光纤光栅理论及应用
光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性折射率变化的装置，利用折射率变化来调制和处理光信号。
光纤光栅的工作原理基于布拉格光栅的原理，它可以实现光的反射、衍射和干涉，具有许多重要的应用。
光纤光栅的工作原理可以分为两种类型：折射率周期变化型和几何尺寸周期变化型。
在折射率周期变化型中，光纤的折射率会周期性地改变，形成一定的折射率分布。
而在几何尺寸周期变化型中，光纤的尺寸周期性改变，例如通过在光纤表面制造微细结构。
光纤光栅的应用十分广泛。
以下是一些光纤光栅的常见应用：1.光纤通信系统中的滤波器：光纤光栅可以用作滤波器来选择性地过滤光纤通信信号，去除噪声和干扰，从而提高信号质量和传输效率。
2.光纤传感器：由于光纤光栅对于外界环境的敏感性，它可以用作各种类型的传感器，例如温度传感器、应变传感器和压力传感器等。
当外界环境发生变化时，光纤光栅会产生相应的光强、频率或相位变化，从而测量环境的变化量。
3.激光器输出功率控制：光纤光栅可以通过调整光纤中的折射率改变激光器的输出功率。
通过改变光纤光栅的特性，可以有效地控制激光器的输出光强，实现激光器的功率稳定控制。
4.光纤光栅传输线惯性测量：光纤光栅可以用作惯性传感器，测量力、加速度或角度的变化。
通过测量光纤光栅的变化，可以获得与物体的动态运动相关的信息。
5.光纤光栅激光器：光纤光栅可以用作可调谐激光器，通过改变光纤光栅的特性，可以实现激光器输出波长的调谐。
这对于光通信系统、光谱分析和光学成像等领域非常重要。
以上只是光纤光栅的一些常见应用，随着技术的不断发展，光纤光栅的应用领域还在不断扩展。
光纤光栅具有体积小、重量轻、高稳定性和高灵敏度等优点，因此在光学传感、通信和激光器等领域具有广泛应用前景。
光纤光栅传感器原理及应用毕业论文
摘要光纤光栅作为近几十年来快速发展起来的新型光电子无源器件，在光纤通信和光纤传感领域得到广泛应用。
由于它具有体积小、灵活、无源、波长选择性好、带宽范围大、附加损耗小、极化不敏感、不受非线性效应影响、易与光纤系统连接以及偏振相关小等诸多优点，是一种应用前景非常广的光电子无源器件。
本论文对光纤光栅的发展、基本原理进行了详细介绍。
列举了几种光纤光栅的理论分析方法，并对耦合模理论和传输矩阵法进行了深入探讨。
还对光纤光栅的各种制作方法进行了比较，总结出它们的优缺点。
最后列举了一些光纤光栅的应用。
关键词：非均匀光纤光栅;耦合模理论;传输矩阵法;逐点写入法;光纤光栅传感器ABSTRACTThe fiber grating is a kind of new optoelectronic of passive components, which was quickly developed and widely applied in the areas of optical fiber communication and optical fiber sensing in recent decades. Optical fiber grating has many unique features, such as little size, light weight, flexible, passive, wavelength selective, wide bandwidth, small dissipation, polarization insensitive, unaffected by nonlinear effect and easy to connect with fiber optic system etc., which is one kind of optical passive components which has wide application prospects.This article details the development of fiber grating,the basic principle.And lists several theoretical analysis methods.It also studies coupled-mode theory and transfer matrix method deeply.It compares various production methods of fiber grating,and summarizes their advantages and disadvantages.At the last,the article lists a number of applications of the fiber grating.Keywords:Non-uniform fiber grating;Coupled-mode theory;Transfer matrix method;Point by point writing method;Fiber grating