光纤光栅

“现代传感与检测技术”课程学习汇报

光纤光栅传感器及其在医学上的应用

学院：机电学院

专业：仪器科学与技术

教师：刘增华

学号： S201201134

姓名：王锦

2013年03月

目录

第一章光纤光栅简介 (3)

1.1 光纤的基本概念 (3)

1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3)

1.3 光纤光栅的加工工艺 (4)

1.4 光纤光栅的类型 (5)

第二章光纤光栅传感器 (7)

2.1光纤光栅温度传感器 (7)

2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8)

第三章光纤光栅传感器的应用 (10)

3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10)

3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10)

3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11)

第四章总结 (12)

参考文献 (12)

第一章光纤光栅简介

1.1 光纤的基本概念

光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。

光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径

一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。

光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。

1.2 光纤光栅器件的基本概念

加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。

光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。

1.3 光纤光栅的加工工艺

一、光敏光纤的制备。采用适当的光线和光源增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光源时，光线的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率的变化呈现周期性的分布，并保存下来，就成为光纤光栅。

二、成栅的紫外光远。光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅的方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间干涉性特别重要。

三、成栅的方法。

1. 横向干涉法，即用双光束干涉所产生的干涉条纹对光纤曝光以形成光纤光栅。这种方法的优点是：<1>突破纵向驻波法对布拉格中心反射波长的限制，使人们可以充分利用各波段，行之有效，操作简单。<2>采用改变两束光的夹角或旋转光纤放置的方法都可以方便改变中心波长，如果将光线以一定角度放置于相干场，又可以得到Chirped型光纤光栅。缺点是：<1>全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求。<2>欲得到准确的布拉格中心反射波长，对光路调整有着极高精度要求。<3>全息相干法要有一定的曝光时间，这就要求在曝光时间内光路保持狼嚎的防震，以避免波长量级的扰动造成光路错位，恶化想干效果。

2. 相位掩膜成栅技术，这种方法的关键是使用一个相位掩膜器（相位母板），该掩膜器是一个在石英硅衬底上刻制成周期为 的位相光栅，他可以用全息曝光或电子束刻蚀结合反应离子束刻蚀技术制作。

3. 逐点写入法，即将光束经柱面镜聚焦成细长条后在光纤侧面上曝光，写入光栅条纹。当一个光栅条纹写入后，光线必须要以纳米级的精度移动一个光栅节距，因此我们把这种方法称作逐点写入光栅条纹。

4. 相位掩膜投影成栅法,是相位掩膜成栅技术的改进，在相位掩膜器和成栅光纤之间插入一个10倍的圆柱形透镜，从而是光纤成栅容易，同时减少了对相位掩膜器损伤的危险。

5.线性调制的Chirp光栅成栅法，前面的几种写入成栅方法可以写入均匀光栅，也可以写入线性调制Chirp光栅。但由于Chirp光栅在色散补偿系统中多表现出巨大的潜力，所以各种专门制造的Chirp成栅的方法，如两次曝光法、光线弯曲法，锥形光纤法及应力梯度法等纷纷涌现。

6. 长周期光栅成栅法，掩膜法是目前制作长周期光纤光栅最常见的一种方法，可制成周期60um--1mm范围内变化的光栅，这种方法虽紫外光的相干性没

有要求。目前由于各种精密移动平台的研制买这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多地被采用。

7. 新的光纤光栅制作方法，主要有直接写入法、在线成栅法、光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列发、用聚焦二氧化碳激光器写入长周期光栅LPG 、用聚焦离子束写入光纤光栅。

四、光栅的切趾。

在光栅中光感折射率调制的振幅沿着光栅长度有一个钟形函数的形状变化。光学切趾能避免光栅的短波损耗和有效抑制布拉格光纤光栅反射谱,并能减少嗯啾光纤光栅时延特性的振荡 ,因此对切趾光纤光栅的研究具有十分重要的意义。

随着WDM （波分复用）系统通道数的增加，WDM 要求作为波长选择器的FBG 不仅要能很好地反射带内信号，更要能有限地限制带外反射，以避免信道间“串扰”问题的发生。为了达到合乎要求的边模抑制程度（大于30dB ），FBG 通常采用切趾技术。

1.4 光纤光栅的类型

光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为周期性光栅和非周期性光栅两类。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种要求。光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称chirped 光栅。光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波相互作用，将在光纤中传输的各种特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层活纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。

均匀光纤光栅分为光纤布拉格光栅、闪耀光纤布拉格光栅和长周期光栅；非均匀光栅分为chirped 光纤光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅。切趾光纤光栅和超结构光纤光栅。

