光纤光栅分析
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如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可 以在纤芯内形成周期性折射率变化，从而形成光栅。
此方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好 的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下 的温度传感器。
• 利用聚焦CO2激光器 采用10.6µm聚焦CO2激光脉冲对光纤逐点曝光。可以使光 纤在制造过程中生了很高的残余应力释放出来，形成LPFG。 这种方法不需要光纤的物理变形，通过CO2激光光束一致 的、均衡的照射，偏振依赖可以被抑制掉。
2、光纤光栅传感器是自参考的，在对光纤光栅进行定标后 可以绝对测量。
3、传感探头结构简单、尺寸小，适合于各种场合，尤其是 智能材料和结构。
4、便于构成各种形式光纤传感网络，进行大面积的多点测 量。
5、测量结果具有良好的重复性。 6、光栅的写入工艺已较成熟，便于商品化。
光纤光栅传感器应用
• 航空航天 • 舰船 • 土木工程（桥梁、隧道、地下工程等） • 石化工业（钻井、储运） • 电力工业 • 核工业 • 医学 • 其他应用
应力释放区 没有被加热区
CO2 激光器光束 柱状透镜
光纤
采用CO2激光器制作LPFG的示意图
３）扫描法
这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意 形式的LPFG。UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微物镜的作用 是使光束聚焦后尺寸小于30μm。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向 进行扫描，使光纤周期性的曝光。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。
光纤光栅的工作原理
• Bragg光栅 • 按照耦合模理论，在光纤光栅中两个传输模要发生耦合，
必须满足下列相位匹配条件
1 2 2
正向传输导模耦合到反向传输导模，形成窄带反射，峰值反 射波长（Bragg波长）和反射率为
B 2neff
Rmax tanh2 L
输入宽光谱 反射光
纤芯
Bragg 光栅
光纤光栅分类
1、按周期分类：
Bragg光栅：折射率变化的周期一般为10－1 m 量级； 长周期光栅：折射率变化的周期一般为10 2 m 量级。
2、按周期均匀性分类：
均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变化 的周期均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅；
非均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变 化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如啁啾光 纤光栅、相移光纤光栅和切趾光纤光栅等。
PC 宽带光源
KrF 准分子激光器 AMBaidu Nhomakorabea
光纤 光谱仪
振幅掩模法制作LPFG的实验装置
２） 残余应力释放
当纤芯是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤被拉伸时， 由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率 会降低。用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易 地将芯径内残余的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复 到原来的水平。
在一个给定的频率时的正向导模可耦合到多阶包层 模中。因此，典型的长周期光纤光栅具有一系列的分立 吸收带，每一个吸收带对应于导模到一个包层模的耦合。
长周期光纤光栅结构
长周期光纤光栅透射谱
光纤光栅的制作
• 光敏光纤的制备 光纤中的折射率改变量与照射波长、光纤类型、掺杂浓
度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等有关。如果直接用紫 外光照射光纤，折射率增加仅为10-4 数量级便已经饱和。
Bragg光栅写入周期为掩模周
期 赖于P入M一射半光的波。长这，种只成与栅相方位法掩不模依
的周期有关。因此，对光源的相 干性要求不高，简化了光纤光栅 的制造系统。主要缺点是不同 Bragg波长要求不同的相位掩模板， 并且，掩模板的价钱较贵。
长周期光纤光栅制作
１） UV曝光振幅掩模法 ２） 残余应力释放 ３）扫描法
第四节 光纤光栅
光纤光栅定义
• 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种 光纤无源器件。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的
（透射或反射）滤波器或反射镜。
• 光纤光栅折射率沿其轴向分布可表示为
n
n0
nz1
c os 2zz
式中为n0光纤纤芯折射率，nz 为光纤纤芯折射率变化幅
值(也称为折变量)，ν为折射率变化的条纹可见度，Λ为 光栅折射率变化的周期。
为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重 要。目前光纤增敏方法主要有： (1)掺杂 (2)刷火 (3)载氢
均匀周期光纤光栅制作
相位掩模法 相位掩模板（Phase Mask）
是衍射光学元件，是一个在石英 衬底上刻制的相位光栅，它可以 用全息曝光或电子束蚀刻结合反 应离子束蚀刻技术制作。它具有 抑制零级，增强一级衍射的功能。 用以将入射光束分为+1级和-1级 衍射光束，它们的光功率电平相 等，两束激光相干涉并形成明暗 相间条纹，在相应的光强作用下 纤芯折射率受到调制。
计算机控制 的光圈
UV 光束
望远镜
应变仪
移动平台
显微镜 物镜
电动光纤 拉伸器 光纤
光纤光栅应用
• 光纤激光器； • 可调谐半导体激光器； • 色散补偿器 • 光纤放大器 • 光纤滤波器； • 波分复用/解复用器 • 光纤传感器
光纤光栅传感器的优点
1、抗干扰能力强：光纤光栅传感系统从本质上排除了各种 光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微 弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感 信号的波长特性，因而光纤光栅的传感系统具有很高的 可靠性和稳定性。
透射光
长周期光栅 在Bragg光纤光栅中，前向传输的模与后向传输的模
相耦合，因此，在这种情况下，值较大，因此就要求光 栅周期较小。在长周期光纤光栅中，前向传输的模与前 向传输的第n阶包层模相耦合，值较小，因此光栅周期较 大。
正向传输导模耦合到正向传输包层模，形成窄带反 射，推导得峰值透射波长为
n nco ncnl
1） UV曝光振幅掩模法
振幅掩摸板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射 到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化。写入后对其退火， 以稳定光学特性。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百 微米，掩模板的制作很方便，而且精确，容易得到保证， 所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好， 而且对紫外光的相干性没有要求。
