波长调制型光纤传感器
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调制型光纤传感器的工作原理
调制型光纤传感器的工作原理调制型光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
光纤传输是调制型光纤传感器的基础。
光纤是一种具有非常低损耗的传输介质，其内部由一个或多个纤维芯和包围在外的包层组成。
通过光纤，光信号可以在纤芯中以全内反射的方式进行传输。
光纤的纤径一般非常小，通常为几个微米至几十个微米，因此可以方便地安装在不同的环境中。
光调制是调制型光纤传感器的关键步骤。
光调制是指通过改变光信号的某些特性来实现对外界物理量的测量。
常用的光调制方式有幅度调制、相位调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最常用的方式，它通过改变光信号的强度来传递传感器所测量的物理量信息。
相位调制则是通过改变光信号的相位来传递信息，频率调制则是通过改变光信号的频率来传递信息。
这些调制方式可以根据具体的应用需求来选择。
光检测是调制型光纤传感器的最后一步。
光检测是指通过光电探测器将调制后的光信号转换为电信号，以便进一步处理和分析。
常用的光电探测器有光电二极管（PD）和光电倍增管（PMT）等。
光电探测器可以将光信号的强度、相位或频率等信息转换为电流或电压信号，进而实现对外界物理量的测量。
调制型光纤传感器的工作原理可以通过一个简单的温度测量实例来说明。
假设我们需要测量一个物体的温度，可以将一个光纤传感器安装在物体表面附近。
当物体的温度发生变化时，光纤传感器会受到温度的影响而发生形变，从而改变光纤中的传输特性。
例如，温度升高会导致光纤的折射率发生改变，进而改变光信号的传输速度。
通过对这种速度变化进行测量和分析，就可以得到物体的温度信息。
调制型光纤传感器通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
通过合理选择光调制方式和光电探测器，可以实现对各种物理量的测量，例如温度、压力、形变等。
FBG温度传感器(简单设计)
FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。
=2n eff A
错误！未找到引用源。
为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。
光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。
光纤传感器基本原理推选PPT资料
触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对 于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本 定律之一普朗克(Planck)公式表述：
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱 辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输 热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小， 探头可以做到0.1mm。
压强P的关系可表达为
对于双轴晶体，主折射率
；
E 光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。
光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、输出的偏振相干性要好、寿命长。
偏振噪声的出现，是由于不同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。
其工作原理是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。
在物目体前 的研热制辐的射各能类量传随感温器度中提，高用而增He加-N。e气体激光器式做光中源,的φ比是较多晶。体中两正交平面偏振光的相位差：
在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地
2n U/(纵)向 E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
3
保法持拉单 第模旋光转纤是偏非振互状易态的的光稳学定过十程分：重平要面，偏这振样光做一的次结通果过，法可拉使第灵材敏料度转提过高角几度个θ，数而量沿级相。反方向0返回4 时将1再旋转θ0角。
n U• l (横向 ) 其 对例工于如作理 ，原 想对理 “于是 黑人基 体体于 ”血稀 辐气土 射的磷源分光 发析体 射，的 的pH磷 光值光 谱检光 能测谱 量，随 可指温 用示度 热剂变 辐溶化 射液而 的浓改 基度变 本的。 定化律学之分一析普，朗磷克光(和Pla荧nc光k)现公象式分表0析3述，：c黑体辐射分析，法布里-珀罗滤光器等。 0 d
E 0 (,T ) C 1 3 (e c 2/T 1 ) 1
E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱 辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输 热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻．灵敏度高，体积小， 探头可以做到0.1mm。
压强P的关系可表达为
对于双轴晶体，主折射率
；
E 光纤、激光器、探测器是构成光纤传感器的主要部件，其特性的好坏对光纤传感器的灵敏度影响极大。
光纤传感器对光源-激光器的一般要求是:有一定的功率输出、输出的偏振相干性要好、寿命长。
偏振噪声的出现，是由于不同模式的波传播常数不同，导致模间的脉冲形成。
其工作原理是基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变。
在物目体前 的研热制辐的射各能类量传随感温器度中提，高用而增He加-N。e气体激光器式做光中源,的φ比是较多晶。体中两正交平面偏振光的相位差：
在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地
2n U/(纵)向 E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，T是黑体绝对温度。