sensor目录摘要 (I)ABSTRACT (I)1、绪论 02、光纤光栅的基本原理 (2)2.1 光纤光栅 (2)2.2 光纤光栅谱 (4)2.3 非均匀光纤光栅 (4)3、光纤光栅理论的分析方法 (6)3.1 耦合模理论 (6)3.2 传输矩阵法 (10)4、光纤光栅的制作方法 (11)4.1 纵向驻波干涉法 (11)4.2 相位掩膜法 (12)4.3 振幅掩模法 (13)4.4CO激光逐点写入法 (13)25、光纤光栅的应用 (15)5.1光纤激光器 (16)5.2半导体激光波长选择与稳定器 (16)5.3光纤放大器增益平坦化器件 (16)5.4色散补偿与脉冲压缩 (17)5.5光纤光栅在光通信中的其他应用] (18)5.6光纤光栅传感器 (18)6、总结...........................................................................................错误!未定义书签。
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用（武汉理工大学）1光纤光栅传感原理光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。
光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。
光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。
FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。
图1 FBG 结构及其波长选择原理图在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。
（1）光纤光栅应变传感原理光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。
（2）光纤光栅温度传感原理光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。
光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。
反射光谱入射光谱投射光谱入射光反射光投射光包层纤芯光栅光栅周期2光纤光栅传感器特点利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。
光纤光栅传感器可测物理量：温度、应力/应变、压力、流量、位移等。
图2 光纤光栅传感器分布式测量原理光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上3目前我校已经开展的工作（部分）3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。
光纤光栅检测技术应用综述
光纤光栅检测技术应用综述
光纤光栅检测技术是一种基于光纤光栅的传感技术。
光纤光栅是一种在光纤中形成一
定周期的折射率或反射率变化的微观结构。
通过改变光纤的折射率分布，可以实现对物理
量的测量。
光纤光栅检测技术广泛应用于光纤通信、工业监测、航空航天、国防安全、医疗诊断
和环境监测等领域。
以下是它的几个具体应用：
1. 光纤声波传感器
光纤声波传感器是使用光纤光栅探测声音。
当声音通过物体时，会产生微弱的应力波，这些应力波会形成微小的光纤的形状变化。
利用光纤光栅检测这种形状变化，可以测量声
波的特征。
光纤声波传感器有广泛的应用。
在医疗领域，它可用于监测心脏和动脉疾病。
在环境
监测领域，它可用于监测地震和海啸。
在工业监测领域，它可用于测量汽车引擎和机器振动。
光纤应力传感器在航空航天、工业监测和地震监测等领域有广泛的应用。
它可以用于
测量飞行器和船舶结构、汽车零件的变形以及大型机器的应力。
光纤温度传感器是通过测量光纤光栅的波长来测量温度的传感器。
当温度变化时，光
纤光栅的折射率随之改变，从而改变其反射波的波长。
综上所述，光纤光栅检测技术是一种功能强大、应用广泛的传感技术。
在未来，我们
可以期待更多的应用来发现这项技术的潜力。
光纤光栅传感技术与工程应用研究共3篇
光纤光栅传感技术与工程应用研究共3篇光纤光栅传感技术与工程应用研究1光纤光栅传感技术与工程应用研究光纤光栅传感技术是一种重要的光学测量技术，有着广泛的应用领域。
本文将对光纤光栅传感技术的原理、发展现状、应用场景以及工程应用研究进行探讨。
一、光纤光栅传感技术的原理光纤光栅传感技术是一种基于光纤和光栅原理的测量技术。
它可以通过光纤上的一系列微小光学反射镜对光信号进行处理，将信号转换为电信号输出后，再加以分析。
光纤光栅传感技术主要包括光纤光栅模式（FBG）传感技术和长周期光纤光栅传感技术。
二、光纤光栅传感技术的发展现状近年来，光纤光栅传感技术在光学测量领域得到了广泛的应用。
目前，光纤光栅传感技术的发展呈现出以下几个趋势：1、研究对象普遍化。
