9.24光线光栅笔记
光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
2019/9/19
23
光纤通信器件
在光纤通信中的应用
相关参数(续):
双向1550nmWDM通信系统的 隔离滤波器
FWHM=0.2~1nm, R=100%
1550nmWDM系统的解复用器
1550nmWDM系统中光分插复用 器的
滤波器
FWHM=0.2~1nm, Isolation＞30dB
FWHM=0.1~1nm, Isolation＞50dB
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
a. 梯度应变调谐 应力可以改变光纤光栅的光栅常数Λ，也可以改变
光纤光栅的折射率分布，从而影响光纤光栅的工作波长， 完成波长调谐。
将光纤光栅部位嵌在松软的介质中，一端固定，另 外一端施加拉力，造成介质内光纤光栅部位出现梯度分 布的应力，使光纤光栅变成啁啾光纤光栅。
长距离传输的色散补偿(1550nm)
1530nm~1560nm光放大器的 增益平坦器
FWHM=0.1~10nm, D=1600ps/nm
FWHM=30nm, loss=0~10dB
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2019/9/19 光纤通信器件
在光纤通信中的应用
(1) 光源
a. DFB (Distributed Feedback) 光纤光栅激光器
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1
光纤通信器件
第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
12 2
β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的 周期，在写入光栅的过程中确定下来。
第7章 光纤光栅
光纤光栅的应用实例：
• 半导体激光器：在输出部分加Bragg单模激光 • 光纤激光器：波长相同的Bragg可以形成腔镜，提供波长 选择反 馈。 • 光纤放大器：反射泵浦,增益平坦,增益锁定等功能 • 光纤滤波器：基本滤波器、干涉带通滤波器、F-P滤波器， 内耦合器Bragg光栅滤波器 • 波分复用/解复用器 • 色散补偿：啁啾光纤光栅色散补偿 • 光学信息补偿：作为相位调节器，光学Fourier变换器和 相位阵列天线 • 光纤传感器：波长编码，绝对测量，可检测应力、应变、 温度、压力、振动、磁场、电流等学院 11
光纤光敏性分析（2）
• 虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si原子在石 英玻璃中四面体中的位置，但是Ge的掺入仍将对石英玻璃 的分子结构产生干扰并不可避免地形成缺陷中心 ——色心。
• 包层发生了什么?
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
12
光敏光纤
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 5
光纤光栅在传感领域的应用
光纤光栅用于智能结构（smart structure）和光纤传感器， 主要用于结构内部应变、压力、温度、振动、载荷疲劳、结 构损伤等参数的监测。光纤传感器优点： 1、抗干扰能力强：普通传输光纤不会影响光波的频率特性 (忽略非线性效应)；光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 20
载氢增敏技术（1）
• 1、载氢增敏技术 1993年 AT &T Bell实验室的P. J. Lemaire发明了掺锗光纤 的载氢增敏技术。 掺锗3％光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为20－75℃ 的氢气中，形成载氢光纤。 载氢光纤在紫外光照射或加热时将引起氢气和掺锗石英光 纤之间产生化学反应，即H2分子在Si-O-Ge区发生变化， 形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等化学键和 缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化，光敏性可提 高1－2个数量级，折射率变化提高两个数量级。还有载氘 光纤。
9.24光线光栅笔记
光栅位移系统光纤Bragg光栅传感原理及其应用1、光纤Bragg光栅：光纤光栅是利用光纤的光敏性,即光纤纤芯在受到特定波长和高于一定强度的激光照射时,折射率会发生永久性变化这一特性制成的一种光纤无源器件，透射率极大（光纤的光敏性主要取决于纤芯材料光栅周期小于1微米的均匀周期光纤光栅称为光纤布拉格光栅：简称FBG、短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器,长周期光纤光栅属于透射型带阻滤波器）2、光纤光栅主要分两大类: 一是Bragg光栅( 也称为反或短周期光栅) ; 二是透射光栅( 也称为长周期光栅) 。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构, 从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅, 色散补偿型光栅是非周期光栅, 又称为啁啾光栅( chirp光栅)3、光纤Bragg光栅传感原理：光栅条件：λB=2n effΛ(λB———Bragg波长)λB—Bragg波长n eff—光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应Λ—光栅周期,即折射率调制的空间周期光纤光栅传感器的原理图：4、光纤Bragg光栅的影响因数：在只考虑光纤受到轴向应力的情况下：,应力对光纤光栅的影响主要体现在两方面:弹光效应使折射率改变,应变效应使光栅周期改变。
