激拉曼散射（ Stimulated Raman Scattering，SRS）

3) 自相位调制（ Self-Phase Modulation，SPM）

4) 四波混频效应（Four- Wave Mixing，FWM）

近年来科研界提出了多种利用光纤光栅抑制高功率光纤激光器非线性效应的方法，这里主要介绍抑制SRS效应的一些研究进展：

1）利用啁啾倾斜布拉格光纤光栅抑制SRS效应

啁啾倾斜布拉格光纤光栅（Chirped and Tilted Fiber Bragg Grating,CTFBG）是短周期光栅的一种，其能够将前向传输的纤芯模耦合至后向传输的包层模。CTFBG于1996年由美国罗切斯特大学提出，目前多应用于传感领域。

2017年国防科技大学利用 CTFBG抑制光纤激光器中的受激拉曼散射。两年后，国防科技大学将其应用于MOPA光纤激光器的种子源中抑制SRS效应并取得了良好的抑制效果。2019年南京理工大学将 CTFBG应用于千瓦级单腔振荡型光纤激光器中抑制SRS效应并取得了良好的抑制效果。针对光栅栅区在高功率下发热的问题提出低温缓变结合高温渐变的退火方法，而针对光栅入射端涂覆层在高功率下发热的问题，则釆用了分段化学腐蚀法的包层光剥离技术。

该方法的优点包括光栅周期短、稳定性高、不易受环境影响导致抑制效果下降；该种高功率倾斜光纤光栅制作工艺相对较成熟。缺点则是存在一定的后向回光，极高功率下可能会影响激光器的性能；采用基于相位掩模板的光纤光栅刻写方法，导致制作成本相对较高。

2）利用长周期光纤光栅抑制SRS效应

长周期光纤光栅（long period fiber grating，LPFG）的周期通常在亚毫米量级，能够将前向传输的纤芯模耦合至前向传输的包层模。LPFG于1996年由美国贝尔实验室研制出来，多应用于传感领域。

2009年德国耶拿大学提出利用LPFG来抑制脉冲光纤激光器中SRS效应；2020年南京理工大学将LPFG应用于高功率连续MOPA光纤激光器中分别抑制种子源与放大级激发的SRS效应。其中，釆用逐点扫描的方法刻写LPFG；釆用高斯切趾技术降低光栅的插入提耗；采用低温缓变结合高温渐变热处理方法降低光栅温度系数；采用降敏封装结构降低环境因素对LPFG中心波长的影响。

该方法的优点包括透射型光纤光栅，无后向回光；采用逐点扫描的光纤光栅刻写方法，制作简单成本低。缺点是周期较长，易受环境因素影响导致SRS效应抑制效果下降；该种高功率LPFG的工艺尚不成熟，目前仍在研发状态。

将朝更高承载功率与长波长方向发展

从发展趋势上来看，高功率光纤光栅未来将主要朝着更高承载功率（>5 kW）以及长波长方向（中红外波段）发展。

飞秒激光用于光纤光栅的刻写技术近年来不断发展，但在国内尚未有实质性应用，主要见于国外报道。从下图来看，用飞秒激光打到镀光膜上，通过一系列反应产生等离子体，等离子体微爆后产生折射率变化。

图2 飞秒激光光纤光栅刻写原理图

飞秒激光的波段基本上在800 nm左右，能够突破涂膜层直接打到芯径上。因此，基于飞秒激光的光纤光栅刻写技术可为上述发展方向提供解决方案。德国耶拿大学将飞秒激光制作的光纤光栅功率提升至5 kW，但目前国内仍处于研究空白。

利用飞秒激光刻写高功率近红外光纤光栅有以下优点：

1）免剥除涂覆层，提高光栅承载功率以及稳定性；

2）无需对光纤进行载氢，简化光栅制作工艺；

3）刻写能量高波段，刻写速度提高数倍。

中红外光纤激光器是目前的研究热点，它的氟化物和硫化物光纤不具备光敏性，因此紫外光刻法便失效了。飞秒激光也可刻写中红外光纤光栅。从研究上来说，加拿大拉瓦尔大学利用飞秒激光在氟化物及硫化物光纤上制作出了中红外光纤光栅。该技术可使中红外光纤激光器纯光纤化，随之将促进激光器功率提升、应用拓展。

飞秒激光刻写高功率中红外光纤光栅的优势包括：

1）利用飞秒激光的多光子效应，在无光敏性的中红外光纤上也能制作出光纤光栅；

2）免剥除涂覆层，避免了中红外光纤包层暴露在空气中发生潮解。

高功率光纤光栅如此重要，产业发展如何呢？

总体来说，国外生产高功率光纤光栅的公司主要有加拿大的ITF公司以及TeraXion公司。

而放眼国内，近年来国内诸多团队攻克了高功率光纤光栅研制技术，能够生产高功率光纤光栅的公司也越来越多，包括长飞光纤光缆股份有限公司、珠海光库科技股份有限公司、天津瑞晟昱发激光科技有限公司等。其中天津瑞晟昱发激光公司为南京理工大学团队的产业化成果，完成了千瓦级以上高功率光纤光栅的制作工艺与质量保证体系，在国内实现工业级稳定量产。

目前能够制作不同波长、不同型号光纤的高稳定性高功率光纤光栅，产品在国内光纤激光器行业得到认可并批量使用。

关于高功率光纤光栅，大家还比较关注以下几个方面，我们作一整理，供大家参考。

1分钟技术问答

Q1

国内高功率光纤光栅产业化情况如何？

答：近几年，国内高功率光纤光栅刚刚发展起来，相关企业增多。包括锐科激光、创鑫激光等自制光栅的公司，另外一部分则是从国外进口。产业化的推进使得光纤光栅能够得到普及并应用。

Q2

包层上刻写光栅可否提高抽运利用率？

答：由于包层里面没有光敏性，因此包层上不能刻光栅。

Q3

5 kW以上承载功率，一般采用什么方法？只有飞秒刻写吗？

答：如果作为腔镜，达到5 kW以上，可以形成一个谐振腔，另一种是MOPA结构，用一个种子源，通过MOPA进行放大，很快就能够达到5 kW。MOPA结构有一个缺点，使用的时候，光返回后可能会烧掉种子源。因此，工业用激光器，基本上都是基于谐振腔的。目前，市场上能够买到的功率达到2 kW的就已经很好了，3 kW也有，但工业用要求苛刻，不是很稳定。

Q4

光栅窗囗的再涂覆涂层怎样改善温度导致的影响？

答：由于再涂覆属于一个污染过程，有缝隙、裂痕、气泡和灰尘，处理不好就会影响光栅的稳定性，因此需要特别注意。

Q5

光纤的栅区域发热的主要原因是什么？

答：主要是残留的锗化氢造成，如果锗化氢全部去除了，就没有光栅的效果，但浓度太高的话，也会造成温度高。因此，要注意保持一定的浓度，不能过高或过低。

Q6

光栅里残余的氢会产生热，氢产生的热会导致拉曼效应吗？

答：拉曼效应的产生与氢没有直接的关联。

Q7

多大能量的飞秒激光器才能用于刻蚀光栅呢？

答：目前，用飞秒激光刻写光栅正在研究中，暂且无法定论。