光纤光栅
光纤光栅
2.基片式封装FBG应变传感器
基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一小槽， 然后用粘结剂将；裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主要是增加 基片和光纤的接触面积，从而能有效的将基片的应变传递到光纤光栅上。 相比于管式封装，基片式封装结构不需要将粘结剂灌入套管，传感器 制作比较方便，适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中，粘结 剂直接暴露在空气中，容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步研究。
(8.3-4)
这里，ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为
B / B ( ) T
(8.3-5)
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
(8.3-9)
Pe
1 2 neff [ P 12 ( P 11 P 12 )] z 2
B / B 1 Pe
(8.3-10)
综合式 (8.3-7)、(8.3-9) 、(8.3-10) 代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度
K
z
(8.3-11)
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
8
6.1.1 温度传感原理 温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。 假设均匀压力场和轴向应力场保持恒 定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
(8.3-3)
式中 α 为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的折射率变化为
neff neff T
6
2015-6-3
将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位臵发生变化的时候， 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波 长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。
光纤光栅
（k = 0,1,2,3…）
N=2 d=3a N=3 d=3a N=4 d=3a N=5 d=3a
-2 -1 0 1 2
衍射图样
归一化强度分布(N为狭缝数目)
光栅衍射图样及强度分布
1.光纤光栅的定义
光纤光栅：在一定长度的光纤上，在光纤的纤芯或者
包层中，周期性的改变折射率。
边界条件
dR ( z ) ˆ i R ( z ) i S ( z ) dz dS ( z ) ˆS ( z ) i R ( z ) i dz
d 令D dz
ˆ R ikS D i ˆ S ikR D i
光栅衍射
平行光垂直照到光栅平面时， 光波将在每个狭缝处发生衍射， a b 衍射光干涉后再经透镜会聚到 屏幕上，使屏幕上出现细亮的 等间距条纹。 是单缝衍射与各个缝之间干 涉的综合效果
d
θ
f
o
P
θ
o
f
光栅衍射
光栅方程（亮纹条件） ：
(a b) sin k
N=1
d=a+b 为光栅常量 亮纹到中心的距离：
*
ˆ
2
neff
1 d 是光纤光栅的直流自耦合系数 2 dz
neff 表示光纤光栅的交流耦合系数
布拉格波长 2neff
均匀光纤光栅耦合模方程组的解析解
R L / 2 1
L z , S ( L / 2) 0 光栅长度外无反向传输光存在 2
光栅的相位变化即chirp
2 neff ( z) neff ( z)1 v cos z ( z) * f ( z)
光纤光栅的分类
光纤光栅的分类1均匀光纤光栅 (1)2非均匀光纤光栅 (1)由于折射率的变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是否均匀，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型。
1均匀光纤光栅均匀光纤光栅是指栅格周期沿纤芯轴向均匀折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。
从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表如下:1.光纤布拉格光栅的栅格周期一般210nm量级，折射率调制深度一般为310-，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。
这种光纤光栅具有较窄的反射10-~5带宽和较高的反射率，其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节。
这是最早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤通信及光纤传感领域应用极其广泛。
2.长周期光纤光栅的栅格周期远大于布拉格光栅的栅格周期，一般为几十到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。
与光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中损耗掉。
这种光纤光栅除了具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元件，目前主要用于掺饵光纤放大器的增益平坦和光纤传感。
3.闪耀光纤光栅与光纤布拉格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴线方向有一定的交角。
这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还能将基模耦合到包层模中辐射掉。
这种宽带损耗特性可用于掺饵光纤放大器的增益平坦。
对于交角很小的闪耀，可做成模式转换器，将一种导模祸合到另一种导模之中。
2非均匀光纤光栅非均匀光纤光栅是指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。