温度变化对光纤光栅的影响也主要体现在两方面热光效应使折射率改变,热膨胀效应使光栅周期改变。
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5、光纤光栅传感系统主要组成：宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等光纤光栅传感系统常用的光源：LED, LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源掺其中掺杂不同浓度、不同离子的稀土光源铒光源是应用的重点。
光纤光栅：解决交叉敏感问题, 实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提信号解调组成：光信号处理、电信号处理光信号的解调方法：:①匹配滤波法②光谱编码/比例解调（光谱比例法适用于光路长度以光源波长为序的传感器信号的还原）③干涉法④可调谐F- P滤波器法6、光纤光栅传感器优点：(l)它是用波长编码来传感信号，而不是用信号的幅度响应，对光纤连接器和祸合器、光纤弯曲、光源不稳定等无需任何补偿措施;(2)光纤光栅传感器是自参考的，测量的是绝对值不是计量干涉条纹;(3)在波分或时分多参数传感应用中，只需一台仪器就可实现寻址，易于制作灵巧结构的光纤传感器网络;(4)光纤光栅的敏感部分写人芯区，由其组成的传感器无需光纤连接器、机械装配、研磨工艺和对准工艺;(5)能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个Bragg光栅进行分布式测量;(6)另外，光纤光栅很容易埋人材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量，因而最有希望实现智能传感网络技术.相位掩模法制作FBG的装置主要由3部分组成:激光器、曝光装置及成栅监控系统7、急需解决的问题主要集中在几个方面：一是输出特性稳定,性价比高,适用于工程应用的光源的研发;二是专门用于传感的特殊光纤光栅的制作及其封装技术的改进;三是高灵敏度解调装置的研制以及利用波分复用、时分复用和空分复用等技术实现分布式传感网络的构建可实现二维运动部件位置被同步检测的共面检测机构1、位置检测装置是金属切削机床、光刻机等设备的重要组成部分，主要作用是检测工作台相对于基座的实时位置，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。
光纤光栅传感器基本知识
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
QPS
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角， 还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
• Bragg
条件： B 2neff
neff
式中： B ---Bragg 波长;
---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率， 即折射率调制幅度大小的平均效应; •传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定， 而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发 生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立 并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的 变化获得被测量。
QPS
基本构成
QP量系统构成
QPS
八、光纤光栅传感器的优点
低耗传输（损耗约0.2dB/km ） • 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码 • 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣 和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃） • 质轻、径细、柔韧、成本低 （可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单） • 绝对测量，可自校准，重复性好 • 可分布式测量或逐点定位测量，无电测量 • 强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志， 并方便查询 • 兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
qps光纤光栅传感器基本知识一简述二光学基本知识三光纤的光敏性四光纤光栅的写入五光纤光栅测量原理六光纤光栅的输入输出七实际传感系统的基本构成八光纤光栅传感器的优点qps一光纤光栅传感器简述光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜其光学性质又受控于外界环境物理量从而构成了光纤光栅传感器
光栅知识点总结
光栅知识点总结一、光栅的工作原理1. 衍射原理光栅的工作原理基于衍射原理。
当平行光波照射到光栅上时，光波会发生衍射现象。
栅距（即光栅的周期）决定了衍射角度，而光栅的几何形状决定了衍射光波的干涉程度。
