光纤光栅在“工程光学基础”课程教学中的设计与实践

何巍 周哲海 张钰民 刘锋 樊凡

[摘 要] 光纤光栅是一种重要的无源器件，在“工程光学基础”课程教学中引入光纤光栅的概念及其加工方法，不仅能够作为物理光学部分的补充知识点，还可以增加学生对波导器件加工新方法的认知。在教学过程中以保偏光纤光栅为例，能够综合课程中涉及的衍射和偏振部分的知识，主要包括采用飞秒脉冲激光作为加工光源，结合油镜和三维移动平台构建光栅刻写平台;采用飞秒激光逐点刻写方式在纤芯内实现周期性的折射率调制，获得不同反射波长的保偏光纤布拉格光栅;通过光谱仪对光栅的反射谱进行采集。将上述过程运用到实际理论教学中，在光栅相关理论的基础上，使光纤光栅制备过程和方法更加直观形象，有助于学生掌握最新的飞秒激光加工光纤光栅技术，对于提升“工程光学基础”课程的教学效果具有重要意义。

[关键词] 工程光学基础;光纤布拉格光栅;飞秒激光;保偏光纤

[基金项目] 2020年度北京信息科技大学教改项目“以学生为中心的工程光学基础课程教学方法改进”（2020JGYB09）

[作者简介] 何 巍（1986—），男，北京人，博士，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院副教授，主要从事光纤传感系统与光纤激光器研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0109-04   [收稿日期] 2020-11-10

一、引言

“工程光学基础”课程是我校测控技术与仪器专业的专业基础课，其中，光栅是物理光学重要的知识组成，也是教学中的重难点。但是，学生对于该部分的理解通常局限于平面衍射光栅，缺少对光纤光栅知识点的认知。光纤光栅作为一种光栅类光学器件，具有结构紧凑、抗电磁干扰、高信噪比等特点。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating，以下简称FBG）是光纤光栅的代表性器件之一，在结构健康监测、单频激光、激光雷达、光谱分析等领域中已经得到了广泛的应用[1-4]。在教学过程中引入光纤光栅的原理及制备技术有助于学生了解新原理、新技术和新方法。加强对该知识点的认知，对本课程的教学效果具有很好的补充作用。

目前，针对FBG的制作和应用已经成为测控技术领域的研究热点之一。“工程光学基础”课程涵盖光学器件、光学加工及光学应用等多方面的内容，将光纤光栅的原理和制备工艺引入教学过程中符合该课程的教授内容。首先，对FBG的传统制备工艺进行介绍，主要包括氩离子激光或者准分子激光作为刻写光源，结合相位掩模工艺实现光纤光栅的制备。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纤必须经过载氢处理，而且只能在掺锗材料的纤芯中才能实现折射率的调制;另一方面，在光栅刻写前需要去除光纤保护层，并采用再涂覆工艺对栅区部分进行保护，从而降低了光纤光栅的机械强度。通过上述内容对传统FBG的制备工艺进行介绍，让学生了解目前的技术瓶颈，引入最新的技术解决方案。其次，介绍采用飞秒脉冲激光制备FBG的新方法。飞秒激光加工是目前光纤传感和光纤激光方面的研究热点[5，6]。一方面，飞秒激光加工技术不受限于加工材料，不需要对光纤进行载氢预处理;另一方面，飞秒激光可以透过光纤涂覆层和包层直接聚焦在光纤纤芯位置进行加工，从而提高了光纤光栅的强度[7，8]。通过上述内容的介绍，目的在于让学生了解光纤光栅原理和最新的超快激光加工技术，加深学生对所学光学知识的理解，拓展课程的知识点，有助于学生了解最新的科技动态。

二、激光加工系统原理

在课程教学过程中，首先需要对飞秒激光加工的系统平台进行介绍。如图1（a）所示，所介绍的飞秒激光器工作波长为800 nm，重频1kHz，脉冲宽度35fs，经过反射镜后照射到63倍的油镜并聚焦在光纤纤芯位置。在加工过程中，需要采用相机对FBG栅区进行实时监测，调整光斑及聚焦深度，快门用于控制激光输出。在刻写过程中，为了对光纤光栅的光谱特性进行监测，将宽带光源经过光纤环行器后耦合进入所刻写的单模光纤，另一端与光谱仪相连接对FBG反射谱进行采集。该部分内容的介绍目的在于让学生对激光刻写系统有所了解，该系统融合了几何光学和激光方面的知识，对本课程具有很好的补充作用。其次对光纤光栅的结构进行介绍。光栅原理如图1（b）所示，光栅的反射波长由周期和纤芯有效折射率决定，光纤光栅方程公式（1）λ=2neffΛ，式中Λ为光栅周期，neff为纤芯有效折射率，因此，通过刻写不同周期的光栅能够实现不同反射波长FBG的制备。对于保偏光纤，由于光纤具有快轴和慢轴，因此保偏光纤布拉格光栅的反射光谱具有独有的双峰特点。通过对加工系统和FBG原理的介绍，让学生能够了解光纤光栅与平面光栅在结构和原理上的差异性，促进其对知识点的深入思考。

三、实验结果及分析

光纤光栅加工过程的介绍环节在课堂教学中十分重要，能够让学生直观了解样品的结构和特征。首先介绍激光加工实验系统。飞秒激光刻写PM-FBG加工平台及镜头如图2所示。加工镜头采用放大倍率为63倍的浸油物镜。实验中选用PM-1550光纤，单模光纤纤芯尺寸为9μm，涂覆层为丙烯酸酯材料。将光纤固定在三维移动平台上，通过调整焦距将飞秒激光光斑聚焦在光纤纤芯位置。分别刻写光栅周期为527nm、530nm、534nm的一阶PM-FBG，光栅栅区长度均为3000μm。由于光纤本身具有自聚焦的特性，采用逐点扫描刻写方式能够产生折射率调制的效果。对这部分的介绍能够让学生对光纤结构有所了解。其次介绍光纤光栅的测试方法和光谱特征，目的在于让学生了解光纤光栅能够用于传感的原因。实验中采用C+L波段（1520nm～1610nm）的宽带光源作为测试光源，结合光谱仪对不同周期的FBG反射光谱进行实时采集。光栅周期为527nm、530nm、534nm的光栅反射谱分别对应FBG1、FBG2、FBG3曲线。采集到的光谱如图3所示，能够观察到明显的光栅光谱。