Лазерный комплекс для записи ВБР с помощью фс лазеров
Волоконные брэгговские решетки (ВБР, или FBG – Fiber Bragg Gratings) представляют собой ключевые элементы современной фотоники, создаваемые путем формирования периодической модуляции показателя преломления непосредственно в сердцевине оптического волокна. Эти микроразмерные структуры функционируют как высокоселективные спектральные фильтры, отражая излучение на строго определенной длине волны Брэгга (λВ = 2neffΛ) и пропуская остальной спектральный состав (см. Рисунок 1).
Рисунок 1 – Cхематическое изображение волоконно-брэгговской решетки (ВБР) с спектрами пропускания и отражения [1].
Уникальные свойства ВБР – исключительная спектральная селективность, низкие вносимые потери, полная волоконная интеграция и высокая чувствительность к внешним воздействиям – определили их широкое применение в телекоммуникационных системах (стабилизаторы лазеров, мультиплексоры WDM, компенсаторы дисперсии), волоконных лазерах и прецизионной сенсорике.
Хотя принцип действия волоконно-брэгговских решеток (ВБР) относительно прост, на его основе было создано множество разновидностей. Это открыло практически неограниченные возможности для проектирования ВБР с самыми разными характеристиками. Классификация типов ВБР основывается на профиле модуляции показателя преломления, который создается в сердцевине волокна. На Рисунке 2 показаны примеры таких профилей для нескольких основных типов решеток: равномерной, аподизированной, чирпированной (широкополосной) и решетки с фазовым сдвигом на π.
Рисунок 2 – Cхематическое представление профиля показателя преломления сердцевины вдоль волокна для различных типов ВБР: равномерной, аподизированной, чирпированной и с фазовым сдвигом на π.
С точки зрения практического применения, равномерные ВБР обычно характеризуются относительно низким отношением подавления боковых лепестков (SLSR). В то же время аподизированные решетки демонстрируют превосходное SLSR в сочетании с высокой отражательной способностью и узкой спектральной шириной. Чирпированные (в том числе и аподизированные чирпированные) ВБР проектируются для получения более широкой полосы отражения по сравнению с равномерными и аподизированными решетками. Это достигается за счет постепенного изменения периода решетки по её длине. На итоговые характеристики ВБР также критически влияют и другие параметры: длина решетки, амплитуда модуляции показателя преломления, а в случае аподизированных решеток – форма аподизирующей функции (например, синусоидальная, Гауссова или Супер- Гауссова).
Производство сложных ВБР требует продвинутых технологий записи, среди которых метод поточечной записи фемтосекундными импульсами демонстрирует особые преимущества. УКИ модифицируют легированное стекло путем преобладания многофотонного поглощения, позволяющего создавать ВБР с:
- Высокотемпературной стабильностью (до 1000°C)
- Сложными профилями модуляции
- Возможностью записи через защитное покрытие
- Прецизионным контролем параметров решетки
Ключевое преимущество фемтосекундных лазеров для записи ВБР заключается в том, что они могут работать на длинах волн, для которых стандартные полимерные покрытия волокна (такие как акрилат или полиимид) являются прозрачными. Это позволяет наносить решетки прямо через неповрежденное защитное покрытие, что значительно повышает эффективность производства, устраняя трудоемкий этап его зачистки и последующего восстановления. Более того, прямая запись через покрытие делает технически возможным полностью автоматизированное производство протяженных матриц, содержащих сотни и даже тысячи отдельных ВБР. Важно и то, что технология фс-лазерной записи не требует применения специального фоточувствительного волокна. ВБР можно наносить как на стандартное волокно, легированное германием, так и на волокно с чистой кварцевой сердцевиной.
Типичная схема поточечной записи волоконно-Брэгговских решёток (ВБР) с помощью фемтосекундного лазера приведена на Рисунке 3.
Рисунок 3 – Типичная схема поточечной записи волоконно-Брэгговских решёток (ВБР) [2]
Ключевые компоненты и их функция:
Создает сверхкороткие импульсы для прецизионной модификации материала волокна.
Оптический тракт
Объектив (x100) фокусирует луч в пятно размером порядка 1мкм. В зависимости от плотности мощности обработка может происходить в области ближе к максимуму интенсивности, что позволяет получать субмикронные структуры.
