光纖光柵在“工程光學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)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(xué)部分的補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)，還可以增加學(xué)生對(duì)波導(dǎo)器件加工新方法的認(rèn)知。在教學(xué)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(shí)，主要包括采用飛秒脈沖激光作為加工光源，結(jié)合油鏡和三維移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)建光柵刻寫平臺(tái);采用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫方式在纖芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)周期性的折射率調(diào)制，獲得不同反射波長(zhǎng)的保偏光纖布拉格光柵;通過光譜儀對(duì)光柵的反射譜進(jìn)行采集。將上述過程運(yùn)用到實(shí)際理論教學(xué)中，在光柵相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，使光纖光柵制備過程和方法更加直觀形象，有助于學(xué)生掌握最新的飛秒激光加工光纖光柵技術(shù)，對(duì)于提升“工程光學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)效果具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 工程光學(xué)基礎(chǔ);光纖布拉格光柵;飛秒激光;保偏光纖

[基金項(xiàng)目] 2020年度北京信息科技大學(xué)教改項(xiàng)目“以學(xué)生為中心的工程光學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)方法改進(jìn)”（2020JGYB09）

[作者簡(jiǎn)介] 何 巍（1986—），男，北京人，博士，北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院副教授，主要從事光纖傳感系統(tǒng)與光纖激光器研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）21-0109-04? ?[收稿日期] 2020-11-10

一、引言

“工程光學(xué)基礎(chǔ)”課程是我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中，光柵是物理光學(xué)重要的知識(shí)組成，也是教學(xué)中的重難點(diǎn)。但是，學(xué)生對(duì)于該部分的理解通常局限于平面衍射光柵，缺少對(duì)光纖光柵知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知。光纖光柵作為一種光柵類光學(xué)器件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗電磁干擾、高信噪比等特點(diǎn)。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，以下簡(jiǎn)稱FBG）是光纖光柵的代表性器件之一，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、單頻激光、激光雷達(dá)、光譜分析等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。在教學(xué)過程中引入光纖光柵的原理及制備技術(shù)有助于學(xué)生了解新原理、新技術(shù)和新方法。加強(qiáng)對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，對(duì)本課程的教學(xué)效果具有很好的補(bǔ)充作用。

目前，針對(duì)FBG的制作和應(yīng)用已經(jīng)成為測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?！肮こ坦鈱W(xué)基礎(chǔ)”課程涵蓋光學(xué)器件、光學(xué)加工及光學(xué)應(yīng)用等多方面的內(nèi)容，將光纖光柵的原理和制備工藝引入教學(xué)過程中符合該課程的教授內(nèi)容。首先，對(duì)FBG的傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行介紹，主要包括氬離子激光或者準(zhǔn)分子激光作為刻寫光源，結(jié)合相位掩模工藝實(shí)現(xiàn)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(jīng)過載氫處理，而且只能在摻鍺材料的纖芯中才能實(shí)現(xiàn)折射率的調(diào)制;另一方面，在光柵刻寫前需要去除光纖保護(hù)層，并采用再涂覆工藝對(duì)柵區(qū)部分進(jìn)行保護(hù)，從而降低了光纖光柵的機(jī)械強(qiáng)度。通過上述內(nèi)容對(duì)傳統(tǒng)FBG的制備工藝進(jìn)行介紹，讓學(xué)生了解目前的技術(shù)瓶頸，引入最新的技術(shù)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(diǎn)[5，6]。一方面，飛秒激光加工技術(shù)不受限于加工材料，不需要對(duì)光纖進(jìn)行載氫預(yù)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(jìn)行加工，從而提高了光纖光柵的強(qiáng)度[7，8]。通過上述內(nèi)容的介紹，目的在于讓學(xué)生了解光纖光柵原理和最新的超快激光加工技術(shù)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)光學(xué)知識(shí)的理解，拓展課程的知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生了解最新的科技動(dòng)態(tài)。

二、激光加工系統(tǒng)原理

在課程教學(xué)過程中，首先需要對(duì)飛秒激光加工的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行介紹。如圖1（a）所示，所介紹的飛秒激光器工作波長(zhǎng)為800 nm，重頻1kHz，脈沖寬度35fs，經(jīng)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(jī)對(duì)FBG柵區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，調(diào)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(duì)光纖光柵的光譜特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將寬帶光源經(jīng)過光纖環(huán)行器后耦合進(jìn)入所刻寫的單模光纖，另一端與光譜儀相連接對(duì)FBG反射譜進(jìn)行采集。該部分內(nèi)容的介紹目的在于讓學(xué)生對(duì)激光刻寫系統(tǒng)有所了解，該系統(tǒng)融合了幾何光學(xué)和激光方面的知識(shí)，對(duì)本課程具有很好的補(bǔ)充作用。其次對(duì)光纖光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。光柵原理如圖1（b）所示，光柵的反射波長(zhǎng)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?qū)崿F(xiàn)不同反射波長(zhǎng)FBG的制備。對(duì)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(dú)有的雙峰特點(diǎn)。通過對(duì)加工系統(tǒng)和FBG原理的介紹，讓學(xué)生能夠了解光纖光柵與平面光柵在結(jié)構(gòu)和原理上的差異性，促進(jìn)其對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入思考。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

光纖光柵加工過程的介紹環(huán)節(jié)在課堂教學(xué)中十分重要，能夠讓學(xué)生直觀了解樣品的結(jié)構(gòu)和特征。首先介紹激光加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。飛秒激光刻寫PM-FBG加工平臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(dòng)平臺(tái)上，通過調(diào)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(qū)長(zhǎng)度均為3000μm。由于光纖本身具有自聚焦的特性，采用逐點(diǎn)掃描刻寫方式能夠產(chǎn)生折射率調(diào)制的效果。對(duì)這部分的介紹能夠讓學(xué)生對(duì)光纖結(jié)構(gòu)有所了解。其次介紹光纖光柵的測(cè)試方法和光譜特征，目的在于讓學(xué)生了解光纖光柵能夠用于傳感的原因。實(shí)驗(yàn)中采用C+L波段（1520nm～1610nm）的寬帶光源作為測(cè)試光源，結(jié)合光譜儀對(duì)不同周期的FBG反射光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。光柵周期為527nm、530nm、534nm的光柵反射譜分別對(duì)應(yīng)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。