3
保法持拉单 第模旋光转纤是偏非振互状易态的的光稳学定过十程分：重平要面，偏这振样光做一的次结通果过，法可拉使第灵材敏料度转提过高角几度个θ，数而量沿级相。反方向0返回4 时将1再旋转θ0角。
n U• l (横向 ) 其 对例工于如作理 ，原 想对理 “于是 黑人基 体体于 ”血稀 辐气土 射的磷源分光 发析体 射，的 的pH磷 光值光 谱检光 能测谱 量，随 可指温 用示度 热剂变 辐溶化 射液而 的浓改 基度变 本的。 定化律学之分一析普，朗磷克光(和Pla荧nc光k)现公象式分表0析3述，：c黑体辐射分析，法布里-珀罗滤光器等。 0 d
光纤传感器的基本原理
各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要 的电光效应。当强电场施加于光正在穿 行的各向异性晶体时，所引起的感生双 折射正比于所加电场的一次方，称为线 性电光效应，或普克耳效应。
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器既可用于卫星外层空间剂量 的监测，也可用于核电站、放射性物质 堆放处辐射量的大面积监测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
第五章光纤传感基本原理-频率调制
m
1,2,
光纤传感器基本原理
5.6 偏振调制机理
线偏振光，光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随 相位改变。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振 动面。
圆偏振光，光矢量大小保持不变，而它的方向绕传播方向 均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆。
椭圆偏振光，光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光 矢量的末端沿着一个椭圆转动。
黑体光谱辐射能量密度、 温度及波长三者之间的关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
光纤传感器基本原理
光纤黑体探测技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波， 不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。
光纤传感器基本原理
5.5.4 光纤法布里-珀罗滤光技术
0 m
2nd cos m /
FL 108
可检测到信号
5.4.2 光纤多普勒系统的局限性
光纤传感器基本原理
一般多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动
速度虚测像量半，径只ri适 a用du 于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度 测量数。值速孔度径测NA量i 范NA围du 为μm/s～m/s，相应的频偏为Hz-MHz。
ne n0 0kE2
非寻常光折射率
寻常光折射率
大多数情况下，ne-n0＞0
光纤传感器基本原理
5.6.2 克尔效应
不加外电场，无光通过，克尔盒关闭；加外电场，有光通过，
克尔盒开启。
光程差：
ne
n0
l
k
0
U d
2
l
N1、N2相互垂直，与 电场分别成±45°。
相位差：
2
kl
U d
2
波长调制型光纤传感器
• 黑体探测不需要光源。 • 黑体及光的收集端处于高温状态，应采 用耐高温材料（陶瓷黑体、蓝宝石光 纤）。
5 半导体激光二极管LD的光电特性是受温 度影响的，实际中需要稳定的光源，则 在设计LD驱动电路时应采用什么方法 以获得稳定的输出功率？ 作业： 1. P73 2.2 试阐释光纤强度调制型传感器 的主要问题及可能的解决途径。 2 在强度调制传感器中，光源强度的稳定 非常重要，请简要说明影响LED光源稳 定的因素及各种稳定光源强度措施的原 理。
∆S =
λ
2 sin ϕ
传感器上的光电检测器产生一个交流信号, 多普勒频率∆f与测量速度v的公式为
v 2 v sin ϕ ∆f = = ∆S λ
v—体辐射探测技术
• 黑体是指能完全吸收入射辐射，并具有最大发 射的物体。 • 所有物体受热时均发出一定的热辐射，辐射量 与物体的温度及其材料的辐射系数有关。理想 透明材料的辐射系数为0。黑体的辐射能量与 温度和波长有关。光纤高温探头在一定的波长 范围内，探测黑体辐射的能量，决定黑体（被 测）的温度。
• 多普勒激光测量仪的光学系统如图：
• 多普勒激光测量仪是采用非接触传感器测量钢 坯速度，向板坯表面发射两束相交的激光,产生 光干涉现象，干涉条纹的移动速度与物体通过 两束激光的交点的速度成正比。通过接收光谱, 记录干涉条纹的移动速度,就可以精确地确定钢 坯的移动速度。
条纹间隔∆S是一个系统常数,它依赖于激光 的波长λ和两条激光束的夹角2ϕ。
第八讲 波长调制型光纤传感器
波长调制传感器原理 对于光纤传感器而言，波长调制属于外调 制，光纤只起传输光信号的作用，而不 是敏感元件。 被测量与敏感元件作用，使光电波长（频 率）发生改变，通过测量光的波长变化 来确定被测量，使用这种方法的传感器 称为波长调制型传感器。
二光纤传感器原理
光纤多普勒系统
激光器 f0
f0
f0
f1
f0-f1
以速度v运动的被测物体
f0±Δf
混频
f1±Δf
Δf
v
典型应用
血液流动速度监测传感器 运动物体速度监测传感器
四．相位调制
概念 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。
分布式传感
分布式光纤传感技术是在70年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(ＯＴＤＲ)技术的出现而发展起来的。在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前,这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。
原理图
特 点
测量各种辐射，例如x射线的大小。 灵敏度高、线性范围大。 实时性强。 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。
其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 ........
