基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性
第２６卷第７期２００６年７月
光学学报
ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２６。Ｎｏ．７
Ｊｕｌｙ，２００６
文章编号：０２５３—２２３９（２００６）０７—１０１３—３
基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性＊
恽斌峰陈娜崔一平’。
（东南大学电子工程系先进光子学中心，南京２１００９６）
摘要：提出了基于光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）包层模式的折射率传感方案。实验中，利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液，采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度，研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在１．３３００～１．４５８４的折射率范围内，包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大，在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度，最大达到了１７２ｎｍ／ｒｉｕ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｕｎｉｔ）。而且，包层模谐振的光谱半峰全宽（约０．０７ｎｍ）仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的１／４，能够获得更好的传感精度。
关键词：光纤光学；折射率传感器；腐蚀；包层模
中图分类号：ＴＮ２５３文献标识码：Ａ
ＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＳｅｎｓｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｉｂｅｒ
ＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＣｌａｄｄｉｎｇＭｏｄｅ
ＹｕｎＢｉｎｆｅｎｇＣｈｅｎＮａＣｕｉＹｉｐｉｎｇ
（ＡｄｖａｎｃｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＣｅｎｔｅｒ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｗｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｎｇｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｇｌｙｃｅｒｉｎａｑｕａｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｒｔｒａｔｉｏｎｓａｒｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｎｇｍｅｄｉａ．ａｎｄｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＦＢＧｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙｅｔｃｈｉｎｇｔｈｅｆｉｂｅｒｗｉｔｈＨＦｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ．ＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｅｔｃｈｅｄＦＢＧｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｏｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｉｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｒａｎｇｅｏｆ１．３３００～１．４５８４?ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｈｉｆｔｓｌｏｎｇｅｒｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘａｎｄａｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉＳａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｉＳｃｌｏｓｅｔｏｔｈａｔｏｆｆｉｂｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ’Ｓ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｒｅａｃｈｅｓ１７２ｎｍ／ｒｉｕ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｕｎｉｔ）．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｆｕｌｌ—ｗｉｄｔｈ—ａｔ－ｈａｌｆ—ｍａｘｉｍｕｍ（ＦＷＨＭ）ｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｉＳ０．０７ｎｍ，ｗｈｉｃｈｉｓａｂｅｕｔ１／４ｏｆｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏｒｅｍｏｄｅ，ｓ．Ｗｉｔｈｔｈｉｓｎａｒｒｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ，ａｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ；ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｏｒ；ｅｔｃｈ；ｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅ
