光纤布拉格光栅FBG
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)。
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。
今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。
它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。
而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。
FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。
当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。
而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。
检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。
是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。
其实，这也是利用了光纤的折射现象。
当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。
而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。
是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。
在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。
只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。
比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。
随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。
今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。
希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。
(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
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光纤的光敏特性
❖ 掺杂光纤光敏性机理
▪ 掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ▪ 外界光场作用下通过单光子或双光子吸收
过程使错位键破裂形成色心 ▪ 标准光纤：GeOx ▪ 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
（铕）, Cerium（铈）
❖ 影响光纤光敏性的因素
▪ 掺杂种类与掺杂浓度 ▪ 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 ▪ 拉纤速度影响光纤光敏性 ▪ 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
❖ 增加光纤光敏性的方法 ▪ 低温载氢处理
• 压力：20—750atm(典型150atm)，温 度：20—75℃，时间：数十小时至数 天
❖ ⅡA（Ⅲ）类光栅
▪ 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 ▪ 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， ▪ 结构重构引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n＜0 ▪ 温度稳定性较好（500℃） ▪ 可使脉冲或连续激光
❖ Ⅱ类光栅
▪ 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 ▪ 物理破坏引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n可达10-2 ▪ 温度稳定性好（800℃） ▪ 只能使用脉冲激光
光纤布拉格光栅(FBG)
多功能FBG
研发具有多参量感知能力 的FBG，如同时感知温度 和应变，提高FBG在实际 应用中的多功能性。
耐久性和稳定性
提高FBG的长期稳定性和 耐久性，使其在恶劣环境 下仍能保持可靠的传感性 能。
FBG在物联网领域的应用前景
智能交通
工业自动化
利用FBG传感器监测道路状况、车辆 速度和流量等信息，提高交通管理效 率和安全性。
光纤布拉格光栅(FBG)
contents
目录
• 引言 • FBG的基本原理 • FBG的制造工艺 • FBG的应用案例 • FBG的未来发展与挑战 • 结论
01 引言
FBG的定义与特性
定义
光纤布拉格光栅是一种特殊的光纤结 构，通过在光纤中产生周期性的折射 率变化，实现对特定波长光的反射。
