光纤激光器技术

      在订购标准或定制的相位掩模板用于刻写光纤光栅(FBG)时，需要对相位掩模板参数进行一些重要的步骤确认和计算以确保最终器件能满足预期性能要求。本文将帮助您了解在定制和确定相位掩模板参数要求时所需的总体配置和公式。

      相位掩模板简介

      相位掩模板是表面起伏的光栅，通常在熔融石英中蚀刻而成，如图1所示。在大多数应用中，相位掩模板本质上相当于一个精密的衍射光栅，它将通常处于紫外光谱范围内的入射单色光束分成两束出射光束。这两束出射光束在它们叠加的区域内会产生干涉图案，如图2所示。

图1. 相位掩模板是在熔融石英中蚀刻而成的表面起伏状光栅。

图2. 相位掩模板会产生两个衍射光束，它们在重叠之处会形成干涉图案。

       相位掩模板有着广泛的应用领域，但最为常见的是PMT相位掩模板用于刻写其他光栅。这类掩模板的典型例子包括集成光学器件中使用的平面波导光栅，以及光纤布拉格光栅(FBG)。光纤布拉格光栅是光纤纤芯折射率的周期性变化，通常用于在某一或多个波长上实现高反射特性。

       相位掩模板配置

      大多数相位掩模板都是用高纯度的紫外透明熔融石英制成的，但也有其他材料可供选择。我们标准产品中说明了各种相位掩模参数范围的概述。

      相位掩模板光栅的“Period周期”（或“Pitch间距”）范围从几百纳米到近2000nm(2微米)不等。光栅面积有各种各样的尺寸，从几平方毫米到10毫米乘120毫米不等。蚀刻相位掩模光栅的石英基板通常厚1/8英寸(3.125mm)。对于较长的周期，光栅轮廓基本上是二进制（矩形波），而对于较短的周期，往往有点接近正弦波。

      相位掩模板通常采用两种配置之一使用，即+1/-1级或 0/-1级，其中数字指的是包含大部分衍射光的衍射级数。在 +1/-1级配置中，紫外光以垂直入射的方式照射在相位掩模板上，由出射光束的干涉所产生的条纹图案的周期恰好是相位掩模光栅周期的一半，如图3所示。在0/-1级配置中，紫外光以一个特别选定的入射角照射在相位掩模板上，条纹图案的周期恰好等于相位掩模光栅的周期。

图3. 配置为 -1/+1级（上部）和 0/-1级（下部）两种模式的相位掩模板示意性示意图。

      图4的上半部分展示了在+1/-1级配置下光纤布拉格光栅级(FBG)的记录示意图。通常情况下，紫外光会照射到相位掩模上。通过两束出射光的干涉作用，会产生一系列固定的交替强度高和低的条纹图案。将一段光纤(通常由二氧化硅制成)置于这个干涉图案中。光纤的纤芯已被制成感光材料，通常是通过掺入锗、锡、硼、磷和其他元素的氧化物来实现的，或者通过光纤载氢。由于这种感光性，纤芯的折射率会因紫外线辐射而发生变化。因此，暴露于干涉图案会导致纤芯材料折射率的周期性调制。其结果就是图中底部所示的光纤布拉格光栅(FBG)。

      在实际应用中，FBG(光纤布拉格光栅)可作为窄带反射滤波器发挥作用，如图5所示。具体而言，某一特定波长会被FBG高度反射，而其他波长则不受衰减地通过。FBG位于许多光纤传感设备和电信组件的核心位置。它们是许多光纤系统中的基本构建模块。

图 4. 相位掩模板本身即为光栅，用于刻写诸如光纤布拉格光栅(FBG)之类的其他光栅。

图 5. 光纤布拉格光栅是一种位于光纤纤芯中的波长选择型滤波器。

      相位掩模板公式

     当相位掩模以+1/-1级的配置进行操作时，紫外光通常如图6所示那样入射到光栅上。衍射角Θ0、Θ-1、Θ+1、Θ-2、Θ+2等是通过如下公式给出的。

sinΘm = mλUV/ΛPM ，其中λUV是紫外波长，ΛPM是相位掩模周期。

     由+1和-1光束的干涉产生的条纹图案的周期恰好是相位掩模周期的一半，无论入射辐射的波长如何。

Λfringe =  ΛPM / 2 

图6. +1/-1级相位掩模配置

PMT的相位掩模板经过优化处理，使得+1和-1级的强度达到最大值，而零级别的强度则被最小化。

此外，如果存在任何更高级（m = ±2、±3 等）的强度，其强度也会被最小化。

相位掩模在0/-1级配置下也能有效工作，如图7所示。这种配置由条件|Θ0| = |Θ-1| 定义，这确保了条纹与相位掩模表面垂直。为了满足这一条件，所需的入射角为

|sin Θin| = |sin Θ0| = λUV /(2 ΛPM )

      此外，如果满足条件 (2/3) ΛPM < λUV < 2 ΛPM，那么将只会出现一个且仅有一个衍射级次(即-1 级次)，而不会有其他级次(例如 +1、±2、±3 等)。换句话说，会有两个且仅有两个出射光束：0级次和-1级次。这保证了清晰的条纹图案。

由0级次和-1级次光束的干涉所形成的条纹图案的周期恰好等于相位掩模周期的周期。

Λfringe = ΛPM

图 7. +0/-1级相位掩模配置

      无论入射辐射的波长如何，无论条件 |sin Θin| = λUV /(2 ΛPM ) 是否完全满足，这一情况都依然成立。

      结论

      PMT全息生成的相位掩模板是高精度的衍射光学元件，适用于最苛刻的刻写应用，例如刻写光纤布拉格光栅FBG。然而，有必要了解相位掩模的基本操作原理以及如何正确地对其参数要求进行指定，以便让刻写设备系统获得最佳性能。

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