Волокно жёстко закреплено в системе фиксации. Трёхкоординатные пьезопозиционеры с нанометровой точностью перемещают его относительно луча, записывая решётку точка за точкой.
Камера и диодная подсветка позволяют визуализировать область обработки и точно позиционировать лазерный фокус перед записью.
Принцип работы: Луч фокусируется в сердцевину, создавая точку модификации. Волокно сдвигается на шаг, равный периоду решётки, и процесс повторяется. Последовательность таких точек и образует ВБР.
Совместно с партнерами АО «ЛЛС» осуществляет поставку лазерных систем для записи ВБР в оптоволокне на основе лазеров с УКИ (MCHT-Works-Fiber). Внешний вид установки в настольном исполнении приведен на Рисунке 4. Компания-производитель имеет более 12 лет опыта в области технологий сверхбыстрой лазерной обработки и предоставляет комплексные технологические решения, включающие оптомеханические решения, систему управления лазерным излучением, систему автофокусировки/визуализации и т.д.
Готовые решения предназначены для научных лабораторий и промышленных применений, предъявляющих высокие требования к качеству и производительности. Типичными областями применения являются биомедицинская инженерия, материаловедение, интегральная фотоника и микрооптические устройства.
Рисунок 4 – Внешний вид лазерной системы MCHT-Works-Fiber для записи волоконных брэгговских решеток (ВБР)
Технические параметры MCHT-Works-Fiber:
| Параметр | Типичное значение |
| Принцип записи ВБР | Точка-за-точкой, строка-за-строкой |
| Точность* |
< 50 нм
|
| Длина ВБР | 2–10 мм (опционально: до 100 мм) |
|
Системные особенности |
|
|
Фемтосекундный лазер |
|
| Центральная длина волны | 1030 / 515 / 343 нм |
| Макс. средняя мощность | 10 Вт |
| Диапазон настройки длительности импульса | 290 фс – 10 пс |
| Макс. энергия импульса | 0,2 мДж |
| Частота повторения | от одиночного импульса до 1 МГц |
| Качество пучка | M² ≤ 1,2 |
| Стабильность направления пучка | < 20 мкрад/°C |
| Долговременная стабильность мощности (NRMSD) | < 0,5% (за 100 ч) |
|
Высокоточная система позиционирования |
|
| Диапазон хода | 100 мм × 100 мм × 15 мм |
| Точность позиционирования (XY) | ± 0,2 мкм |
| Двусторонняя повторяемость (XY) | ± 0,1 мкм |
| Прямолинейность (XY) | ± 1,5 мкм |
| Плоскостность (XY) | ± 1,5 мкм |
| Точность позиционирования (Z) | ± 0,25 мкм |
| Двусторонняя повторяемость (Z) | ± 0,2 мкм |
| Система автофокусировки | Автоматически детектирует границу раздела сред |
| Обработка твёрдых материалов | Германосиликатное стекло, чистый кварц, а также волокна из чистого кварца с утолщённой кварцевой оболочкой (диаметр 200–250 мкм, диаметр с покрытием до 290 мкм) и др. |
| Система высококачественной визуализации | Обеспечивает визуализацию в реальном времени и мониторинг процесса обработки прозрачных и непрозрачных материалов |
| Система стабилизации энергии лазера | Автоматически калибрует флуктуации энергии лазера для обеспечения её стабильности в процессе обработки |
| Интеллектуальная система прецизионного управления | Обеспечивает точное согласованное управление между позицией обработки и параметрами лазерного импульса, гарантируя однородность и стабильность на протяжении всего цикла изготовления |
| Система идентификации сердцевины волокна и коррекции позиции | Автоматически идентифицирует позицию сердцевины волокна для определения начальной и конечной точек лазерной обработки, устанавливая таким образом оптимальный путь обработки и обеспечивая полностью автоматизированный процесс изготовления |
| Система мониторинга в реальном времени | Оснащена спектрометром для мониторинга качества изготовления ВБР в реальном времени |
| Система полностью автоматического управления и автоматической калибровки | Автоматическая калибровка наклона и неровности поверхности подложки для обеспечения точности и стабильности обработки |
| Крепление для волокна | Предназначено для фиксации оптических волокон различного диаметра; конфигурация может быть адаптирована под конкретные требования |
| Программное обеспечение | Nanostudio |