特性
FBG具有窄带反射特性，反射光谱范 围窄、精度高、稳定性好，且易于与 光纤系统集成，适用于长距离、高可 靠性的光信号传输和传感应用。
写入技术
目前最常用的写入技术是 采用紫外激光干涉法，通 过在光纤上产生干涉图案 来形成光栅。
写入速度与精度
提高写入速度和精度是关 键技术难点，这有助于提 高生产效率和降低成本。
FBG的性能参数与测试方法
性能参数
01
光纤布拉格光栅的性能参数包括反射光谱、温度稳定性、机械
稳定性等。
测试方法
02
对光纤布拉格光栅的性能参数进行测试，可以采用光谱分析仪、
优势
FBG具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰等优势，使其在许多领域 中成为理想的选择。
未来发展前景
随着科技的不断发展，FBG的应用前景将更加广阔，其在各个领域 中的价值也将得到更充分的体现。
FBG的未来发展方向与挑战
第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
掺N2（氮气）
• SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加 倍 • 折射率变化～2.8×10-3
高温载氢处理
• 在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将 光纤加温至600℃ • 短时间（10秒）内增加光纤的光敏性
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光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 较低UV曝光量 局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 温度稳定性较差（300℃） 可使脉冲或连续激光，前者更有效 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， 结构重构引起折射率变化 折射率变化⊿n＜0 温度稳定性较好（500℃） 可使脉冲或连续激光 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 物理破坏引起折射率变化 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好（800℃） 只能使用脉冲激光
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是一种在光纤中制造的周期性折射率调制结构。
它可以实现对光信号的反射和透射控制，因此在光通信、光传感和光纤激光器等领域有着广泛的应用。
FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一，下面将对其进行详细介绍。
1.反射谱FBG的反射谱是指当光信号入射到FBG上时，被FBG反射的光的频谱特性。
当光信号穿过光纤进入FBG后，根据FBG的周期性折射率变化，会发生部分光的反射。
这些反射光的波长取决于FBG的周期和折射率调制情况。
反射谱可以通过光谱仪或光频谱分析仪来测量和观察。
典型的FBG反射谱是一个窄带滤波器，其反射峰的位置和宽度与FBG的物理参数和环境条件相关。
由于FBG 的周期性调制结构，反射谱通常呈现出周期性重复的特点。
2.投射谱FBG的投射谱是指当光信号经过FBG时，透射到光纤另一侧的光的频谱特性。
由于FBG具有特定的反射特性，它可以作为一个选择性滤波器，在特定的波长范围内使光透射，而在其他波长处进行反射或吸收。
投射谱的形状和特性取决于FBG的设计和制备参数，包括周期、折射率调制情况等。
通过调整这些参数，可以实现不同的投射谱特性，如带通滤波、带阻滤波、多通道滤波等。
3.应用FBG的反射谱和投射谱在许多应用中发挥着重要作用：-光通信：FBG可用作光纤传感器，通过测量反射谱变化来检测温度、压力、形变等物理量。
-光纤传感：利用FBG的反射谱特性，可以实现对光纤周围环境的监测，如油气管道的泄漏检测、结构的应力监测等。
-光纤激光器：FBG可用作激光器的频率选择性元件，调节反射谱特性来实现激光器的单模操作和波长选择。
总之，FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一，它们描述了FBG对光信号的反射和透射特性。
通过测量和分析反射谱和投射谱，可以实现对FBG的性能和应用进行评估和优化，为光纤通信、光传感和光纤激光器等领域的应用提供基础支持。
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
ti = 2li c/n式中，c为光在真空中传播的速度，n为光纤的折射率。 确定阵列中光栅的位置后，可使用如前所述的无缘倾斜滤波器来确定每个脉冲在其到来 时的波长。当然，也可使用高速分光计。
3
三．布拉格光纤光栅传感技术优势
布拉格光纤光栅传感技术及其优势