从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表如下：1.线性碉啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数。
这种碉啾光纤光栅可视为仅对光栅周期进行线性调制的情况。
2.分段碉啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数。
光纤光栅 hr
光纤光栅（FBG）是一种反射型光纤传感器，其反射光谱的中心波长与光纤光栅的折射率调制深度和写入的光栅长度相关。
光纤光栅的反射光谱具有窄线宽、稳定性好、抗干扰能力强等特点，因此被广泛应用于各种光纤传感和通信系统。
高分辨率（HR）光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其反射光谱具有高分辨率和高精度测量等特点。
HR光纤光栅通常采用高折射率调制深度和高光栅长度的技术实现，其反射光谱的线宽非常窄，可以精确测量和监测光纤中的微小变化。
因此，HR光纤光栅在光纤传感和通信领域具有广泛的应用前景。
除了HR光纤光栅外，还有长周期光纤光栅（LPFG）、全息光纤光栅等不同类型的光纤光栅，每种光纤光栅都具有其独特的特点和应用场景。
光纤光栅 光格科技-概述说明以及解释
光纤光栅光格科技-概述说明以及解释1.引言1.1 概述光纤光栅是一种利用光栅原理制造出来的光学器件，其具有很高的光学性能和稳定性，被广泛应用于光通信、激光技术、光谱分析等领域。
光格科技作为光纤光栅的领军企业之一，致力于研究和开发先进的光纤光栅技术，不断推动该领域的发展与应用。
本文将介绍光纤光栅的原理与特点，探讨其在各个应用领域的重要性，以及光格科技在该领域的研究与发展成果。
通过对这些内容的了解，可以更好地认识光纤光栅技术的重要性和前景，促进光学领域的发展与进步。
1.2文章结构文章结构部分文章的整体结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分将介绍光纤光栅和光格科技的背景和意义，正文部分将详细介绍光纤光栅的原理与特点以及在各个领域的应用情况，最后结合光格科技在光纤光栅领域的研究和发展进行介绍。
结论部分将对文章的内容进行总结，展望未来光纤光栅技术的发展前景，并留下一些结束语。
整体结构清晰明了，每个部分都将围绕光纤光栅和光格科技展开讨论，使读者能够全面了解这一领域的最新研究和发展。
1.3 目的：本文旨在介绍光纤光栅这一重要的光学器件，探讨其原理与特点，深入探讨其在各个领域的应用，以及光格科技在该领域的研究和发展情况。
通过对光纤光栅和光格科技的综合介绍，读者将能够更全面地了解光学器件的重要性和应用前景，同时也能够对光格科技在该领域的成就有一个更清晰的认识。
希望本文能够给读者带来启发和启示，促进光纤光栅领域的研究与发展。
2.正文2.1 光纤光栅的原理与特点光纤光栅是一种利用光纤的周期性结构来实现光信号的衍射和反射的光学器件。
其原理是利用光纤中的折射率周期性变化来实现入射光波的衍射效应，从而实现信号的频谱分析和光谱调制。
光纤光栅具有以下几个特点：1.高效：光纤光栅能够实现高效的光信号衍射和反射，从而实现信号的频谱分析和光谱调制，提高了光信号处理的效率。
2.精确：光纤光栅的周期性结构可以精确地控制光波的传播和衍射，使其在特定波段内表现出良好的光学性能。
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅原理是基于光的干涉效应，通过在光纤中引入周期性的折射率变化来实现的。
光纤光栅中的周期性折射率变化可以通过不同的方式实现，其中一种常见的方式是通过在光纤中引入周期性的应变或温度变化。
这种变化会导致光纤的折射率发生变化，从而形成了光纤光栅。
当光信号传输到光纤光栅中时，会与光栅发生相互作用。
由于光纤光栅中存在周期性的折射率变化，光信号会被散射成不同的方向。
其中，散射角度与波长之间存在一定的关系，被称为布拉格条件。
根据布拉格条件，当光信号的波长等于光纤光栅中的布拉格波长时，散射角度达到最大值，此时信号被完全反射回原始的传输方向。
当光信号的波长与布拉格波长不完全匹配时，只有部分光信号会被反射回原始方向，其余的会被散射到其他方向。
基于以上原理，光纤光栅可用于实现光信号的滤波、衍射、分路、光谱分析等应用。
在光通信领域中，光纤光栅还用于实现波长选择性的光纤耦合器、滤波器、传感器等器件。
总的来说，光纤光栅通过引入周期性的折射率变化，利用光的干涉效应实现了对光信号的调控和处理。
它在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
光栅
•
产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而 改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现了折射率 的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放 诱导应力以及结构、形状的畸变等也导致了折射率的 变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段。最初 光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现， 具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并 不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有 时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高 掺杂的光纤。
•
光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并 成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年 Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年提 出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大 发展，使得光纤光栅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。光纤光栅器件在光纤 通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺 饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一 重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、 制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。