１引言
光纤布拉格光栅传感器是一种新颖的光纤传感器，作为波长编码型光纤传感器，它已经被广泛应用于应变、温度等物理量的传感测量‘１￣“。长周期光纤光栅（ＬＰＧ）由于其谐振波长受外部折射率影响，所以作为折射率传感器得到了广泛的研究‘５￣７｜，但是由于长周期光纤光栅的光谱带宽在几十纳米的量级，测量精度受到了很大的限制。基于纤芯模式的光纤布拉格光栅折射率传感已经有相关报道［１ｎ１３］，但是光纤布拉格光栅的包层模式的折射率特性尚未有研究，本文提出基于光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）包层模式的折射率传感方案。
＊江苏省自然科学基金（ＢＫ２００４２０７）和国家杰出青年科学基金（６０１２５５１３）资助课题。
作者简介：恽斌峰（１９７９～），男，江苏常州人，东南大学电子工程系博士研究生，主要从事光纤光栅的传感应用技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｂｆ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
＊＊通信联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｐ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
收稿日期：２００５—１０—１８；收到修改稿日期：２００５—１２—１２
万方数据
光学学报
２原理
光纤布拉格光栅包层模式的谐振波长由下式决定‘１４｜：
ＡＦＢＧ，。一（咒嚣＋佗墨ｈ）以ＦＢＧ，（１）其中Ａ，ＢＧ。是第ｍ阶包层模式的谐振波长，咒：§和ｎｄＢ‰分别是纤芯模式的有效折射率和第ｍ阶包层模式的有效折射率，Ａ，ＢＧ是光纤布拉格光栅的折射率调制周期。根据光纤三层模型的光纤布拉格光栅包层模式分析［１朝和有限包层光纤布拉格光栅的理论分析［１６３可知，竹：ｋ和”。ｃｏ“都随外界折射率变化而变化，通过腐蚀光纤，包层的直径大大减小，包层模式受外界折射率的影响增强，从而增强了包层模式的谐振波长对外界折射率的灵敏度，通过测量包层模式谐振波长的偏移量，就可以实现高灵敏度的折射率传感。
３实验
实验中采用倍频氩离子激光器和相位掩模板在型号为ＰＳ－ＲＭＳ－３０的非包层模抑制光敏光纤上刻制了光纤布拉格光栅，布拉格纤芯模式的谐振波长在１５５０．２４ａｍ，半峰全宽为０．３ｎｍ，同时存在上百个包层模式，包层模式的光谱半峰全宽约为０．０７ｎｍ，是纤芯模式的１／４，但包层模的透射损耗比较小，约为１ｄＢ左右，通过腐蚀光纤布拉格光栅使光纤的包层直径减小，可以增强包层模光能量到外界的耦合，从而增强包层模式的损耗。首先将光纤布拉格光栅放在质量分数为４０％的氢氟酸中腐蚀４５ｍｉｎ，包层直径减小到十几微米［８］。随着包层直径的减小，高阶包层模式变成辐射模，光栅中的包层模式数也逐渐减少，实验得到腐蚀后包层模式的光谱图如图１所示，经腐蚀后只留下了七阶包层模，采用透射率最大的第四阶包层模进行折射率传感，它的透射损耗达到６．５ｄＢ，完全满足传感应用的要求。
ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＭｎｍ
图１腐蚀后光纤布拉格光栅的包层模式光谱图
Ｆｉｇ．１ＳｐｅｃｔｒｕｍｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｏｆＦＢＧａｆｔｅｒｅｔｃｈｉｎｇ
因为包层模式的光谱半峰全宽为０．０７ａｍ，接近光谱仪的分辨力，所以采用基于可调谐激光器的光波测试系统（Ａｇｉｌｅｎｔ８１６４Ａ）进行折射率传感，实验装置如图２所示。实验中，随着外界折射率的增大，光纤包层折射率和外界折射率之间的差越来越小，从而导致光纤布拉格光栅中的一些高阶包层模转变为辐射模而消失。而残留的包层模随着外界折射率和光纤包层折射率差的减小，使越来越多的光能量耦合到外界，从而随着外界折射率的增大，光纤布拉格光栅存在的包层模数越来越少，包层模的透射损耗略有增大，而包层模的带宽基本不变。
Ａｇｉｌｅｎｔ８１８６ｌｉｇｈｔｗａｖｅ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
Ｇｌｙｃｅｒｉｎｓｏｌｕｔｉｏｎ
图２折射率传感实验系统图
Ｆｉｇ．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｏｆｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｎｇ
在保证第四阶包层模存在的前提下，通过采用不同浓度的丙三醇水溶液来改变外界折射率，通过测量不同外界折射率中第四阶包层模式的谐振波长偏移来进行折射率传感实验。第四阶包层模式谐振波长的偏移量随外界折射率的关系曲线如图３所示，从图中可以看出，随着外界折射率的增大，第四阶包层模式的谐振波长向长波长方向移动，且外界折射率越接近光纤包层折射率，包层模式的折射率灵敏度越大。从图４可以看出，在接近光纤包层折
它
嚣
图３第四阶包层模式谐振波长偏移量和外部
折射率的关系图
Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｈｉｆｔｓａｎｄｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｆｏｒｔｈｅｆｏｕｒｔｈ
ｏｒｄｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅ
万方数据
７期恽斌峰等：基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性１０１５
射率范围内，第四阶包层模式有很高的折射率灵敏
度，最大灵敏度达到１７２ｎｒｉｌ，大于文献［８］中实现的
