超快激光关键器件——CFBG的国产化进程

飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒（10^-15秒）量级的激光，由于其峰值功率极高、持续时间极短，在3C产业(包括计算机、通信和消费电子产品)、增材制造、精准医疗、微纳加工、超快检测等领域拥有广阔的应用前景，如图1所示。超快激光（含飞秒及皮秒）市场规模每年以高出激光行业整体增速数倍的速度增长，据《2021中国激光产业发展报告》数据显示，2020年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家，预计2021年国内超快激光器市场规模将超过31亿元。

啁啾脉冲放大(Chirped pulse amplification, CPA)技术是当前工业飞秒激光技术的主流路线，其基本原理如图2所示，振荡器输出的飞秒脉冲通过展宽器将脉宽展宽为数百皮秒，经过放大器提升能量后再使用压缩器将脉冲压缩回飞秒量级，从而获得高能量高功率飞秒激光脉冲。

展宽器的类型多种多样，常见的有基于平面光栅对（或等效光栅对）的Offner型或Martinez型展宽器、啁啾布拉格光栅(Chirped fiber bragg grating, CFBG)、单模光纤等，其性能及成本对比如表所示。CFBG具有展宽量大、压缩性较好、尺寸小、成本低的综合优势，是超快激光器不可或缺的器件。虽然国内部分科研院所及公司已经投入研发，但是目前该器件主要依赖从加拿大Teraxion公司进口，价格高昂、供货周期较长，不利于飞秒激光的大规模应用，更为关键的是，面对百年未有之大变局，国际形势波诡云谲，关键器件依赖进口有被卡脖子的风险。

为实现超快激光器关键器件国产化，突破CFBG器件技术瓶颈，深圳技术大学科研团队在国家自然科学基金及深圳市高层次人才项目支持下，积极搭建CFBG刻写系统，并取得了初步成果。

CFBG刻写原理：CFBG刻写原理示意图，激光器输出的紫外激光经过空间滤波、光束整形后过滤高阶模式以及杂散光，得到较为纯净、均匀的光束；经过扩束系统后得到所需光斑尺寸的准直光束；为实现切趾功能，准直光束之后安装切趾控制模块；经过切趾控制模块后的准直光束经过平凸柱透镜聚焦后到达相位模板，相位模板的±1级衍射干涉形成条纹照射到载氢后的光敏光纤上，当该干涉条纹照射光纤纤芯一定时间后，明条纹照射处的折射率将上升，明暗条纹也相应地调制到光纤纤芯中，形成布拉格光栅。

CFBG刻写系统

参照上述刻写原理，深圳技术大学研制的CFBG刻写系统，该系统含有六大模块，分别为紫外激光器模块、紫外光路模块、相位模板、光纤加持模块、自动化控制模块及在线检测模块。

其中，自动化控制模块通过设置光开关实现自动控制刻写过程激光照射的时间，实现在紫外光照射过程中光束沿相位模板及光纤扫描。通过对高精度电动平移台的编程控制，精准调节光束扫描的速度、加速度、运动距离等，从而实现CFBG调制深度、切趾函数的调节; 为便于实时监测光栅刻写进度，配置了在线检测模块，由1030 nm波段的保偏ASE光源、光谱仪、消光比测试仪、分光元件等组成。

CFBG刻写结果

基于上述CFBG刻写系统，进行了样品试制，下图是刻写的CFBG样品照片，及 CFBG样品光谱及色散参数，中心波长1030.65 nm，光谱带宽为11.7 nm（半高全宽）

搭建了全光纤CPA系统，采用了华日激光生产制造的光纤锁模振荡器输出参数为~40 MHz重频、10 mW平均功率、1033 nm中心波长、~3 ps脉宽，经过该CFBG后脉宽展宽至~130 ps，经隔离器保护后进入一级光纤放大器，然后进入Treacy型双光栅（透射光栅）压缩器，光栅刻线数为1000 lines/mm，入射角为利特罗角，光栅斜距约为1 m，脉宽压缩测试结果如图所示，脉宽为539 fs，脉冲干净无旁瓣，初步证明了该CFBG在超快激光领域应用的可行性。

总结

自研的CFBG刻写系统成功地刻写出CFBG样品，并在全光纤CPA系统中得到初步应用，后续将持续优化该系统，实现高阶色散可调控、波长可拓展、光电一体小型化等重要目标。位卑未敢忘忧国，事成仍需再赤膊，愿与国内同仁一起努力，为我国高端装备关键器件的自主化贡献绵薄之力。

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