通过控制光栅的周期和几何形状，可以实现对光波的分光和波长选择。
2. 衍射效率衍射效率是衡量光栅性能的重要指标之一。
在衍射现象中，只有特定的波长和入射角才能得到明显的衍射光波，而其他波长和角度的光波会被衰减。
衍射效率是指特定波长的衍射光波的能量占入射光波总能量的比例。
高效率的光栅可以提高分光和波长选择的性能。
3. 分光能力光栅具有很强的分光能力，可以有效地将入射光波按照不同波长进行分离。
这使得光栅在光谱分析和波长选择方面有着广泛的应用。
通过调整光栅的参数，可以实现对不同波长的光进行精确的分离。
4. 分辨率分辨率是衡量光栅性能的另一个重要指标。
它指的是光栅在分光过程中能够分辨出相邻两个波长的能力。
高分辨率的光栅可以更清晰地分离出不同波长的光波，这对于光谱分析和成像系统的性能至关重要。
5. 光栅的工作方式光栅可以分为反射光栅和透射光栅两种类型。
反射光栅是将入射光波反射到光栅表面上，并通过衍射现象实现分光；而透射光栅是将入射光波穿透光栅，并在另一侧通过衍射效应来实现分光。
两种光栅都有其特定的应用场景和性能特点。
二、光栅的种类1. 棱镜光栅棱镜光栅是一种将光波折射和衍射相结合的光学器件。
它将入射光波按照不同波长进行分散，并形成彩色的光谱。
棱镜光栅在分光和波长选择方面具有重要的应用价值。
2. 衍射光栅衍射光栅是利用衍射原理来实现分光和波长选择的光学器件。
它具有可调谐性和高分辨率等优点，广泛应用于激光光谱仪、光纤通信系统和激光器等设备中。
高阶光栅是一种能够产生高阶衍射光波的光学器件。
它可以实现多级衍射，并对入射光波进行更细致的分光。
高阶光栅在微纳光学领域有着重要的应用。
4. 液晶光栅液晶光栅是利用液晶材料的电光效应来调控光栅的周期和形状，从而实现对光波的分光和波长选择。
光纤通信系统-光栅
.
光纤光栅传感器
通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变 光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射 波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关 系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、 加速度等多种传感器。
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 核业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等 光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识 别系统等
0 1.5545
lB
1.5555
波长（mm）
光纤激光器
波长分插复用器(OADM)
上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不 变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提 取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将 所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。
色散补偿
在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频 率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端 反射，长的波长ll在远端反射，从而有不同 的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来 使用就可以改变色散的符号。
逐点写入法
一种非相干写入技术
利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而
形成光栅，每写一个条纹，光栅移 动一定距离，需用精密机构控制光 纤运动位移。通过控制光纤的移动， 可以方便的控制光栅的周期。 一般用于制造长周期光栅
光纤光栅的类型
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。
光纤光栅
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；
光纤光栅理论基础及重构算法
光纤光栅理论与分析方法光纤是一种介质光波导，其特点是将光波限制在其纤芯或包层传输，理论上分析光波在光纤中传输的一些基本特性，最基本的方法是求解一定边界条件下的麦克斯韦方程组。
但在光纤中写入光栅后，直接从麦克斯韦方程组研究其特性比较困难，而利用耦合模理论则简单得多。
早在光纤光栅出现以前，耦合模理论已经用于分析平面波导光栅、波导间的耦合。
从耦合模理论可以得到耦合模方程，一般情况下的耦合模方程较为复杂，但在某些特殊情况下可以得到简化并精确求解，本章中的均匀光纤布拉格光栅就是耦合模方程精确求解的例子。
对于均匀光纤布拉格光栅的耦合模方程，能够求解出其解析解，然而，对于非均匀光纤布拉格光栅，求解耦合模方程将变的十分复杂和繁琐且不适合数值计算。
从耦合模方程得到的传输矩阵分析法弥补了这些缺点，利用传输矩阵，可以很方便的分析各种特殊结构的光纤光栅(如啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、取样光纤光栅等)。
本章最后详细的分析了基于时间因果律的剥层算法，从频域上对光纤光栅进行重构设计。
利用剥层算法实现了任意光谱形状的光纤光栅重构，并设计了一种反射谱为理想矩形型的光纤光栅。
