近日，我室研究生马文强（第一作者）和张培晴副研究员（通讯作者）在Journal of Lightwave Technology期刊上发表了题为“Diffraction grating fabricated on chalcogenide glass fiber end surfaces with femtosecond laser direct writing”的论文（ISSN: 0733-8724, 2021, 39(7): 2136-2141, IF=4.288）。

       光纤具有结构紧凑、性能稳定、易于集成等优点，在现代光通信中具有不可替代的作用。近年来，借助微加工技术，已经在光纤内部实现了光纤光栅、微通道等结构的制备。除此之外，制备在光纤端面上的微结构，如菲涅尔环、端面光栅等在传感器、波分复用和光谱分析中也展现出了巨大的应用潜力。

目前，这些结构的制备技术在石英光纤中已经非常成熟，但是，由于材料本身的透过范围限制，这些器件无法在包含重要分子光谱指纹的中红外波段应用。硫系光纤作为一种具有优异透过特性的光纤，能够很好地填补中红外波段应用的空白。

图1 精密抛光后的As₂S₃光纤端面显微镜和3D图

       本研究探索了飞秒激光在硫系光纤端面直写端面光栅的可行性。硫系玻璃光纤机械强度低，易受损伤，经过对硫系光纤端面抛光的长期摸索，通过在光纤两端制作FC跳线头的方式，制备出了如图1所示的表面粗糙度小于80 nm的清洁端面，能够避免由于端面本身缺陷造成的能量损失。

图2飞秒激光直写光纤端面一维（a）和二维（b）衍射光栅结构示意图

       为了使端面光栅的光谱分辨率尽可能的高，纤芯范围内的光栅条数应该尽可能的多，也就是光栅周期要尽可能的小。但是，作为用于中红外波段的衍射元件，其光栅周期必须大于所使用的波长，而且太小的光栅周期在刻写时相邻两条刻线之间会产生影响。如图2所示，综合对光栅的试刻和测量，最终将光栅的周期设置为4 μm（P_x = P_y）。

图3硫系光纤端面光栅显微镜图（a，d）及其部分放大图（b，c）

       在制备过程中，飞秒激光中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz，脉冲宽度为100 fs，所使用的聚焦物镜倍数为50 ×/0.80 NA。在刻写之前，同样通过试刻的方式对激光功率和平移台速度进行优化，最终激光功率设置为20 nJ，平移台移动速度为50 μm/s。图3为端面光栅显微镜图，与抛光后的端面相比，并未出现新的划痕或者其他损伤。

图4 1550 nm和SC光源下一维端面光栅衍射光斑分析

       图4展示了一维端面光栅的衍射光斑图像。借助红外显像卡，可以清晰地看到1550 nm激光经过光栅后分散在光屏上的光斑，如图4（a）所示。使用Matlab对光斑强度进行图像处理和分析，一级衍射效率接近50%，且衍射角度与理论值相同。而SC光源属于复合光，经过光栅后不同波长的光对应的衍射角不同，一级和二级衍射光的峰值出现在了不同位置，所以会在光屏上形成一条彩色光斑，如图4（b）所示。

图5 1550 nm和SC光源下二维端面光栅衍射光斑分析

       图5展示了测试光源经过二维端面光栅后的衍射光斑图像。与一维光栅相同，二维光栅的衍射效率也在50%左右。图5（d-f）是在SC光源下二维光栅特性的分析，同样具备均匀的空间强度分布，从其中提取的两种单色光强度分布可以看出衍射角度明显不同，表明其波长选择性较好。

       一个高平整度的光纤端面是制备硫系光纤端面微结构的前提。本文通过FC跳线头的制备与端面抛光，成功获得了平整无缺陷的端面，并利用飞秒激光制备出了高性能的衍射光栅，为硫系光纤端面光子器件的研发提供了导向。