一、均匀周期光纤光栅布拉格光栅

折射率分布： 二、线性啁啾光纤光栅

折射率分布：

)2cos()(max 1z n n z n Λ

?+=π))]}(2cos[(1){()(1z z V z n n z n neff ?π+Λ

?+?+=

三、切趾光纤光栅

折射率分布：

四、莫尔光纤光栅

折射率分布：

五、闪耀光纤光栅

折射率分布：

六、长周期光纤光栅

顾名思义，长周期光栅是指光栅的周期远远比普通布拉格光栅周期长的一种光纤器件，可达到几百微米，而一般的布拉格光纤光栅的周期不到1um 。布拉格光纤光栅的光学性质是基于光纤反向模式之间的谐振耦合而实现的，而长周期光纤光栅（LPFG ）的光学性质则是基于光纤内满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合。因而，与光纤布拉格光栅相比，长周期光纤光栅具有许多显著不同的特点。

)]cos(1)[0(21)(FWHM

z n z n neff neff ?+=π)2cos()2sin()0()(1z z L n n z n neff Λ

?+=ππ]cos )2cos(1)[0(cos)(0

1θπ?Λ+?+=?z n n z n neff

第二章 光纤光栅传感器

光纤布拉格光栅传感器的基本原理结构如下图，其中包括宽谱光源将于一定带宽的光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，在经过耦合器或者环形器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。而布拉格光纤光栅做探头测量外界温度、压力、或应力等被测量时，光纤自身的折射率活栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置及通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力和应力等值。

光纤光栅（FBG ）传感器原理图

在光纤光栅传感器系统中有各种各样的器件巧妙地将光路连接起来，处理光信号。主要分为无源器件和有源器件两种。所谓无源器件就是光纤器件在工作过程中无需要外加驱动电源；而有源器件就是需要外加驱动单元才能正常工作的器件。

2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅的中心反射波长可以表示为：

Λ=eff g n 2λ

温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为： T s s g

g

?+=?)(ζαλλ 式中：T

n n eff eff s ??==1ζ为光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度的变化关系；T

s ??ΛΛ=1α为光纤的热膨胀系数，描述光栅的栅距随温度的变化系数。可以看出，

g λ?和T ?之间呈线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动g λ?便可以确定环境温度T 。

现在我们来讨论用裸光纤光栅传感器对温度进行测量，下图为用一个裸光纤光栅（FBG ）对温度进行测量的原理图。中心波长为1.55um 的典型光纤布拉格光栅，在室温条件下，其灵敏度是8.2pm/°C ~ 12pm/°C.。

图为光纤布拉格光栅温度测量原理图 我们通过实验，得出了用裸光纤光栅测量温度的一组数据结果，如下。

图为裸光纤布拉格光栅温度测量结果坐标视图（,190.1550nm B =λ C C T ??=49~25）

从上图可以看出，用裸光纤布拉格光栅来测量温度其线性度比较好，，但是灵敏度比较低，为了增强起灵敏度，人们对此进行了各种设计，将光纤光栅粘贴于不同的基底材料和结构上，构成了各种新的温度传感器。

2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器

前面我们已经知道，巴拉格衍射的条件为

Λ=n 2λ

式中：λ是反射光波长，Λ是栅距，n 是闲心的有效折射率。光纤产生应变时，光纤光栅的栅距和折射率发生变化，引起后向反射波波长移动，因此有

n n ///?+Λ?Λ=?λλ

式中：n ?是折射率变化，?Λ栅距变化。

Butter 等最先推导最先推导了光线产生应变时的折射率变化：

εεμμP P P n n n -=---=?])1[(2

1/11122 其中])1[(2

111122P P n P μμ--=,ε是轴向应变，μ是泊松比。 对于典型的石英光纤：46.1=n ，16.0=μ，12.011=P ，27.012=P ,则P=0.22。假设

ε=?=Λ?ΛL L //

所以我们可以的得到

εελλ78.0)1(/=-=?P

这样我们就得到了光纤光栅应变测试的一般公式，也是裸光纤光栅应变测试的计算公式。

第三章光纤光栅传感器的应用

光纤光栅传感器有许多可拓展的应用领域，如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的载荷、应力、温度、和振动等参数进行实时安全监测；光栅也可以替代其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力、和加速度传感中。美国的MICRON--OPTICS公司所研制FBG应用系统Si425，可同时测量多达4路512个FBG传感器，扫描范围50nm，分辨率1pm，测量频率可达244Hz。

下面我们介绍光纤光栅传感器的几种常见的应用。

3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用

21世纪，智能结构技术必将导致自检测、自动制定维护整修计划方案的出现，这种技术革命将开创工程技术的新革命。这个领域将会使光纤技术、人工智能技术与材料科学及结构工程有机结合。结构集成光纤传感器将成为智能结构的光学神经，结构内的应变是一个主要的传感参量。

结构健康检测是一门新兴技术，目前比较通行的定义是由Housner于1997年提出的：利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。虽然这个定义在国内被广泛接受，但在国际上尚未形成一个权威的定义。