1.1耦合模理论利用麦克斯韦方程组研究光波导，直接求解较为困难，只有少数几种情况可以直接求解，如圆柱波导、矩形波导等。
在一些情况下，可以借助这些能够求解的光波导来研究一些无法直接求解的光波导，对于无法直接求解的光波导，可以看作是可求解光波导受到一些微扰形成的。
从而避开直接求解麦克斯韦方程组。
这一方法就是耦合模理论，耦合模理论是从麦克斯韦方程组推导得到的，其基本思想是利用可求解光波导的解，研究受到微扰的光波导，耦合模理论的理论基础在于规则光波导的模具有正交性。
由于本征模之间存在的正交关系，而且构成完备的正交集，因此可以将微扰光波导的解分解成本征模的线性叠加[]。
根据光的电磁理论，光波导中的电磁波用电场强度矢量E(x,y,z,t)和磁场强度矢量H (x, y,z,t)来描述，麦克斯韦方程组中E(x,y,z,t)和H (x, y,z,t)满足如下关系:(0-1) (0-2)其中J是介质中的传导电流密度。
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅作为传感元件的传感器。
通过在光纤中引入周期性的折射率调制结构，形成光栅，可以实现对光的干涉和耦合。
光纤光栅传感器的工作原理是利用光的干涉效应。
当入射光经过光纤光栅时，会发生光的折射、反射和散射现象，这些现象会改变光的传播状态和幅度。
通过测量入射光和反射光之间的干涉效应，可以间接地获取待测参数的信息。
光纤光栅传感器的工作过程如下：首先，入射光进入光纤光栅，当入射光与光栅中的周期性结构相互作用时，会发生光的耦合和反射。
然后，经过光栅调制后的反射光将重新耦合回光纤中，并沿光纤传输到接收器。
最后，接收器检测到反射光的干涉效应，并将其转化为电信号。
光纤光栅传感器具有很多优点，如高精度、高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等。
它被广泛应用于测量温度、压力、应变、振动等物理量，以及检测液体浓度、气体成分等化学参数。
在工业自动化、能源、医疗、环境监测等领域有着重要的应用价值。
光纤光栅传感原理
光纤光栅传感原理
光纤光栅是一种新型的传感器，它可以通过测量光纤中的光强来检测物理量的变化。
光纤光栅的工作原理是利用光纤的折射率变化来改变光的传输特性。
在光纤光栅的结构中，光纤上有一定间隔的折射率变化，这个结构可以被称为“光栅”。
当光通过这个光栅时，会产生衍射效应，这个效应可以使得光经过光栅后出现干涉现象。
当物理量发生变化时，光栅的折射率也会发生变化，这会导致干涉现象的变化。
通过检测干涉现象的变化，我们就可以推导出物理量的变化。
比如说，如果我们想要测量温度的变化，我们可以将一个光纤光栅放置在需要测量的位置，当温度变化时，光栅的折射率也会变化。
通过检测干涉现象的变化，我们就可以推导出温度的变化情况。
光纤光栅传感器具有灵敏度高，抗干扰能力强，体积小，重量轻等优点，已经被广泛应用于各个领域中，比如说结构安全监测、环境监测、医疗仪器等等，成为了一种十分重要的传感技术。
- 1 -。
第二章第4节光纤光栅讲解
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。
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。
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
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。
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
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
光纤光栅————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：“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 (5)1.1 光纤的基本概念 (5)1.2 光纤光栅器件的基本概念 (5)1.3 光纤光栅的加工工艺 (6)1.4 光纤光栅的类型 (7)第二章光纤光栅传感器 (9)2.1光纤光栅温度传感器 (9)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 (10)第三章光纤光栅传感器的应用 (12)3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (12)3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (12)3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (13)第四章总结 (14)参考文献 (14)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。
第9章 光纤光栅
光纤光栅131978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将488nm（后来他人用514.5nm）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（FBG ）。
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的模式与后向传输的模式之间发生耦合，而使前向传输的模式的能量传递给后向传输的模式，形成对入射光波的反射。
其反射波长即布拉格波长为λB=2n effΛ，其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。