７．３ｎｍ和文献［９］中实现的７１．２ｎｍ的折射率灵敏
度。
ｊ｝
０
Ｈ
／
／
≯ｊｊ。
／－－ｊ？ｊ
。ｊ．—ｌ
１．４３５１．４４０１．４蛎１．４５０１．４５５１．４６０
Ｅｘｔｅｒｍａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ
图４第４阶包层模式的折射率灵敏度图
Ｆｉｇ．４Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｆｏｕｒｔｈｏｒｄｅｒ
ｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅ
４结论
通过氢氟酸腐蚀光纤减小光纤包层直径来增大
包层模式对外界折射率的敏感度，利用不同浓度的
丙三醇水溶液来改变外界折射率，研究了腐蚀后包
层模式的耦合波长对外部折射率的关系。与其他基
于布拉格光栅的折射力传感技术相比，具有工艺简
单，腐蚀后的光栅具有更好的机械强度，不易断裂以
及光谱带宽小，分辨率高的优点。
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万方数据
基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性
作者：恽斌峰， 陈娜， 崔一平， Yun Binfeng， Chen Na， Cui Yiping
作者单位：东南大学电子工程系先进光子学中心,南京,210096
刊名：
光学学报
英文刊名：ACTA OPTICA SINICA
年，卷(期)：2006,26(7)
被引用次数：6次
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取样光纤布拉格光栅特性的研究_肖永良
第32卷 第4期光电工程V ol.32, No.4 2005年4月 Opto-Electronic Engineering April, 2005文章编号：1003-501X (2005) 04-0053-03 取样光纤布拉格光栅特性的研究 肖永良1，秦子雄1，曾庆科1，韦芙芽2 ( 1. 广西师范大学物理与信息工程学院，广西桂林 541004； 2. 南昌航空工业学院电子系，江西南昌 330034 ) 摘要：用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性。这种方法将光栅视为多 层均匀薄膜的叠加，利用每一层的传输矩阵相乘获得了光栅的反射谱特性。研究表明，随着光栅长度的增加和采样率、折射率调制深度的减少，反射峰的均匀性得到了改善，旁瓣的反射率变小，带宽明显变窄，而反射峰间隔保持不变。反射峰的间隔由光栅周期决定，与采样率无关，而某些文献则要求采样率小于10%。这与频谱分析所得结论相吻合。 关键词：光纤光栅；取样光纤布拉格光栅；反射谱；传输矩阵 中图分类号：TN253 文献标识码：A Study on properties of sampled fiber Bragg grating XIAO Yong-liang1, QIN Zi-xiong1, ZENG Qing-ke1, WEI Fu-ya2 (1. College of Physics and Information Engineering, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China; 2.Department of Electronics, Nanchang Institute of Aeronautical Technology, Nanchang 330034, China ) Abstract:Reflective spectral properties of sampled fiber Bragg grating is theoretically calculated by transfer matrix method. With this method, the grating is regarded as the overlapping of multi-layer uniform thin film and the reflective spectral properties of the grating are calculated by multiplying transfer matrix of each layer. The study shows that with the increase of grating length and the decrease of sampling rate and refractive index modulation depth, the uniformity of reflective peak will be improved, the reflectance of the side lobes will decrease slightly and the band width will be obviously narrowed but the interval between two reflective peaks is maintained constant. The interval between reflective peaks is determined by grating period and is independent of sampling rate. Some references require that the sampling rate must be less than 10%. This is consistent with the conclusion obtained from spectrum analysis. Key words: Optical fiber grating；Sampled fiber Bragg grating；Reflective spectrum；Transmission matrix 引言 光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性动态可控以及结构紧凑、易于集成等特点。