虽然学术界对于SHM的定义和系统构成还没有形成统一的认识，但由于SHM在大型基础工程中的广阔应用前景，各国都已经在积极开展该项新技术的应用研究。近几年来，由光纤光栅构成的传感网络已经应用于许多大型结构的安全检测方面。土木工程中的结构检测是应用光纤光栅传感器网络最活跃的领域，光纤光栅传感网络系统埋入结构中可形成智能结构。FBG传感器的精度非常高，具有很好的动态响应特性，可用于应力、应变、温度、固化度、振动等多种参量的测量，是智能材料系统和结构中最具应用前景的光纤光栅传感器之一。

3.2光纤光栅传感器在医学中的应用

传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器随人体组织的损害非常小，足以避免对正常医疗的干扰。许多医学应用中，传统的热电耦和热敏电阻温度计是不适用的。使用高频电流、微波和激光进行热疗法代替外科手术越来越受医学界的关注，增大诊断超声系统的超声波输出并且拓宽

高密度超声波的医疗应用也是一种趋势。

在这些医疗实践中，强的电磁场或者超声波压力场会在人体组织局部产生每厘米十几度的温度梯度，精确的测出温度分布是非常必要的。一种光纤光栅阵列温度传感器被设计用来测量超声波、温度和压力场，内部实时地研究病变组织的超声和热性质，传感器的分辨率为0.1℃精度为±0.2℃，测量范围为30℃~60℃。

光纤光栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量，这种测量是基于一种定向热稀释导流管方法。在这种方法中，医生将定向热稀释导流管插入病人的右心房并注射一种冷冻液，通过测量肺动脉血液的温度，结合脉动力就可以确定心脏泵血量，这对于心脏检测是很重要的，目前用于测温的传感器是常规的热敏电阻和热电耦。

巴西的Wehrle等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部，通过胸膛的变化，测量呼吸过程的频谱。这种测量可用在电致人工呼吸中，这是病人胸部装有高压电极，通过高压放电刺激隔膜神经帮助呼吸。用光纤光栅传感器控制高压放电的触发，见识病人呼吸情况，有利于改善电致人工呼吸的效果。如果用常规的电类传感器会受到高压放电的干扰。

新加坡总医院将南洋理工大学生物医学工程研究中研制的一种光纤光栅传感器用于外科校正，以便帮助医生检测患者的健康。买有光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘图设备可以绘出外科校正压力的空间图形，能用于见识患者站立式的脚底压力分布。

诊断超声波设备在意料中有许多应用，如：超声波外科、超声波热疗及超声波碎石等。超声波设备的输出功率需要用传感器来监视，常规的压电装置易受电磁干扰，信号变形，并且由于探头尺寸的限制，难于确定体内的超声波场。光纤光栅传感器可以克服这些困难，而且能同时测量几个点的超声波场。Fisher等人用光纤光栅传感器探测高频超声波场，由于在超声波波长比光栅短的情况下，在光栅中形成驻波导致光栅内应变不均匀，从而影响系统的响应，降低了光栅的效率。他们后来用了1mm长的光纤光栅测量超声波场，使压力分辨力达到约103-。目前应用于医学的最高超声波频率为4MHz，如果要测量这种频率Hz

/

的超声波，光栅长度应小于0.5mm。

3.3 光纤光栅在其他领域的应用

光纤光栅还在众多领域中有着广发的应用，比如，在化学领域中的应用，光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过倏逝场影响光栅的布拉格波长，利用这一事实通过对光纤光栅进行处理，可以制成探测各种化学物质的光纤光栅化学传感器。在核工业中的应用，有人通过实验测量了各种商业光纤光栅对γ辐射的敏感性，来制成对核辐射泄露的传感器。在电力工业中的应用，电路工业中的设备大

都处于强电磁场中，一般电类传感器无法使用。根据光纤光栅强的抗电磁干扰的特性制成各种传感器。光纤光栅传感器在船舶航运业、在航天器及地震探测等方面都具有重要意义。

第四章总结

光纤光栅传感器可拓展的领域的应用很多，在重大工程设施健康和安全监测领域的光纤光栅传感技术与系统方面，主要包括：用于桥梁大坝等大型建筑健康安全检测的光纤光栅传感技术与系统。用于高速路、高架路车辆超载超限检测的光纤智能交通检测系统，在有毒有害气体和生物化学物质探测的光纤传感技术与检测系统方面。

参考文献

[1] Kwok B, Withford M J, Dawes J M. Fabrication of tilted fibre gratings for medical applications[C]. Melbourne, VIC, Australia: Laser Institute of America, 2004.

[2] Rao Y J. Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors[J]. Optics and Lasers in Engineering. 1999, 31(4): 297-324.