输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动I I I4二、光纤光栅的写入方法用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入法和外写入法。
内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理。
外写入技术则主要有相位掩模法、逐点写入法、干涉法、成栅技术等。
内写入法利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯内部形成驻波。
由于光致折射效应，在沿光纤长度的方向通过曝光可以诱导出周期性的折射率变化形成光栅。
这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到的折射率的变化较小，仅为10-6，而且Bragg波长不易改变。
由于该技术的写入效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性能太差，所以该方法已较少使用。
89四、应变和温度的同时测量1、温度减敏和补偿封装①由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅（只感受温度变化），用于消除温度变化的影响。
这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。
②采用热膨胀系数极小，且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。
③采用具有负温度系数的材料进行封装或设计反馈机构，可以对光纤光栅施加一定的（反向）应力，以补偿温度导致的布喇格波长的漂移，使ΔλT/λ的值趋近于0。
光纤光栅原理
光纤光栅原理光纤光栅是一种利用光纤和光栅结构相结合的光学器件，它可以实现对光信号的调制、解调和滤波等功能。
光纤光栅原理的研究和应用已经成为光通信、光传感等领域的热点之一。
本文将对光纤光栅的原理进行详细介绍，以便读者更好地理解和应用这一技术。
光纤光栅的原理主要涉及到光纤和光栅两个方面。
首先，我们来看光纤的作用。
光纤是一种能够传输光信号的细长光导纤维，它具有低损耗、大带宽、抗干扰能力强等优点。
光纤光栅利用光纤的这些特性，可以实现对光信号的长距离传输和精确控制。
其次，光栅是光学中的一种重要元件，它具有周期性的折射率变化结构，可以对光信号进行衍射和干涉，实现光波的频率选择和空间调制。
在光纤光栅中，光纤起到了光传输的作用，而光栅则起到了光信号的调制和解调作用。
光纤光栅的工作原理可以简单描述为，当光信号进入光纤光栅时，首先经过光纤的传输，然后进入光栅结构，在光栅的作用下，光信号会发生衍射和干涉现象，进而实现对光信号的调制和解调。
通过改变光栅的周期、折射率变化等参数，可以实现对光信号的频率选择和相位调制，从而实现对光信号的精确控制。
光纤光栅的原理虽然看似复杂，但其实质是基于光学原理和光纤特性的相互作用。
在光纤光栅中，光纤和光栅相互配合，共同完成对光信号的处理和控制。
光纤光栅的原理不仅可以应用于光通信领域，还可以应用于光传感、光谱分析等领域，具有广泛的应用前景。
总之，光纤光栅是一种重要的光学器件，其原理涉及光纤和光栅两个方面，通过光纤的传输和光栅的调制，可以实现对光信号的控制和处理。
光纤光栅的原理不仅具有理论意义，还具有重要的应用价值，对于推动光通信、光传感等领域的发展具有重要意义。
希望本文对读者对光纤光栅的原理有所帮助，也希望能够引起更多人对光纤光栅技术的关注和研究。
光栅
光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。
主要特点光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。
这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。
1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。
应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。
分类随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。
根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。
其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指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chirped 光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。
光纤光栅传感器技术基础知识
光纤光栅传感复用技术
– 波分复用(WDM)网络
不同反射波长的n个Bragg光栅沿单根光纤排列，分别放置于监测对象的 n个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个Bragg光 栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息， 通过接收端的波长探测系统进行解码，并分析Bragg波长位移情况，即 可获得待测物理量的变化情况，从而实现对n个监测对象的实时、在线 监测。
减小放电电流 适当增大端面间隔
增大推进距离