取样光纤光栅除有一般光纤光栅的优点之外，它的反射谱响应还具有通道多、通道间隔稳定、通带窄的独特特性，在现代大容量高速率波分复用光纤通信网中有着广阔的应用前景。由取样光栅构成的新型光子学器件有：多波长激光器、信道交错器、波分复用/解复用器和多信道色散补偿器等[1-4]。分析光纤光栅可以用傅立叶变换法和耦合模理论[5]。前者物理意义直观，但难于求解；后者采用数值法解 收稿日期：2004-08-05；收到修改稿日期：2004-12-19 基金项目：广西科学基金(桂科回0448011)；广西高校百名中青年学科带头人资助计划；广西师范大学校重点基金 作者简介：肖永良(1978-)，男(汉族)，湖南双峰人，硕士生，从事光纤通信器件与传感器方面的研究。E-mail: xylroc@https://www.360docs.net/doc/662896589.html,
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术 电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。 1.FBG 光学传感器基础 1.1概述 近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。 在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。 1.2光纤传感器简介 从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。 光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。
光纤布拉格光栅温度应力传感器要点
光纤布拉格光栅温度应力传感器 崔丽 10401067 摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。 关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器 1. 引言 光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯
多峰光纤布拉格光栅传感信号的自适应寻峰处理_陈勇
第42卷第8期 2015年8月Vol.42,No.8August,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 多峰光纤布拉格光栅传感信号的自适应寻峰处理 陈勇1杨凯1刘焕淋2* 1重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065 2重庆邮电大学光纤通信技术重点实验室,重庆400065 摘要针对寻峰算法不能自适应检测光纤布拉格光栅(FBG)多峰值光谱的问题，提出了一种多峰自适应寻峰算法。 采用滑动均值滤波法对光谱信号进行去噪预处理，并结合希尔伯特变换对多峰光谱自适应峰值区域分割；分析了 谱峰的不对称特性，对单峰光谱采用基于非对称广义高斯模型的峰值修正策略，实现了峰值的精确定位。实验结 果表明，与对比算法相比所提算法寻峰精度最高，稳定性最好，检测误差在1pm 以下，对分布式传感网络中的多峰 值检测具有借鉴意义。 关键词光纤光学;多峰寻峰算法;光纤布拉格光栅;自适应;非对称光谱 中图分类号TP212文献标识码A doi:10.3788/CJL201542.0805008 A Self-adaptive Peak Detection Algorithm to Process Multi-peak Fiber Bragg Grating Sensing Signal Chen Yong 1 Yang Kai 1Liu Huanlin 21Key Laboratory of Industrial Internet of Things &Network Control,MOE,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China 2Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China Abstract To the problem of the peak detection that could not be adaptively solved in the multi-peak fiber Bragg grating (FBG)signal,a self-adaptive multi-peak detection algorithm is proposed.This algorithm uses the sliding mean filtering method to remove the noise in spectral signal,and combines with the Hilbert transform to adaptively segment the peak area of the multi-peak spectrum.By analyzing the asymmetric characteristic of spectral peak, a peak value is compensated by the strategy based on the asymmetric generalized Gaussian model for improving position precision of spectral peak.Experimental results show that the proposed algorithm could gain higher accuracy and better stability than the comparing algorithms,and the detection error is under 1pm.The proposed algorithm impacts on the multi-peak detection of distributed sensor networks. Key words fiber optics;multi-peak detection algorithm;fiber Bragg grating;self-adaptive;asymmetric spectrum OCIS codes 060.3735;070.2025;070.4790 收稿日期:2015-03-12;收到修改稿日期:2015-04-12 基金项目:国家自然科学基金(61275077)、重庆市研究生科研创新项目(CYS14151) 作者简介:陈勇(1963—)，男，博士，教授，主要从事光纤传感检测及其信号处理等方面的研究。 