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 ϕπ+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)(FWHMz n z n neff neff ⋅+=π)2cos()2sin()0()(1z z L n n z n neff Λ∆+=ππ]cos )2cos(1)[0(cos)(01θπ⋅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 gg∆+=∆)(ζαλλ 式中：Tn 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；Ts ∆∆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。