光纤光栅传感技术不仅用于研究物理量，还可用于研究化学量和生物量等领域。
研究对象的普遍化拓宽了应用范围，使其更加广泛。
2、研究手段趋于多样化。
目前，光纤光栅传感技术在光学测量领域不仅可以使用光方法进行研究，还可以使用激光、声波等多种手段进行研究。
通过多种方式的研究，光纤光栅传感技术在不同研究场合下的应用效果均能得到充分的发挥。
三、光纤光栅传感技术的应用场景在光学测量领域中，光纤光栅传感技术常常被应用于以下几个场景：1、温度测量。
通过在光纤上安装光纤光栅，可以测量两个光纤光栅之间的长度差，从而得到物体的温度。
2、应力测量。
光纤光栅传感技术可以通过测量光纤的弯曲程度，得到物体的应力情况。
3、矿用传感。
在地下煤矿中，可以通过利用FBG光纤传感技术来监测岩石的应力变化，预防矿山灾害的发生。
4、流体探测。
在航天器中，利用光纤光栅传感技术来监测流体的液位和流量，能够保证物质交流的正常运行。
四、工程应用研究光纤光栅传感技术在工程中的应用已经得到了广泛的关注。
在建筑工程中，光纤光栅传感技术可以应用于结构物的安全监测和健康诊断。
在交通运输工程中，光纤光栅传感技术可以应用于汽车、火车、飞机等交通工具的安全监测和诊断。
光纤光学8-光纤光栅
Ⅱ类光栅：温度稳定性好（800℃）、脉冲激光
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(融化石英基质，物理性损伤）、折射 率变化⊿n可达10-2
三、光纤光栅的制作技术
内部写入法
干涉写入法
逐点写入法
1、内部写入法
光纤中沿相反方向传播的两列相干光波可表示为
E f A sin(kz wt ) Eb A sin(kz wt )
B 布拉格波数； B 2 B B 布拉格波长；
与布拉格光栅周期关系 B 2n0
n
NL
小，我们暂不考虑。
1 n2 E 2
2
表征非线性折射率变化，由于其值很
根据耦合模理论，应包括向前和向后传播的光， 因而光纤中的光场是正向传播的模式和反向传播的模 式的线性叠加，各个模式的系数是随着传输距离的变 换发生变化的。
4、 相位掩膜技术
相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光 蚀刻于硅基片表面的一维周期性透射相位光栅，其 实质是一种特殊设计的光学衍射元件。
相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0 级和±1级衍射波，在正入射情况下±1衍射波的强度 相等。衍射角满足光栅 sin m sin i m (n )
光纤光栅的分类：I型、IIA型和II型
Ⅰ类光栅：温度稳定性较差（300℃）、脉冲或连续 较低掺杂浓度、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 ⅡA类光栅：温度稳定性较好（500℃）、脉冲或连续 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)、 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
提出了多种模型，没有一种可以解释所 有的实验结果。
光纤光栅理论
20091202
8.光纤光栅器件
(1). 光纤光栅定义与系统特性 (2). 光纤光栅种类 (3).光纤光栅理论分析方法:耦合波理论\光线理论 (4).光纤光栅制作:光敏性 (5).光纤光栅的应用
（1）、光纤光栅定义与系统特性
•光纤光栅的定义 光纤光栅是一小段光纤，它的芯层折射率沿
可得到反射率和透射率的关系式为：
R(, L)
2
a1 (0) a1 (0)
C 2 sin 2 (QL)
2 k 2 cos2 QL
其中，Q 2
2 C 2
由R 的表达式可以求得反射谱的半高全宽度(FWHM) 为：
FWHM
B
[(
n 2n
)2
(
)
2
]
1 2
L
图2 反射率与光栅长度的关系
图3 反射率与光栅长度的关系
• 光纤光栅的光学特性
光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折 射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过 将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式 中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入 射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中， 这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即 ：
图4 反射率与光栅长度的关系
（2）有效长度 Lc 与折射率n 扰动的关系
取反射率R＝0.9时，光栅长度为有效长度 Lc ，
可得有效长度 Lc与 n的关系。