E-mail:chenyong@https://www.360docs.net/doc/662896589.html, *通信联系人。E-mail:liuhl@https://www.360docs.net/doc/662896589.html, 1引言光纤布拉格光栅(FBG)作为一种光纤传感器件，由于其具有易弯曲、耐腐蚀、耐高温、安全性高、易串接复用、对宿主材料结构性能影响小等特点，被广泛应用于土木工程、石油化工、航空航天等工程领域。工程中将FBG 传感器复用构成分布式传感网络，以实现恶劣环境下大型复杂工程结构的实时在线监测[1-3]。FBG 传感系统是通过建立其反射谱中心波长漂移量与待测物理参量间的函数关系，间接实现对待测参量变化量的
倾斜布拉格光纤光栅应用研究
征文专题号： P-5 倾斜布拉格光纤光栅及应用研究 刘波1，苗银萍2，张昊1 (1 南开大学信息技术科学学院，天津，300071 2 天津理工大学电子信息工程学院，天津，) 摘要：自上世纪70年代，Hill等人成功地写制了第一根布拉格光纤光栅以来，光纤光栅特别是布拉格光栅，以其低插入损耗，易于集成，稳定性好等优点被广泛应用于光通信及传感领域，成为了不可缺少的光学元件。与普通布拉格光栅相比，倾斜布拉格光纤光栅的成栅面与光纤轴向垂直面呈一定角度的倾斜。因此，其耦合特性与布拉格光栅有很大区别，并且因倾斜角度而不同。当倾斜角度较小时，其存在前向基模与后向基模以及后向包层模的耦合。随着角度增大，前向基模与后向基模耦合减弱，与后向包层模的耦合增大。当倾斜角大于一定角度时，前向基模向前向包层模耦合，耦合强度随角度增大而增大。小角度倾斜布拉格光栅由于布拉格峰的存在而自身能够解决交叉敏感问题，从而在实际中得到了广泛的应用。 由于耦合到包层中的模式很容易受到外界环境参量的调制，倾斜光纤光栅可以设计成各式各样的传感元件。利用这一特性，我们设计出了基于强度解调的倾斜布拉格光纤光栅的折射率传感器，实现了在1.3723到1.4532范围内，灵敏度为-1.913dBm/折射单位的传感。将聚乙烯醇涂敷在倾斜布拉格光栅的栅区，利用聚乙烯醇吸收水分后折射率发生改变的特性，设计出湿度传感器，实现了相对湿度在20%~74%范围内灵敏度为2.52dBm/湿度百分比以及相对湿度为74%~98%范围内灵敏度为14.947dBm/湿度百分比的传感。利用倾斜光栅浸入液体的长度不同响应不同的特性设计出了液位传感器，实现了测量范围为14mm，灵敏度为0.1dBm/mm的传感。进一步实验证明，这种基于强度解调的液位传感对于温度并不敏感。对倾斜光栅的栅区进行腐蚀，其温度灵敏度不会发生变化而对折射率的灵敏度随腐蚀程度增大而增大。此外，将倾斜光栅浸入功能性液体材料能得到其他物理参量的测量，如将倾斜光栅浸入磁流体中，我们设计出了磁场传感器。 小角度的倾斜布拉格光栅的耦合特性包括前向基模与后向基模的耦合，以及前向基模与后向包层模的耦合，由此产生了两种不同类型的谐振峰。利用这两类谐振峰对大部分外界参量响应不同可以实现单个倾斜布拉格光栅的双参量传感。由于温度对于基模和包层模有效折射率的影响一致，倾斜光栅的包层模谐振峰与布拉格谐振峰的温度响应是一致的，而对于应变的响应不同，我们设计出了应变温度双参量传感。其布拉格峰与包层模谐振峰温度响应为11.1pm/°C，应变响应分别为：K Bragg,ε=0.657pm/με，K Clad, ε=0.766pm/με。对倾斜光栅进行弯曲，我们得到布拉格峰及Ghost峰的不同响应：布拉格峰与曲率呈线性关系而Ghost峰与曲率呈二次函数关系。另外，不同弯曲方向的包层模谐振峰的响应也不同。 利用谐振峰线性边沿的特性提出了倾斜光栅线性沿解调理论。应用该理论以及布拉格峰与包层模谐振峰温度响应一致的特性设计出了基于倾斜光栅的动态温度补偿系统的应变传感器。 此外，我们利用相位掩膜紫外侧写技术在柚子型光纤上写制了倾斜角为2°~5°的倾斜布拉格光栅，研究了传感特性。对其填充功能性材料能够实现其他物理量的传感，如填充磁流体能够实现磁场的传感。
光纤布拉格光栅
光纤光栅的发展历史 在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。 1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。 1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。 1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。 自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。 光栅光纤的应用 光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。 光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。 光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。 光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。 光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm?1耦合系数为50cm?1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。 光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚
光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用按测量种类分类
1.1.1光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 1.按测量种类分类 1）单参量测量 光纤光栅的单参数测量主要是指对温度，应变，浓度，折射率，磁场，电场，电流，电压，速度，加速度等单个参量分别进行测量。用一宽带发光二极管作为系统光源，利用光谱分析仪进行布拉格波长漂移检测，这是光纤光栅作为传感应用的最典型结构。 2）双参量测量 光纤光栅除对应力，应变敏感意外，对温度变化也有相当的敏感性，这意味着在使用中不可避免地会遇到双参量的相互干扰。为了解决这一问题，人们提出了许多采用多波长光纤光栅进行温度，应变双参量同时检测的实验方案。在工程结构中，由于各种因素相互影响，交叉敏感，因此这种多参数测量技术尤其重要。目前多参数传感技术中，研究最多的是温度—应变的同时测量技术，也有人进行了温度—弯曲，温度—折射率，温度—位移等双参数测量以及温度—应变—振动—负载的多参数测量。 3）分布式多点测量 将光纤光栅用于光纤传感的另一优点是便于构成准分布式传感网络，可以在大范围内对多点同时进行测量。典型的基于光纤光栅的准分布传感网络，可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的检测。虽然方法各异，但均解决了分布测量的核心问题，为实用化研究奠定了基础。 2按应用领域分类 1）在土木工程中的应用 土木工程中的结构健康检测是光纤光栅传感器应用中最活跃的领域。对于桥梁，隧道，矿井，大坝，建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构内 的局部载荷状态，方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。而且，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布是检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。 2)在航空航天及船舶中的应用 增强碳纤维复合材料抗疲劳，抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋放光纤光栅传感器，可实现飞行器或船舰运行过程中机载传感系统的实时健康检测和损伤探测。 一架飞行器为了监测压力，温度，振动，起落驾驶状态，超声波场和加速度情况，所需要的传感器超过100个，美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时健康检测。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩，剪切压力，甲板所受的冲击力，普通船体大约需要100个以上的传感器，因此复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。 3)石油化工中的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐，油气井，油气管等地方的测量具有不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。美国CiDRA公司发展了基于光纤光栅的监测温度，压力和流量等热工参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业的钻井监测，以及海洋石油平台的结构检测。
光纤布拉格光栅温度传感器响应
目录 1 绪论 (1) 1.1 研究目的及意义 (1) 1.2 光纤光栅发展历史 (2) 1.3 光纤光栅传感的优点 (3) 1.4 光纤光栅传感的发展和应用情况 (4) 1.5 存在的问题 (6) 1.6 论文的主要内容及工作 (7) 2. 光纤光栅的简介 (8) 2.1 光纤光栅的分类 (8) 2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺研究 (10) 2.2.1 现有封装工艺分析 (10) 2.2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺 (12) 2.3 光纤光栅制作技术 (13) 2.3.1 干涉写入法 (13) 2.3.2 逐点写入法 (14) 2.3.3 组合写入法 (14) 3. 光纤布拉格光栅传感原理 (16) 3.1 光纤光栅传感原理 (16) 3.2 光纤布拉格光栅耦合模理论 (17) 3.2.1 光纤布拉格光栅特性 (17) 3.2.2 耦合模理论[26] (19) 3.3 光纤布拉格光栅温度传感原理[28] (25) 3.4 FBG温度传感器的响应时间 (27) 3.4 光纤布拉格光栅解调技术 (30) 3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (30) 3.4.2 可调谐光纤F-P滤波法 (32) 3.4.3 匹配光栅法 (32) 4. 系统的设计 (34)
4.1 光纤光栅温度传感系统 (34) 4.2 高温测试的分析 (34) 4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (35) 4.4 实验仿真 (36) 5 结论 (43) 参考文献 (44) 致谢 (46)