•
光纤光栅从本质上讲是通过波导 与光波的相互作用，将在光纤中传输的 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 输的限定在包层或纤芯中的模式，从而 得到特定的透射和反射光谱特性。光纤 光栅中，光场与光波导之间的相互作用 可用耦合模理论来描述。
• •
1.均匀光纤光栅 最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其 折射率可以表示为
3 .7 50
7 .5 00ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－0 .0 6 －4 .0
－2 .0
0 .0
L
2π
2 .0
4 .0
光纤光栅结构
光纤光栅结构
光纤光栅结构：光纤纤芯、光纤包层、外包层以及折射率周期变化;它们是构造光纤光栅的主要结构。
光纤光栅的原理：光纤光栅是通过光敏性材料将外界射入光纤内部的光线与内部的纤芯所含有的离子混杂，发生互相作用，使患上光纤线芯产生折射，致使其折射的变化周期有了波动(或者呈规律性波动，或者呈不规律性波动)，在光纤光栅的内部构成1个相对于而言的栅位，使其充当1个狭小的滤光器或者者反射器，至于究竟是反射器仍是滤光器，这要取决于这个窄带究竟起的是投射仍是反射的作用。
光纤光栅是1种通过必定法子使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制而构成的衍射光栅，是1种无源滤波器件。
因为光栅光纤拥有体积小、熔接消耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对于温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因而在光纤通讯以及传感领域患上到了广泛的利用。
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可应用在WDM的各个环节
发射机 复用 色散斜率补偿器 光纤激光器 波长复用
光放 光信号监控 有源泵浦控制 泵浦反射器 增益平坦滤波器 动态增益均衡器 动态增益控制 分布式拉曼泵浦
……
光放 动态色散补偿 PMD监控及补偿 解复用 固定分插 可调分插 接收机
色散补偿中的应用
波长色散的起因有两个：
FBG光纤光栅的应用
输入谱 I I
传输谱
反射谱 I
应变引起 波长移动
典型应用就是滤波，还可利用应变实现可调谐滤波； 还可以利用其敏感度制备光纤传感器；
FBG光纤光栅传感器
光纤光栅是将通信用的光 纤的一部分利用掺锗光纤非 线性吸收效应的紫外全息曝 光法而制成的一种称为Bragg
Grating的纤芯折射率周期性
光纤光栅在光纤传感中的应用
反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系： 土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全 监控； 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的 监测； 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警； 电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所 以特别适合于电力系统中的温度监控； 石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油 田中的温度、液位等的监控； 遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等； 核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；
相位掩模法
光栅周期与相位掩模板 周期有如下关系：
p d
2 g pm
h
s
2(n pm 1)
h
-1 相位掩模写入光纤光栅
n pm
+1
啁啾光纤光栅写入方法
啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾相 位掩模板，中心波长和啁啾量任意设计， 但制作困难，价格昂贵；
但也可以利用均匀相位掩模板： 右图所示为采用光纤弯曲法写入啁啾光 纤光栅，光栅周期如下： ( ) m / cos 光纤弯曲法写入 啁啾光纤光栅
提高敏化的方法 最广泛采用的载氢技术
氢或氚通过反应并维持更多的缺陷结构来增 加光敏性，n>10-2； 降低了对光纤的选择要求，几乎可以用于任 意光纤； 氢原子只起临时敏化作用，没有参与作用的 氢原子会随着时间慢慢扩散而离开光纤，对 光纤的长期稳定性没有影响；
紫外脉冲光源
准分子激光器－最简单的高能、脉冲光源
光 纤
1 2 3
透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
衍射光栅型波分复用器结构示意图
光
1
2 3
纤
棒 透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
采用棒透镜的光栅型WDM
光纤光栅FBG
对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条 件，两波之间将发生能量的耦合。 Bragg条件： 2 1 2 光栅周期 特别地，如果满足
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤光栅的光学特性
由普通光栅的光栅方程得到光纤光栅的光栅方程： neff 2 neff 1 m 2 2 1 m
其中：
neff 2 n2 sin , neff 1 n1 sin i 2 neff
λ=2neffΛ
neff为光纤纤芯有效折射率 Λ为光栅的栅距（光栅周期） 当外界的被测量引起光纤光栅温度、应 力改变都会导致反射光中心波长的变化。