图5光栅有效长度和折射率扰动的关系 可见在反射率一定的情况下，折射率扰动越大，光栅的长 度可以做的越短。
图6 光栅有效长度和不同的折射率扰动的关系
沿着光纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性的曝 光。在这里，光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光栅的最大长度 由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表
光纤光栅的原理及应用
光纤光栅的原理及应用1. 引言光纤光栅是一种基于光纤的传感器，利用光纤中的光栅结构对外界的物理量进行测量和检测。
它具有体积小、响应速度快、测量范围广等优点，在许多领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤光栅的原理和一些常见的应用场景。
2. 光纤光栅的原理光纤光栅是通过在光纤中引入光栅结构来实现的。
光栅是一种具有周期性折射率变化的结构。
当光线穿过光栅时，会发生光的衍射现象，产生多个方向的散射光。
通过检测这些散射光的强度或频率，可以获得与外界物理量相关的信息。
在光纤光栅中，光纤的折射率会随着光栅的周期性变化而改变。
这种周期性变化可以通过多种方式来实现，例如使用光栅写入技术、光纤拉伸等。
变化的折射率将会对光的传播产生影响，使得传输的光线被限制在光纤的特定区域内。
3. 光纤光栅的应用3.1 光纤传感器光纤光栅可以用作光纤传感器来检测各种物理量，如压力、温度、应变等。
通过测量光纤光栅中的散射光的强度或频率变化，可以推断出被测量物理量的大小。
由于光纤光栅具有高灵敏度和快速响应的特点，因此在工业、医疗、航空等领域得到了广泛应用。
3.2 光纤通信光纤光栅也可以用于光纤通信系统中。
通过在光纤中引入光栅结构，可以实现滤波、增益控制、波长选取等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制和调控，提高光纤通信系统的性能和稳定性。
3.3 光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制作。
在光纤中引入光栅结构，可以形成一种反射镜，形成光纤激光腔。
通过调控光纤光栅的周期和折射率变化，可以调节激光器的输出功率和频率。
光纤激光器广泛应用于光通信、光谱分析等领域。
3.4 光纤传输系统光纤光栅也可以用于光纤传输系统中的信号调制和解调。
通过在传输光纤中引入光栅结构，可以实现波长选择、信号复用等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制，提高传输系统的带宽和传输距离。
3.5 光纤传感网络光纤光栅还可以用于构建光纤传感网络。
通过在光纤中布置多个光纤光栅传感器，可以实现对大范围区域的实时监测和测量。
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。其中当t=td，时，光纤中氢气的浓度达到其饱和值H的63%。 将T =300k,rd=62.5代入上式，tdiff约为7天。
低温载氢光纤光敏性
冷藏载氢光敏光纤
载氢光纤光敏解释及退火处理
根据色心模型的解释，高压载氢光纤在紫外光的照射下，H2和纤芯中 的Ge-O-Si缺陷发生反应，缺氧错缺陷中心中的电子被电离出来，接着又 被附近的具有完整Ge-O键四面体结构的Ge原子所俘获，产生了Ge(1)和 Ge(2)色心，同时伴随有Ge-OH和Si-OH等物质，这些都引起了纤芯折射 率的变化。但是这些被俘获的电子有一部分处于靠近导带的低能量势阱中 ，通过热激发这些电子就会返回导带，并重新构成缺氧锗缺陷中心，从而 导致纤芯折射率改变量的减小。另外，由于载过氢的光纤中存在游离的氢 分子，纤芯的折射率将会有所增加。 在光纤光栅制作完毕之后，光纤中的未经反应的氢分子会逐渐逃逸出 光纤，导致光纤折射率的减小，从而引起谐振峰波长的改变。为了保证光 纤光栅在实际应用时折射率的稳定，在光纤光栅制作完成后一般进行高温 退火。退火的作用有两方面：一方面可以清除残留在光纤中的未反应的氢 分子，这会导致纤芯和包层折射率回复为未氢载前的值；另一方面，退火 可以破坏光栅写入后纤芯中的一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键，使纤芯的 折射率降低的幅度也不同，温度越高折射率降低越多。
反射镜
UV 光 分光镜
反射镜
柱状透镜 光源
θ
柱状透镜 光谱分析仪
是光纤就行吗？
利用紫外光刻写法需要用光敏光纤
高掺杂锗（Ge）光纤 低温载氢光纤 高温载氢光纤 混合掺杂光纤
掺杂光纤
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 （铕）, Cerium（铈）
氢在硅玻璃中的扩散满足如下方程:
在圆柱坐标下解扩散方程，得到氢在光纤中的扩散方程。当时间t=0时，对 于氢气进入光纤的情况，归一化浓度C=0，对于溢出的情况C=1。向内扩 散：