|
Опциональные возможности |
|
| Система флуоресцентного детектирования | Использует флуоресцентные свойства материалов для точного позиционирования различных материалов подложки |
| Конфокальная сканирующая система | Оснащена конфокальным сканером для 3D-топографических измерений и высокоточного юстирования |
| Система управления поляризацией | Обеспечивает гибкое переключение между различными состояниями поляризации и различными направлениями поляризации линейно-поляризованного пучка |
| Система формирования фокального пятна | Обеспечивает формирование фокального пятна в соответствии с желаемой формой фокуса |
| Система многолучевой параллельной обработки | Автоматически оптимизирует генерацию до 100 точек обработки для одновременной обработки, повышая производительность |
| Система непрерывной обработки длинных и высококачественных цепочек ВБР | Оснащение двумя катушками для реализации функции автоматической подачи и намотки волокна |
| Габариты системы** | Размер (длина × ширина × высота) ≤ 1100 мм × 1000 мм × 1100 мм |
| Масса | ≤ 400 кг |
**Параметры могут изменяться в зависимости от фактических требований оборудования.
Далее приведены оптические снимки записанных ВБР в волокне из плавленного кварца. Период решетки составлял от 0.7 мкм до 1 мкм. Измерение спектра отражения показало высокую отражательную способность на длине волны ~1550 нм, достигая значения 99.5% отражения.
Рисунок 5 – Решетка на основе оптического волокна (ВБР)
Рисунок 6 – Решетка на основе оптического волокна (ВБР)
Рисунок 7 – Решетка с линейным шагом 0,7~1 мкм на сердечнике оптического волокна
Рисунок 8 – Точки обработки в сердцевине оптического волокна
Рисунок 9 – Спектр отражения. Решетка с высокой отражательной способностью, коэффициент отражения 99,5%
Демонстрация процесса записи ВБР
MCHT-Works-Fiber – это высокопроизводительная установка для объемной лазерной записи, предназначенная для высокоточного изготовления элементов волоконно-оптического сенсинга и оптической связи. Оснащена системами высококачественной визуализации и нанометрового юстирования для выполнения 3D-обработки на поверхности и внутри сердцевины оптического волокна или оптического чипа. Укомплектована специальной системой roll-to-roll производства, а также системами мониторинга напряжений, автоматической идентификации сердцевины волокна, позиционирования и юстировки для достижения высокопроизводительной, точной и быстрой обработки.
Ключевые особенности:
- Сложные 3D микрооптические элементы
- Специализированное крепление для оптического волокна
- Высокоточное позиционирование сердцевины волокна
- Формирование фокального пятна
- Визуализация в реальном времени с высоким разрешением
- Высокоэнергетические фемтосекундные лазерные импульсы для модификации материала
- Система стабилизации энергии лазера
- Поддержка оптических волокон разного диаметра
Применение:
- Обработки оптических волокон и фотонных чипов как для исследовательского, так и для промышленного секторов.
- Изготовление -микро и -нано устройств для волоконно-оптического сенсинга
- Реализация интегрального фотонного соединения на одиночном волокне или волоконной решётке
- Изготовление микрооптических устройств для медицинских инструментов
- Элементы резонаторов волоконных лазеров
Обратите внимание: Спецификации лазерной системы зависят от индивидуальных требований технологического процесса и могут отличаться в зависимости от конфигурации оборудования.
[1] Falcetelli F. et al. Strain modal testing with fiber bragg gratings for automotive applications //Sensors. – 2022. – Т. 22. – №. 3. – С. 946.
[2] Пржиялковский Д. В. и др. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ПОТОЧЕЧНОЙ ЗАПИСИ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕУКУНДНОГО ЛАЗЕРА //Фотон-экспресс. – 2021. – №. 6. – С. 268-269.
При наличии вопросов обращайтесь к персональному менеджеру или по почте info8@lenlasers.ru.
Автор статьи: Тарванен Дмитрий, инженер по применению группы «Лазерные системы и комплексы»
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
