ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 535.324.1; 535.325; 53.082.5; 681.785.223

Использование брэгговских решеток,

записанных имПульсным лазерным излучением

фемтосекундной длительности,

для задач рефрактометрии

К.А. Томышев, Е.И. Долженко, О.В. Бутов

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

Статья поступила в редакцию 23 сентября 2025 г.

Аннотация. В работе представлены результаты экспериментального исследования спектральных особенностей волоконных брэгговских решеток, записанных при помощи импульсного лазерного излучения фемтосекундной длительности. Было показано, что такие решетки эффективно перенаправляют энергию излучения основной моды в оболочку световода благодаря особенностям внутренней структуры решетки, обусловленным физикой процесса записи. Это приводит к возникновению мод оболочки волоконного световода, параметры которых зависят от показателя преломления внешней среды, что составляет основу измерительного принципа волоконных рефрактометров. В результате исследования были обнаружены уникальные свойства спектральных характеристик таких решеток, выгодно отличающие их от существующих решений, таких как наклонные брэгговские решетки. Наибольший интерес представляет значительное увеличение ширины спектральной картины, что приводит к расширению диапазона измеряемых значений показателя преломления внешней среды (от 1 до 1,4). Отдельного внимания заслуживает высокая степень линейности отклика сенсора, продемонстрированная на всем диапазоне, и возможность измерения показателя преломления газов под большим давлением, показанная на примере азота. Полученные результаты наглядно демонстрируют преимущества таких решеток для задач волоконной рефрактометрии.

Ключевые слова: фемтосекундная запись, брэгговская решетка, волоконный рефрактометр.

Финансирование: Работа была выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.

Автор для переписки: Долженко Егор Игоревич, dolzhenko@phystech.edu

Литература

1. Urrutia A. et al. A comprehensive review of optical fiber refractometers: Toward a standard comparative criterion // Laser & Photonics Reviews. – 2019. – Т. 13. – №. 11. – С. 1900094. https://doi.org/10.1002/lpor.201900094

2. Ahsani V. et al. Tapered fiber-optic Mach-Zehnder interferometer for ultra-high sensitivity measurement of refractive index // Sensors. – 2019. – Т. 19. – №. 7. – С. 1652. https://doi.org/10.3390/s19071652

3. de Barros T.H. C. et al. D-shaped optical fiber-based refractometer for olive oil adulteration detection // Food Control. – 2024. – Т. 166. – С. 110741. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2024.110741

4. Tomyshev K.A. et al. High-resolution fiber optic surface plasmon resonance sensor for biomedical applications // Journal of Applied Physics. – 2018. – Т. 124. – №. 11. https://doi.org/10.1063/1.5045180

5. Dogan Y., Erdogan I. Highly sensitive MoS2/graphene based D-shaped optical fiber SPR refractive index sensor with Ag/Au grated structure // Optical and Quantum Electronics. – 2023. – Т. 55. – №. 12. – С. 1066. https://doi.org/10.1007/s11082-023-05315-5

6. Sudas D.P., Kuznetsov P.I. Tin (IV) Oxide Coatings with Different Morphologies on the Surface of a Thinned Quartz Fiber for Sensor Application // Instruments and Experimental Techniques. – 2023. – Т. 66. – №. 5. – С. 875-880. https://doi.org/10.1134/S0020441223050226

7. Fasseaux H., Caucheteur C., Loyez M. Unraveling Plasmonic Tilted Fiber Bragg Gratings (TFBG): A Journey From “Anomalous Resonances” to Refined Refractometry // Laser & Photonics Reviews. – 2025. – Т. 19. – №. 4. – С. 2400833. https://doi.org/10.1002/lpor.202400833

8. Chiavaioli F. et al. Towards a uniform metrological assessment of grating-based optical fiber sensors: From refractometers to biosensors // Biosensors. – 2017. – Т. 7. – №. 2. – С. 23. https://doi.org/10.3390/bios7020023

9. Бутов О.В. и др. Волоконные брэгговские решетки с наклонными штрихами и сенсоры на их основе // Успехи физических наук. – 2022. – Т. 192. – №. 12. – С. 1385-1398. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.09.039070

10. Albert J., Shao L.Y., Caucheteur C. Tilted fiber Bragg grating sensors // Laser & Photonics Reviews. – 2013. – Т. 7. – №. 1. – С. 83-108. https://doi.org/10.1002/lpor.201100039

