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。

在教学过程中，对光栅的光谱细节进行介绍，通过对其进行描述，让学生观察PM-FBG的反射谱特征和强度变化，如图4所示。当刻写周期为527nm时，实现了反射波长为1526.4nm和1526.6nm的PM-FBG刻写，3dB宽度为0.64nm，光栅信噪比高于7.5dB，如图4（a）所示;当刻写周期改为530nm时，PM-FBG反射波长为1532.8nm和1533.1nm，

3dB宽度为0.67nm，信噪比高于7.48dB，如图4（b）所示;當刻写周期改为534nm时，PM-FBG反射波长为1545.6nm和1546.4nm，3dB宽度为0.69nm，信噪比高于7.5dB，如图4（c）所示。通过该实验部分的描述，能够增进学生对光纤光栅制备方法和光谱特征的认知程度。

通过对所制备FBG的光谱特性、线宽进行测试和分析，验证了基于飞秒激光直写制备PM-FBG的可行性和有效性。该方法不需要将光纤进行载氢处理，也不需要去除光纤涂层，提高了光纤光栅的强度。PM-FBG在光纤传感和光纤激光器领域中具有重要的应用价值，因此通过实现不同反射波长的FBG制备有助于让学生了解光纤光栅的加工技术。

四、结语

“工程光学技术”课程涵盖几何光学与物理光学两部分教学内容，对理论性和工程实践应用要求较高。在教学过程中，通过对飞秒激光直写技术制备PM-FBG的方法、光纤光栅加工平台、光谱测试等方面进行介绍，融合几何光学和物理光学中的多个知识点，有助于增加学生对本课程的理解，同时能够让学生对光栅原理、激光加工、光纤传感等知识点的理解更加直观形象，有助于开展“工程光学基础”课程的教学工作。

参考文献

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[2]Di Hu， Haifeng Xuan， Shuo Yang， et al. FBG Inscription in Multimode Microfiber via Point-by-Point Radiation with Femtosecond Laser.Proceedings Volume 10091， Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing[C]. San Francisco： SPIE LASE， 2017.

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[5]王巧妮，杨远洪，何俊，等.光纤布拉格光栅再生过程及模型研究[J].光学学报，2016，36（3）：46-53.

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[7]Litong Li， Dajuan Lv， Minghong Yang， et al. A IR-Femtosecond Laser Hybrid Sensor to Measure the Thermal Expansion and Thermo-Optical Coefficient of Silica-Based FBG at High Temperatures [J]. Sensors， 2018， 18（2）：359.

[8]Erden Ertorer， Moez Haque， Jianzhao Li， et al. Femtosecond Laser Filaments for Rapid and Flexible Writing of Fiber Bragg Grating[J]. Optics Express，2018，26（7）：9323-9331.

Design and Practice of Fiber Grating in the Course of “Engineering Optics Foundation”

HE Wei， ZHOU Zhe-hai， ZHANG Yu-min， LIU Feng， FAN Fan

（School of Instrument Science and Opto Electronic Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： Fiber grating is an important passive device. The concept of fiber bragg grating and its processing methods are introduced into the course of “Engineering Optics Foundation”， which can not only supplement the knowledge of physical optics， but also increase students cognition of the new processing method of waveguide devices. In the teaching process， taking polarization-maintaining fiber grating as an example， we can synthesize the knowledge of diffraction and polarization involved in the course， mainly including using femtosecond pulse laser as the fabrication light source， combining oil mirror and 3D mobile platform to build grating writing platform. The refractive index modulation is used in the fiber core by femtosecond laser point-by-point writing to obtain polarization-maintaining fiber bragg grating with different reflection wavelengths. The reflection spectrum of the grating is collected by the spectrometer. The above proposed processes are applied to practical theoretical teaching. On the basis of grating related theories， the process and method of fiber bragg grating preparation fabrication are more intuitive and visual， which is helpful for students to master the latest femtosecond laser processing technology， and has important significance for improving the teaching effect of “Engineering Optics Foundation” course.

Key words： Engineering Optics Foundation; fiber bragg grating; femtosecond laser; polarization-maintaining fiber