1 绪论 1.1 研究目的及意义 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤布拉格光栅是用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器，以其抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点，越来越广泛应用于传感器领域。将其埋入材料或者结构，以通过光纤布拉格光栅传感器的传感特性监测内部的物理变化如应变、温度、压力，进行全面有效的在线实时监测，增加对材料制造过程中以及工作期间的状态透明度。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点: 1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好; 2.易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; 3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作; 4.轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感; 5.光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及祸合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力; 6.高灵敏度、高分辨力。 正是由于这些独特的优点，使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。 温度传感是光纤布拉格光栅传感器最重要的应用之一。光纤布拉格光栅反射波长的漂移量是其在温度传感理论中的重要参数。作为温度传感元件，人们希望光纤布拉格光栅具有大的温度灵敏度，以期获得高的温度分辨率。然而，由于光纤光栅材料的热光系数和热膨胀系数都较小，光纤光栅的温度灵敏度非常低，并且裸光栅本身易损坏，这些问题严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。并且，光纤布拉格传感器在进行高温测试时能测量的温度有所局限，不能满足目前某些特定领域的测量。因此，为了解决这些问题，本课题着重对用光纤布拉格传感器应用到高温测试以及光纤布拉格温度传感器响应
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征 利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。 当今光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。在此以光纤布拉格光栅传感器及其网络技术为典例作说明。 应用光纤布拉格光栅传感器对与温度和应变相关的物理量进行测量是目前监控领域中先进的传感技术之一。 目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期 光纤布拉格光栅传感器的结构是利用紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光Li通过传输光纤射入时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光Lr，其余宽带光Lt继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，多个光栅阵列形成光纤布拉格光栅(FBG)传感网络。各FBG反射光的中心波长为，=2n，式中，n 为纤芯的有效折射率；为纤芯折射率的调制周期。 作用在FBG传感器结构上有入射光谱与反射光谱及透射光谱等3种光谱。而反射回来的窄带光的中心波长随着作用于光纤光栅的温度和应变成线性变化，中心波长的变化量为。 对于光纤光栅反射中心波长(短周期光纤光栅)或透射中心波长(对长周期光纤光栅) 与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化，即其变化量与应变量及温度变化相关。 基于FBG传感网络的分析仪可根据=2n，可以在反射光中寻址到每一个光栅传感器。根据变化量并利用参考光信息可以解调出被测量的温度和应变值。将FBG附着于材料性能和几何尺寸确定的机械结构上还可以制造基于应变的力传感器、位移传感器和振动传感器等。 采用FBG作为温度和应变测量的敏感元件最显而易见的优势就是实现全光测量，监测现场可以没有电气设备，不受电磁干扰。另一个最主要的优势是被测量用波长这种绝对量编码，不易受外部因素干扰，因而稳定性和可靠性极好。FBG传感器可以经受几十万次循环应变而不劣化，测量应变可以精确到。同时由于单路光纤上可以制作上百个光栅传感器，特别适合组建大范围测试网络，实现分布式测试。
光纤布拉格光栅(FBG)介绍
光纤布拉格光栅(FBG)介绍 1 介绍 FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。 在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。 近年来，随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，这些方法各有其优缺点，下面分别进行评述。 2光纤光栅制作方法 2.1光敏光纤的制备 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1)掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。3)高压低温氢气扩散处理。4)剧火。
2.2成栅的紫外光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。2.3成栅方法光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。 目前主要的成栅有下列几种。 1)短周期光纤光栅的制作 a)内部写入法内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的人射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。示。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由∧=λuv/(2sinθ)给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