光程差为： 相位差为： 出射光波的光强为： 由光强的变化可以测得外界参量的大小。 主要应用：光纤电压传感器
3.光弹效应 定义：当物质的某个方向存在压力或张力时，则物质在该方向上的折射率和其它方向的折射率不同，设该方向上的偏振光的折射率为ne, 与之垂直方向上的偏振光的折射率为no，则： Δn=no-ne=kP K为物质的压强光学系数，P为外加压强。
光纤强度调制传感器的原理图
特 点
技术简单，可靠，成本低。 可以采用多模光纤。 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。
构成传感器探头的物理机理
第4章-波长调制型光纤传感器
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
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) 1 0 敷2，才4 能达6 到8提高10 ×光103栅)稳定1 0 性的2 目4的 6 8 10 ×103
涂层厚度（μm）
涂层厚度（μm）
光纤光栅增敏与去敏设计
不同弹性模量E、不同泊松比μ材料对光纤光栅应 力灵敏度系数的影响
应
力 灵
1.08
敏
E＝86.5×109
应 力 1.08 灵 敏
ν＝0.98
5.5 波长调制机理
引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化
• 荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型 • 光纤光栅－功能型
光纤光栅～反射镜 应用领域－通信、传感、信息处理
• 光通信器件
半导体激光器、光纤激光器 光纤放大器、滤波器 波分复用/解复用器 色散补偿
• 传感 • 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
• 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm • 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口
的FBG • 载氢掺锗 • 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩
光敏性类型：
• I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 • IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率
深度 • II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃
Min’s Fiber Optic Sensors
FBG应变传感模型
弹光效应引起的波长
漂移纵向应变灵敏度
系数
0
1.22 pm / 相 对-0.0002
波光导栅效波应 长引 相起 对灵 度 数 敏 系的 漂-0.光移000纤4
BZ B
n2 eff 2
P11 P12 P12 1 zz
Min’s Fiber Optic Sensors
传感应用
光纤光栅传感器
• 优点：
抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网
• 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
Min’s Fiber Optic Sensors
光纤的光敏性
历史
应 力
4.5
ν＝0.483
灵
敏 4
结论：
E＝0.39×109
应 力
6 E＝3.9×109
灵5
敏
度 系
3.5 3
•
欲提高光纤光E＝栅10的×10应9 变度系灵4敏度系数，必须选ν＝用0.98
数 2.5 (101 1/(N 2 /m2)1.5
•
低 选弹 用高性E＝弹模72×性量109模、E＝高量10泊、0×1松低09 比泊数(1/的松m1/(0N21)23涂比敷的材金料属进材行料ν＝保进v0＝ν.1＝0护行7.408.73。涂0
NAk=0.1z1z
NA=0.11
NA=0.13
NA=0.15
-BB0.z000w6g
0
a neff
neff
a1
4
kwg neff
NA=0.17
a rr 2
kwg neff
av zz
3
5
光纤芯径（μm）
Min’s Fiber Optic Sensors
光纤光栅增敏与去敏设计
不同弹性模量E、不同泊松比μ材料随厚度 的增加造成的灵敏度饱和现象
相位光栅
• FBG某些点处的周期性 被破坏附加相移解 复用器
SIDE-MODE
MAIN-MODE
l
B 2neff 1 (r l)2
CORE CLADDING
r，为光栅写入 CLADDING
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* FBG应变传感模型
• 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5 波长调制机理
布喇格波长 B 2neff
应变测量
温度测量
B K
B KT T
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
涂层厚度（μm）
结论：对于去敏设计，一般应选择弹性模量大的 材料
制造－振幅模板、逐 点写入法
CORE
CLADDING
L (ncore ncladding )eff
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
啁啾光栅 （chirped）
• 结构：周期沿光纤轴向短 长 变化－线性、非线性
• 宽带反射谱：可达 100nm
度 系
1.07
数
(10- 1.06 11/(
E＝90×109 E＝110×109
度 1.06 系 数 (10- 1.04 11/(
ν＝0.7 v＝0.483
N/m 2)) 1.05
E＝120×109
N/m1.02 2))
ν＝0.17
02
4
6
8 10 ×103
0
2
4
6
8 10 ×103
涂层厚度（μm）
光纤光栅
波长调制型光纤传感器
Fiber Optic Sensors Lecture 6
光纤传感器的分类
功能型
• 按照被调制的光波参数
强度调制型
相位/频率调制型
波长调制型
偏振调制型
入射光波
外界因素： 温度，压力，电
磁场，位移
入射光波的特征参量：波长
出射光波
Min’s Fiber Optic Sensors
光栅的生命周期与稳定性
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型
光纤Bragg光栅(FBG)
λB
nc ncl
B 2ncoreeff
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
长周期光栅 LPG
• 导模包层模，损耗 • 宽带透射谱－增益平坦 • 灵敏
B 2neff eff B 2neff 2neff
对于各向同性圆柱体－
弹性变形 弹光效应
r , , z
几点假设：
横向应力作用 纵向应力作用
• 光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响；
• 石英光纤－理想弹性体，遵循虎克定律，且内部不存在切应变；
• 紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光纤 的各向同性特性；
• 应用
色散补偿：100km （at1550nm）的色散 3.6cm
宽带滤波器
增益平坦
CORE CLADDING
B (z) 2neff (z)(z)
Min’s Fiber Optic Sensors
5.5.* 光纤光栅的主要类型 cont’d
闪耀光栅
• 结构：波矢方向与光纤 轴有一夹角模式耦合： 导模包层模/异阶导 模