此方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好 的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下 的温度传感器。
• 利用聚焦CO2激光器 采用10.6µm聚焦CO2激光脉冲对光纤逐点曝光。可以使光 纤在制造过程中生了很高的残余应力释放出来，形成LPFG。 这种方法不需要光纤的物理变形，通过CO2激光光束一致 的、均衡的照射，偏振依赖可以被抑制掉。
2、光纤光栅传感器是自参考的，在对光纤光栅进行定标后 可以绝对测量。
3、传感探头结构简单、尺寸小，适合于各种场合，尤其是 智能材料和结构。
4、便于构成各种形式光纤传感网络，进行大面积的多点测 量。
5、测量结果具有良好的重复性。 6、光栅的写入工艺已较成熟，便于商品化。
光纤光栅传感器应用
• 航空航天 • 舰船 • 土木工程（桥梁、隧道、地下工程等） • 石化工业（钻井、储运） • 电力工业 • 核工业 • 医学 • 其他应用
应力释放区 没有被加热区
CO2 激光器光束 柱状透镜
光纤
采用CO2激光器制作LPFG的示意图
３）扫描法
这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意 形式的LPFG。UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微物镜的作用 是使光束聚焦后尺寸小于30μm。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向 进行扫描，使光纤周期性的曝光。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。
光纤光栅的工作原理
• Bragg光栅 • 按照耦合模理论，在光纤光栅中两个传输模要发生耦合，
必须满足下列相位匹配条件
1 2 2
正向传输导模耦合到反向传输导模，形成窄带反射，峰值反 射波长（Bragg波长）和反射率为
B 2neff
Rmax tanh2 L
输入宽光谱 反射光
纤芯
Bragg 光栅
光纤光栅分类
1、按周期分类：
Bragg光栅：折射率变化的周期一般为10－1 m 量级； 长周期光栅：折射率变化的周期一般为10 2 m 量级。
2、按周期均匀性分类：
均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变化 的周期均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅；
非均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变 化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如啁啾光 纤光栅、相移光纤光栅和切趾光纤光栅等。
PC 宽带光源
KrF 准分子激光器 AMBaidu Nhomakorabea
光纤 光谱仪
振幅掩模法制作LPFG的实验装置
２） 残余应力释放
当纤芯是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤被拉伸时， 由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率 会降低。用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易 地将芯径内残余的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复 到原来的水平。
在一个给定的频率时的正向导模可耦合到多阶包层 模中。因此，典型的长周期光纤光栅具有一系列的分立 吸收带，每一个吸收带对应于导模到一个包层模的耦合。
长周期光纤光栅结构
长周期光纤光栅透射谱
光纤光栅的制作
• 光敏光纤的制备 光纤中的折射率改变量与照射波长、光纤类型、掺杂浓
度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等有关。如果直接用紫 外光照射光纤，折射率增加仅为10-4 数量级便已经饱和。
Bragg光栅写入周期为掩模周
期 赖于P入M一射半光的波。长这，种只成与栅相方位法掩不模依
的周期有关。因此，对光源的相 干性要求不高，简化了光纤光栅 的制造系统。主要缺点是不同 Bragg波长要求不同的相位掩模板， 并且，掩模板的价钱较贵。
长周期光纤光栅制作
１） UV曝光振幅掩模法 ２） 残余应力释放 ３）扫描法
第四节 光纤光栅
光纤光栅定义
• 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种 光纤无源器件。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的
（透射或反射）滤波器或反射镜。
• 光纤光栅折射率沿其轴向分布可表示为
n
n0
nz1
c os 2zz
式中为n0光纤纤芯折射率，nz 为光纤纤芯折射率变化幅
值(也称为折变量)，ν为折射率变化的条纹可见度，Λ为 光栅折射率变化的周期。
为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重 要。目前光纤增敏方法主要有： (1)掺杂 (2)刷火 (3)载氢
均匀周期光纤光栅制作
相位掩模法 相位掩模板（Phase Mask）
是衍射光学元件，是一个在石英 衬底上刻制的相位光栅，它可以 用全息曝光或电子束蚀刻结合反 应离子束蚀刻技术制作。它具有 抑制零级，增强一级衍射的功能。 用以将入射光束分为+1级和-1级 衍射光束，它们的光功率电平相 等，两束激光相干涉并形成明暗 相间条纹，在相应的光强作用下 纤芯折射率受到调制。
计算机控制 的光圈
UV 光束
望远镜
应变仪
移动平台
显微镜 物镜
电动光纤 拉伸器 光纤
光纤光栅应用
• 光纤激光器； • 可调谐半导体激光器； • 色散补偿器 • 光纤放大器 • 光纤滤波器； • 波分复用/解复用器 • 光纤传感器
光纤光栅传感器的优点
1、抗干扰能力强：光纤光栅传感系统从本质上排除了各种 光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微 弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感 信号的波长特性，因而光纤光栅的传感系统具有很高的 可靠性和稳定性。
透射光
长周期光栅 在Bragg光纤光栅中，前向传输的模与后向传输的模
相耦合，因此，在这种情况下，值较大，因此就要求光 栅周期较小。在长周期光纤光栅中，前向传输的模与前 向传输的第n阶包层模相耦合，值较小，因此光栅周期较 大。
正向传输导模耦合到正向传输包层模，形成窄带反 射，推导得峰值透射波长为
n nco ncnl
1） UV曝光振幅掩模法
振幅掩摸板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射 到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化。写入后对其退火， 以稳定光学特性。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百 微米，掩模板的制作很方便，而且精确，容易得到保证， 所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好， 而且对紫外光的相干性没有要求。