向外扩散：
载氢光纤光敏性
载氢光纤中氢气摩尔分数的饱和值H与温度T和压力P有关
对于一段裸光纤来讲，扩散时间满足下面的关系式:
载氢技术
载氢技术作为一种光纤增敏技术是由lemaire等人在1993年提出的，其 优点是成本低廉，制备简单，并且能大幅度提高光纤光敏性，通过氢载处理 的普通光纤的纤芯折射率变化幅度可从10-5提高到10-2。其基本原理是普通 光纤在高压氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中 :当特定波长的紫外光(一般是248nm或193nm )照射氢载光纤时，纤芯被照 部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge - OH和Ge一H键，从而使该部分的 折射率发生永久性的增加。由于写入后光栅中残存的氢分子的扩散运动以及 反应后存在不稳定的Ge一OH键，会造成光栅光学特性的不稳定，因此为便 于应用必须用高温退火的方法提高光纤光栅的稳定性。由于 存 在游离的氢 气，光纤在1245nm处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的摩尔分 子数)可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小来确定，满足以下 的关系:
增加光纤光敏性的方法（2）
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
火焰热处理 氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ 持续20分钟 -3 光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10 高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问 题
光纤光栅的诞生
1978年，加拿大Hill 等人使 用如左图所示的实验装置将 488nm的氩离子激光注入到 掺锗光纤中，首次观察到入 射光与反射光在光纤纤芯内 形成的干涉条纹场而导致的 纤芯折射率沿光纤轴向的周 期性调制，从而发现了光纤 的光敏特性，并制成了世界 上第一个光纤布拉格光栅。 1989年，G.Meltz等人首次采 用全息干涉法，制出第一支 布拉格谐振波长位于通信波 段的光纤光栅，从此推动了 光纤光栅的巨大发展。
光纤光栅理论及应用
孙伟民 哈尔滨工程大学
What is FBG？
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Fiber Bragg grating (FBG) 是布拉格光纤光 栅，是一种沿光纤轴向制作的周期性结构， 相当于一种选定波长的反射镜。
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Bragg光纤光栅的概念
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（1）
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 形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH 有效增加标准单模光纤的光敏性 标准单模光纤损耗增大 光敏性变化大 退火及老化处理
光纤光敏性
光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将 随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为光致 折射率变化效应，简称光折变效应。光纤的光敏性是光纤光栅 周期性折射率变化的根本原因。虽然光纤光敏性的发现距今已 有二十多年了，但其产生的微观机理还不是很清楚。目前人们 一般采用两种模型，即色心模型和应力松弛模型。色心模型认 为掺锗光纤中缺氧中心(GODC)吸收紫外光电离，释放电子， 电子陷于临近位置，形成新的色心，导致了吸收谱的变化，折 射率变化可以通过Kramers-Kroning关系来完成;应力松弛模 型认为，缺陷的电离不仅导致了吸收谱变，还使光纤材料的密 度和应力分布发生变化，引起折射率的变化，这在点点写入长 周期光栅时更为明显。通过提高光纤的掺杂浓度，可以提高光 敏性。
λ B = 2 n eff Λ
λ1 λ2 λ3 λ1
Λ
λ3
λ2 = λB
I
λ
输入宽光谱
λB
反射光谱
λ − λB
透射光谱
式中：neff —— 光纤的有效折射率 λB —— 布拉格耦合（中心）波长 Λ —— 光纤光栅栅格间距
与传统光学元件的比较
等效于激光器的多层介质膜反射镜
MgF2 (1.38) ZnS (2.35) MgF2 (1.38) ZnS (2.35) MgF2 (1.38) 1.50 13~17层