基于布拉格光纤光栅（FBG）的传感器相对于传统的电子传感器技术具有很多重大优势： 适用于严苛环境 布拉格光纤光栅传感器完全无源，没有使用任何仪表无法工作的地方长期工作。 抗电磁干扰 布拉格光纤光栅传感器的无源特性的另一个好处就是它们不受到静电、电磁及无线电频率源的干扰。所以 它们可以安装在发电站等具有严重电子噪声的场所。另外，由于无源，本质上它们是100%安全的，它可用 于大多数危险爆破环境。 远程感应光纤是一个效率非常高的信号载体。因此，电子调制解调单元可安装在距传感器位置几十千米的 地方。而传统电子应变测量系统需要适当放大以防止噪声淹没信号。对于监测油井、提升柱、管道或隧道 等长距离、偏远建筑结构，此特点具有特有和巨大的好处。光学传感器没有引线的影响，由于布拉格光纤 光栅传感系统的被测量为波长，它不受到信号衰减的影响，所以远端的传感器信号在沿着较长光纤传输的 过程中不可能发生错误。 长期稳定性 布拉格光纤光栅传感器的另一个优点是其对于远程监控具有长期的稳定性。作为无源传感器，布拉格光纤 光栅具有零漂移的特性，因而可以使用很多年而不需要重新标定。将传感器安装在结构上，然后连接到调 制解调设备，每隔几年采集一次数据，就可获得结构自上次读数后的真实动作情况。由于一个调制解调单 元可用于很多结构，这大大增加了这项科技的经济优势。 微小尺寸 刻录布拉格光栅的光纤非常小，直径只有约0.15mm。因此，很多传感器可应用于非常小扰动的结构。特别 地，光纤传感器阵列可以嵌入复合材料，用于检测内部应变、温度和损伤，而不影响复合材料的结构性能。
光纤光栅与光纤布拉格光栅的区别
光纤光栅与光纤布拉格光栅的区别下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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最新进展
布拉格衍射效应在半导体光电器件中的应用与发展
1、为了改善以量子效应为基础的半导体光电子器件的 电学和光学特性，利用X 射线双晶衍射技术来检测器件 的生长结构参数，以便予以控制和优化。
2、分布布拉格反射激光器 在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅结构，用光 栅代替激光器的腔面来分布式地反馈光。
实验仪器
本实验采用北京大华无线电仪器厂生产的 DH926AB型微波分光仪，结构图如图所示。
A固定板 B移动板 接收喇叭
发射喇叭
检流计
微波信号源 微波迈克尔逊干涉装置图
实验原理
微波波长通常划定范围为1mm-1m。众所周知，迈 克尔逊干涉实验传统上是用可见光来进行的，而布 拉格衍射则是英国物理学家布拉格父子用X射线在 实际晶体中实现的。本实验是上述两个著名实验在 微波领域的拓展，因此，通过该实验可以很直观地 理解迈克尔逊干涉和布拉格衍射实验。
最新进展
3、可调波长DFB/ DBR激光器 基本工作原理也是以布拉格衍射效应为基础，通过 改变注入到布拉格光栅区的电流，(根据等离子体效 应) 使光栅区的有效折射率发生改变，其布拉格波 长也就会有相应的移动。 4、光纤布拉格光栅( FBG) 采用全息曝光技术在光纤上制作各种波长的布拉格光 栅。
背景介绍
1915年诺贝尔奖授给W.H.布拉 格和W.L.布拉格父子俩，以表 彰他们在的杰出用X射线研究 晶体结构方面所作出贡献。 1912年，W.L.布拉格在德国物理学家 M.von劳厄发现X射 线通过晶体产生衍射的基础上， 进行了一系列实验， 1913年提出布拉格公式。 他们父子二人研究出晶体结构 分析的方法，从理论及实验上证明了晶体结构的周期性 和几何对称性，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基 础，从而为深入研究物质内部结构开辟了可靠的途径
实验原理
1、微波迈克尔逊实验
接收喇叭接收到两列同频率、同振动方向的微波， 当两列波的位相差为：
A固定反射板
的偶数倍：干涉加强
的奇数倍：干涉减弱
发射喇叭
A板固定，B板移动，到接收喇叭电流计表 头从一次极小变到又一次极小时，则B板移 动/2的距离，由此可求得平面波的波长
B可移反射板
接收喇叭
图1、迈克尔逊干涉实验原理图
实验原理
1、微波布拉格衍射实验 布拉格晶体衍射原理如图2所示
相邻晶面散射X射线发 生干涉加强的条件是
2d si
实验内容
1、测量微波迈克尔逊干涉过程中B板每次移动的 位移值及对应的接收信号强度，要求B板移动每次以 尽可能小（如1mm）的步长移动，但总移动距离应 尽可能大，使干涉极大和极小出现的次数多些。然 后用不同级的干涉极大或极小根据公式求微波波长。 2、在不同衍射角观测微波对模拟晶体的布拉格衍 射信号强度，并做出衍射信号强度随角度的变化曲 线图，再利用图确定衍射峰的位置（角度），然后 根据布拉格方程计算出微波波长或模拟晶体的晶格 常数。
近代物理实验26
微波光学实验
背景介绍
1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的 迈克尔逊以表彰他对光学精密仪器及用之 于光谱学与计量学研究所作的贡献。
迈克尔逊以毕生精力从事光速的精密测量。他发明了一种 用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪—迈克尔 逊干涉仪，在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他 与美国物理学家莫雷合作，改进实验装置，否定了“以太” 的存在，动摇了经典物理学的基础，为狭义相对论的建立 铺平了道路