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤焊接 • 光纤连接器 • 光纤耦合器
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤连接器的重要指标 ➢插入损耗 ➢回波损耗
① 球面接触：实现物理零距离接触 ② 非球面接触：微弱后向反射光很难
进入纤芯
光纤连接器的分类
活动光纤连接器的分类方法和类型非常多，例如：
光纤传感的基本原理
光纤传输的光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、 波长等）在外界环境因素（如温度、压力、位移、电场、磁 场、转动等）作用下间接或直接地发生变化，从而可将光纤 用作传感元件来探测各种物理量。通过测量光纤中传输光波 的特征参量的变化，就可以实现对各种环境物理量的测量。
光纤光栅基本原理
布喇格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射 一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此 中心波长称之为布喇格波长。
布喇格波长决定于光纤纤芯折射率调制的空间周期Λ和调 制幅度的大小。用数学公式表示为：
B 2neff
λB 为光栅的布喇格波长
Neff 为光栅的有效折射率
Λ 为光栅条纹周期。
按传输媒介的不同： 1、常见的硅基光纤的单模、多模连接器；
2、其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器
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光栅位移系统
光纤Bragg光栅传感原理及其应用
1、光纤Bragg光栅：光纤光栅是利用光纤的光敏性,即光纤纤芯在受到特定波长和高于一
定强度的激光照射时,折射率会发生永久性变化这一特性制成的一种光纤无源器件，透射率极大（光纤的光敏性主要取决于纤芯材料光栅周期小于1微米的均匀周期光纤光栅称为光纤布拉格光栅：简称FBG、短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器,长周期光纤光栅属于透射型带阻滤波器）2、光纤光栅主要分两大类: 一是Bragg光栅( 也称为反或短周期光栅) ; 二是透射光栅( 也称为长周期光栅) 。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构, 从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅, 色散补偿型光栅是非周期光栅, 又称为啁啾光栅( chirp光栅)
3、光纤Bragg光栅传感原理：光栅条件：λB=2n effΛ(λB———Bragg波长)
λB—Bragg波长
n eff—光栅的有效折射率,即折射率调制幅度大小的平均效应
Λ—光栅周期,即折射率调制的空间周期
光纤光栅传感器的原理图：
4、光纤Bragg光栅的影响因数：在只考虑光纤受到轴向应力的情况下：,应力对光纤光栅的影响主要体现在两方面:弹光效应使折射率改变,应变效应使光栅周期改变。
温度变化对光纤光栅的影响也主要体现在两方面热光效应使折射率改变,热膨胀效应使光栅周期改变。
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
5、光纤光栅传感系统主要组成：宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等
光纤光栅传感系统常用的光源：LED, LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光
源掺其中掺杂不同浓度、不同离子的稀土光源铒光源是应用的重点。
光纤光栅：解决交叉敏感问题, 实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提
信号解调组成：光信号处理、电信号处理
光信号的解调方法：:①匹配滤波法②光谱编码/比例解调（光谱比例法适用于光路长度以光源波长为序的传感器信号的还原）③干涉法④可调谐F- P滤波器法
6、光纤光栅传感器优点：
(l)它是用波长编码来传感信号，而不是用信号的幅度响应，对光纤连接器和祸合器、光纤弯曲、光源不稳定等无需任何补偿措施;
(2)光纤光栅传感器是自参考的，测量的是绝对值不是计量干涉条纹;
(3)在波分或时分多参数传感应用中，只需一台仪器就可实现寻址，易于制作灵巧结构的光纤传感器网络;
(4)光纤光栅的敏感部分写人芯区，由其组成的传感器无需光纤连接器、机械装配、研磨工艺和对准工艺;
(5)能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个Bragg光栅进行分布式测量;
(6)另外，光纤光栅很容易埋人材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量，因而最有希望实现智能传感网络技术.
相位掩模法制作FBG的装置主要由3部分组成:激光器、曝光装置及成栅监控系统
7、急需解决的问题主要集中在几个方面：一是输出特性稳定,性价比高,适用于工程应用的光源的研发;二是专门用于传感的特殊光纤光栅的制作及其封装技术的改进;三是高灵敏度解调装置的研制以及利用波分复用、时分复用和空分复用等技术实现分布式传感网络的构建
可实现二维运动部件位置被同步检测的共面检测机构
1、位置检测装置是金属切削机床、光刻机等设备的重要组成部分，主要作用是检测工作台相对于基座的实时位置，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。