11. Долженко Е.И., Томышев К.А., Бутов О.В. Рефрактометрический детектор белков плазмы крови на основе наклонной волоконной брэгговской решетки с функциональным покрытием из антител // Журнал Радиоэлектроники. – 2023. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.27

12. Kashyap R. Fiber bragg gratings. – Academic press, 2009. http://dx.doi.org/10.1016/C2009-0-16830-7

13. Mihailov S.J. Fiber Bragg grating sensors for harsh environments // Sensors. – 2012. – Т. 12. – №. 2. – С. 1898-1918. https://doi.org/10.3390/s120201898

14. Przhiialkovskii D.V., Plyuskova N.A., Butov O.V. Formation Dynamics and Possible Nature of Regenerated Fiber Bragg Gratings Inscribed by Femtosecond Laser Radiation // IEEE Sensors Journal. – 2025. – Т. 25. – №. 1. – С. 538-544. https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3494261

15. Пржиялковский Д.В., Бутов О.В. Высокоточная запись волоконных брэгговских решеток поточечным методом // Прикладная Фотоника Applied Photonics. – 2022. – С. 50.

16. Taylor R., Hnatovsky C., Simova E. Applications of femtosecond laser induced self‐organized planar nanocracks inside fused silica glass // Laser & Photonics Reviews. – 2008. – Т. 2. – №. 1‐2. – С. 26-46. https://doi.org/10.1002/lpor.200710031

17. Martinez A. et al. Photoinduced modifications in fiber gratings inscribed directly by infrared femtosecond irradiation // IEEE photonics technology letters. – 2006. – Т. 18. – №. 21. – С. 2266-2268. https://doi.org/10.1109/LPT.2006.884883

18. Nishii J. et al. Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one-and two-photon absorption processes in GeO2–SiO2 glasses // Optics Letters. – 1995. – Т. 20. – №. 10. – С. 1184-1186. https://doi.org/10.1364/OL.20.001184

19. Saito K., Ikushima A.J. Absorption edge in silica glass // Physical Review B. – 2000. – Т. 62. – №. 13. – С. 8584. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.8584

20. Abdukerim N. et al. High-temperature stable fiber Bragg gratings with ultrastrong cladding modes written using the phase mask technique and an infrared femtosecond laser // Optics Letters. – 2020. – Т. 45. – №. 2. – С. 443-446. https://doi.org/10.1364/OL.381111

21. Tomyshev K. et al. Spectral Features of Tilted Fiber Bragg Gratings Inscribed With Femtosecond-Pulse Laser Radiation // IEEE Sensors Journal. – 2024. – Т. 24. – №. 23. – С. 38996-39001. https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3473019

22. Przhiialkovskii D.V., Butov O.V. High-precision point-by-point fiber Bragg grating inscription // Results in Physics. – 2021. – Т. 30. – С. 104902. http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104902

23. Johns H.E., Wilhelm J.O. The refractive indices of liquid oxygen, nitrogen, and hydrogen // Canadian Journal of Research. – 1937. – Т. 15. – №. 7. – С. 101-108. https://doi.org/10.1139/cjr37a-013

24. Mathar R.J. Refractive index of humid air in the infrared: model fits // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2007. – Т. 9. – №. 5. – С. 470. http://dx.doi.org/10.1088/1464-4258/9/5/008

25. Haynes W.M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. – 2016. http://dx.doi.org/10.1201/9781315380476

26. Saunders J.E. et al. Refractive indices of common solvents and solutions at 1550 nm // Applied optics. – 2016. – Т. 55. – №. 4. – С. 947-953. http://dx.doi.org/10.1364/ao.55.000947

27. Leal-Junior A. et al. Machine learning approach for automated data analysis in tilted FBGs // Optical Fiber Technology. – 2024. – Т. 84. – С. 103756. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2024.103756

28. Tomyshev K. et al. Selective fiber optic TFBG-assisted biosensors featuring functional coatings // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2023. – Т. 384. – С. 133618. https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133618

29. Tomyshev K.A. et al. High-precision data analysis for TFBG-assisted refractometer // Sensors and Actuators A: Physical. – 2020. – Т. 308. – С. 112016. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112016

Для цитирования:

Томышев К.А., Долженко Е.И., Бутов О.В. Использование брэгговских решеток, записанных импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности, для задач рефрактометрии // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.42