光纤布拉格光栅写制技术研究
光纤布拉格光栅写制技术研究 摘要：光纤光栅广泛应用于光纤传感和光纤通信领域，不同的应用场合对光纤光栅的特征参量提出了不同的要求。本文通过调节光纤光栅相位掩模法制作参数，测定不同参数对光纤光栅光谱特性的影响规律并分析其原因，进而通过写制参数控制光纤光栅的光谱形状，对制作确定光谱参数的光纤光栅具有指导意义。 关键词：光纤光学；光纤光栅；制作技术 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0092-03 1 引言 相位掩模法[1]是制作光纤布拉格光栅最常用的方法，在商业化的大批量生产中，一般通过制作大量光纤光栅，从中选取符合设计要求的使用。对于大规模光纤光栅传感阵列[2-4]，需要在单根光纤上制作多个具有确定性能的光纤光栅，这需要精确控制制作参数以保证写制光纤光栅的性能符合设计要求。光纤光栅新型器件[5-12]的制作需要将光纤光栅写在不同的波导结构上，同样需要对光栅写制参数的精确控制，因此，研究光纤光栅写制参数对其性能的影响规律具有重要的实用价值。 本文通过分析影响光纤光栅光谱特性的主要参数，搭建
光栅写制实验测试平台，通过调节准分子激光器的重复频率、脉冲能量、曝光时间及改变待刻栅光纤两端的预应力，测试写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，为写制确定光谱特性的光纤光栅以及光纤光栅写制过程中的调整提供 指导。 2 写制参数控制实验 实验采用248nm准分子激光器曝光相位掩模板写入法，图1就是相位掩模法制作光纤光栅的示意图。 通过相位掩模法制作光纤光栅的工艺过程分析，有一些工艺制作因素对实际制作的光纤光栅性能影响颇为明显，我们选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，搭建光纤光栅制作系统，测试上述参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，实验测试及分析过程如下： 2.1 曝光能量 ?x用载氢三周的普通抗弯光纤作为研究对象，写入光栅长度6mm，设定准分子激光器脉冲重复频率10Hz，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，用同一块相位掩模板，依次调节激光器输出能量为19kv、22kv、26kv、30kv，测试不同脉冲能量下写入光栅的特性差异。 从写制过程可看出，随着脉冲能量增大，刻写相同反射率光纤光栅所需的曝光时间减少，所能达到的最大反射率增
几种常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
一布拉格光纤光栅原理
一．布拉格光纤光栅原理 布拉格光纤光栅（FBG）是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。 UV Beam -- 紫外线激光束； FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域； Fibre Core -- 光纤中心； FBG period Λ-- 布拉格光纤光栅周期； Fibre Cladding -- 光纤覆层； Polymer fibre coating -- 聚合物光纤涂层 短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。 布拉格波长λΒ由下式决定： λΒ=2neff Λ (1) 这里，neff 为激光在光纤内传播的有效折射率；Λ为布拉格光栅的周期。 从等式（1）可以看出，反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。例如，由于弹光效应，光纤上的应变会改变Λ和neff. 类似地，由于热光效应，温度的变化会导致neff 的改变；对于非约束光纤，Λ会受到热膨胀和热收缩的影响，如等式（2）所示。其中，等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响，第二项描述温度对λΒ的影响。 ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT (2) 式中，ΔλΒ为布拉格波长的变化，ρα, α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数，Δε表示应变的变化，ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB ≈ 1550 nm的典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με和10 pm/oC。 尤为重要的是，等式（2）的两项条件是独立的，这意味着布拉格光纤光栅（FBG）可通过将光纤与应变隔离，从而进行温度的测量；而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下进行，这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅（FBG）。 布拉格光纤光栅（FBG）除了可用于应变和温度测量外，还可通过植入换能器，用于压力、加速度、位移等测量。Smart Fibres公司不仅生产FBG传感器和换能器，还研发生产用于照射光纤以及调制解调布拉格反射的设备。 变化 ·可使用一种倾斜滤光片（可以是另一种布拉格光栅）直接将波长变化转换为光强变化。如果此滤光片随波长变化的透光比已知，那么，单模光栅上反射的窄带波长可通过测量和比较穿过和阻挡的光波的强度即可确定。对于具有如下左下图所示的透射谱的滤光器，当布拉格波长从λ1增加到λ2时，减少的透射强度及反射或阻挡的光波强度Ir 会相应地增加。这是对布拉格光纤光栅进行解调的最简