光纖光柵在“工程光學基礎”課程教學中的設計與實踐

何巍 周哲海 張鈺民 劉鋒 樊凡

[摘 要] 光纖光柵是一種重要的無源器件，在“工程光學基礎”課程教學中引入光纖光柵的概念及其加工方法，不僅能夠作為物理光學部分的補充知識點，還可以增加學生對波導器件加工新方法的認知。在教學過程中以保偏光纖光柵為例，能夠綜合課程中涉及的衍射和偏振部分的知識，主要包括采用飛秒脈沖激光作為加工光源，結合油鏡和三維移動平臺構建光柵刻寫平臺;采用飛秒激光逐點刻寫方式在纖芯內實現周期性的折射率調制，獲得不同反射波長的保偏光纖布拉格光柵;通過光譜儀對光柵的反射譜進行采集。將上述過程運用到實際理論教學中，在光柵相關理論的基礎上，使光纖光柵制備過程和方法更加直觀形象，有助于學生掌握最新的飛秒激光加工光纖光柵技術，對于提升“工程光學基礎”課程的教學效果具有重要意義。

[關鍵詞] 工程光學基礎;光纖布拉格光柵;飛秒激光;保偏光纖

[基金項目] 2020年度北京信息科技大學教改項目“以學生為中心的工程光學基礎課程教學方法改進”（2020JGYB09）

[作者簡介] 何 ?。?986—），男，北京人，博士，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院副教授，主要從事光纖傳感系統與光纖激光器研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0109-04? ?[收稿日期] 2020-11-10

一、引言

“工程光學基礎”課程是我校測控技術與儀器專業的專業基礎課，其中，光柵是物理光學重要的知識組成，也是教學中的重難點。但是，學生對于該部分的理解通常局限于平面衍射光柵，缺少對光纖光柵知識點的認知。光纖光柵作為一種光柵類光學器件，具有結構緊湊、抗電磁干擾、高信噪比等特點。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，以下簡稱FBG）是光纖光柵的代表性器件之一，在結構健康監測、單頻激光、激光雷達、光譜分析等領域中已經得到了廣泛的應用[1-4]。在教學過程中引入光纖光柵的原理及制備技術有助于學生了解新原理、新技術和新方法。加強對該知識點的認知，對本課程的教學效果具有很好的補充作用。

目前，針對FBG的制作和應用已經成為測控技術領域的研究熱點之一?！肮こ坦鈱W基礎”課程涵蓋光學器件、光學加工及光學應用等多方面的內容，將光纖光柵的原理和制備工藝引入教學過程中符合該課程的教授內容。首先，對FBG的傳統制備工藝進行介紹，主要包括氬離子激光或者準分子激光作為刻寫光源，結合相位掩模工藝實現光纖光柵的制備。但是上述加工方法存在如下瓶頸：一方面，采用紫外激光光源要求光纖必須經過載氫處理，而且只能在摻鍺材料的纖芯中才能實現折射率的調制;另一方面，在光柵刻寫前需要去除光纖保護層，并采用再涂覆工藝對柵區部分進行保護，從而降低了光纖光柵的機械強度。通過上述內容對傳統FBG的制備工藝進行介紹，讓學生了解目前的技術瓶頸，引入最新的技術解決方案。其次，介紹采用飛秒脈沖激光制備FBG的新方法。飛秒激光加工是目前光纖傳感和光纖激光方面的研究熱點[5，6]。一方面，飛秒激光加工技術不受限于加工材料，不需要對光纖進行載氫預處理;另一方面，飛秒激光可以透過光纖涂覆層和包層直接聚焦在光纖纖芯位置進行加工，從而提高了光纖光柵的強度[7，8]。通過上述內容的介紹，目的在于讓學生了解光纖光柵原理和最新的超快激光加工技術，加深學生對所學光學知識的理解，拓展課程的知識點，有助于學生了解最新的科技動態。

二、激光加工系統原理

在課程教學過程中，首先需要對飛秒激光加工的系統平臺進行介紹。如圖1（a）所示，所介紹的飛秒激光器工作波長為800 nm，重頻1kHz，脈沖寬度35fs，經過反射鏡后照射到63倍的油鏡并聚焦在光纖纖芯位置。在加工過程中，需要采用相機對FBG柵區進行實時監測，調整光斑及聚焦深度，快門用于控制激光輸出。在刻寫過程中，為了對光纖光柵的光譜特性進行監測，將寬帶光源經過光纖環行器后耦合進入所刻寫的單模光纖，另一端與光譜儀相連接對FBG反射譜進行采集。該部分內容的介紹目的在于讓學生對激光刻寫系統有所了解，該系統融合了幾何光學和激光方面的知識，對本課程具有很好的補充作用。其次對光纖光柵的結構進行介紹。光柵原理如圖1（b）所示，光柵的反射波長由周期和纖芯有效折射率決定，光纖光柵方程公式（1）λ=2neffΛ，式中Λ為光柵周期，neff為纖芯有效折射率，因此，通過刻寫不同周期的光柵能夠實現不同反射波長FBG的制備。對于保偏光纖，由于光纖具有快軸和慢軸，因此保偏光纖布拉格光柵的反射光譜具有獨有的雙峰特點。通過對加工系統和FBG原理的介紹，讓學生能夠了解光纖光柵與平面光柵在結構和原理上的差異性，促進其對知識點的深入思考。

三、實驗結果及分析

光纖光柵加工過程的介紹環節在課堂教學中十分重要，能夠讓學生直觀了解樣品的結構和特征。首先介紹激光加工實驗系統。飛秒激光刻寫PM-FBG加工平臺及鏡頭如圖2所示。加工鏡頭采用放大倍率為63倍的浸油物鏡。實驗中選用PM-1550光纖，單模光纖纖芯尺寸為9μm，涂覆層為丙烯酸酯材料。將光纖固定在三維移動平臺上，通過調整焦距將飛秒激光光斑聚焦在光纖纖芯位置。分別刻寫光柵周期為527nm、530nm、534nm的一階PM-FBG，光柵柵區長度均為3000μm。由于光纖本身具有自聚焦的特性，采用逐點掃描刻寫方式能夠產生折射率調制的效果。對這部分的介紹能夠讓學生對光纖結構有所了解。其次介紹光纖光柵的測試方法和光譜特征，目的在于讓學生了解光纖光柵能夠用于傳感的原因。實驗中采用C+L波段（1520nm～1610nm）的寬帶光源作為測試光源，結合光譜儀對不同周期的FBG反射光譜進行實時采集。光柵周期為527nm、530nm、534nm的光柵反射譜分別對應FBG1、FBG2、FBG3曲線。采集到的光譜如圖3所示，能夠觀察到明顯的光柵光譜。