FBG光纤光栅传感器基本原理
布拉格 光栅
施加外力
光栅的间隔 产生变化导 致波长变化
反射相应 变化的光
检测变化 值得出所 需量
温度：T=(λ-λb)*1000/10+T0 应变：με=(λ-λb )*1000/1.2 通过监测布拉格波长的变化即可测出 温度和应变扰动
光栅切趾分布函数有很多种，此处介绍常用的：
高斯分布
升余弦分布
高斯分布切趾FBG 高斯切趾光栅的折射率调制深度分布：
n eff ( z ) n eff
4 ln 2 z 2 exp FWHM 2
其中FWHM是高斯轮廓的半高宽度，一般取光栅 总长度为6×FWHM。 随着FWHM的减小，光纤光栅的反射谱旁瓣受到 明显拟制，但在主反射带短波长边则仍有较大的 旁瓣，主要是由于光致折射率变化为非均匀时， 光纤中的有效折射率随光纤光栅的位臵而变化， 使光栅形成自啁啾效应所造成的。
F
光纤应力拉伸法：通过机械结构的设计， 沿光纤轴向产生线性变化的应力，写入光 光纤拉伸法写入 栅，当应力释放后即得到啁啾光栅。 啁啾光纤光栅
光纤光栅的温度稳定性
光纤光栅的中心波长对外界温度和应力的变化非 常敏感，基本呈线性关系：
B
B
(1 pe ) ( )T
光纤的热膨胀系数 ~ 0.5 10 6 / O C 为光纤的热光系数 ~ 7 10 6 / O C
工作波长193-248nm，工作功率0.3-100mW 相对较短的时间相干性和空间相干性，适合相移掩模法和逐点写入 法 成栅时间短
掺钕YAG泵浦染料激光器
发出可见光~484nm，然后倍频到~248nm 可调谐、高相干性 能量低于准分子激光器，但高相干性可聚焦得到高峰值光密度
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类 光纤光栅基本原理 光纤光栅制作技术 各种光纤光栅应用 光纤光栅研究方向
光纤光栅的应用
光纤光栅有如一道道的栅门，一束光经过这 一排栅门，就会被分解成很多道光线，不能 通过栅门的光线就会被打回头； 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 （透射或反射）滤光器或反射镜。
θ>0表示正向传输光
θ<0表示反向传输光
普通衍射光栅原理
普通光栅的光栅方程
n1 sin i n2 sin m n1 sin i n2 sin m /
普通透射光栅的工作原理如图所示，1=i对应零级衍射 光，2对应1级衍射光。
i
n1
n2
2
1
m0 m 1
2.5 光纤光栅
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
体光栅工作原理
1＋ 2 光栅周期 1 成像平面
2
反射光栅
当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面 内就会产生波长上的相长干涉，即：(sini－sind)=m 式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。 由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅 方程，所以光栅可分离出单独的波长。
1 1
2 2 1
能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射 中--反射式滤波器FBG
FBG:
length
Period
•光纤光栅的形成： 光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm） 以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅 反射中 心波长
2neff
纤芯的有效折射率
光栅 周期
基本结构
光纤光栅的优势 全光纤结构
低插入损耗
低成本优势 偏振相关性较低，其可靠性较高 能灵活实现所需的光谱特性
许多物理参数可以调整
光纤光栅的分类
光纤光栅的结构参数
光栅周期－－光栅折射率调制的距离 光栅长度 调制深度－光栅中折射率差.(折射率的变化) 折射率分布
Pe为有效弹光系数 ~ 0.22，与光纤的弹光效应有 关
为光纤光栅的轴向应变
光纤光栅的封装技术
可通过控制应力来补偿温度对Bragg波长的影响
机械封装： • 为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量进行补偿。 • 结构相对复杂，但可通过精密调节使光栅达到很高的精度和调谐范 围 负温度系数材料封装： • 材料可控性差，成型后无法进一步调节。 • 为了保证长时间的稳定性，树脂型热粘结胶比较常用，如353ND， UV固化胶等。
掺钕YAG或掺钕YLF四倍频激光器
功率高，比准分子激光器更好的相干性 不能调谐，波长比理想光纤光敏波长偏大
其它方案－－价格、复杂程度、可使用性或相对差的性能导致 没有被广泛的使用
紫外连续光源 244nm倍频氩离子激光器
工作在连续状态，没有很高的峰值功率； 倍频可以直接在激光器内完成，也可通过外 腔得到； 典型功率50~500mW； 成栅时间长；
m 1
长周期光纤光栅的衍射
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅的透射谱
长周期光纤光栅的透射谱
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤材料的光敏性 光纤光栅中的折射率调制是利用光纤材料 的光敏性产生的; 光敏性－－指掺杂光纤被激光照射时，折 射率随光强的空间分布发生相应的变化， 变化大小与光强成线性关系并可永久保存 下来; 实质上，在纤芯内形成一个窄带的(透射或 反射)滤波器或反射器; 光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外区;
普通衍射光栅原理
衍射光栅原理
短周期光纤光栅基本原理
基本特性表现为一个反射式的光学滤波器 1=i和2=-1分别对应0级和1级衍射光，二者传播 常数相同,得到FBG的反射波长(Bragg波长)：
B 2neff
i
2 m 1
1
m0
短周期光纤光栅的衍射
闪耀光纤光栅特性
变化光栅。 属于波长调制型非线性作用 的光纤传感器
FBG光纤光栅传感器基本原发生变化时，将导致光栅周期 或纤芯折射率的变化，从而产生光栅布拉 格信号的波长位移，通过监测波长位移的 情况，即可获得待测物理量的变化情况。