长周期光栅(课堂PPT)
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光栅衍射现象 ppt课件
(a b)sin k
将得到的K值取整，就得到
最大的K值:
kmax
(a
b)
取整
o
x
fP
一共可看到的谱线为2kmax 1 条（包括中央明纹）
在相邻暗条纹之间必定有明纹，称为次极大。相 邻主极大之间有(N-2)个次极大。
当N 很大时，次极大的个数很多，在主极大明条 纹之间实际上形成一片相当暗的背底。
在研究光栅问题时，主要研究主极大明纹。 PPT课件 7
3.光栅斜入射情况
两两相邻光线的光程 差仍都相同。
k
(a b)sin (a b)sin
光栅衍射
PPT课件
1
一、光栅
大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。 从工作原理分
衍射光栅 (透射光栅)
反射光栅(闪耀光栅)
光栅制作 •机制光栅：在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划 痕,刻过的地方不透光，未刻地方透光。 •全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹 在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。
设1=450nm, 2=650nm, 则据光栅方程，1 和 2 的
第 2 级谱线有：
d sin 1 21 ; d sin 2 22
据上式得： 1 sin -1 2 1 d 26 .74
2 sin -1 2 2 d 40 .54
第2级光谱的宽度 x 2 - x1 f tg 2 - tg 1
通常在 1 cm 内刻有成P千PT课上件 万条透光狭缝。
2
光栅常数
透光缝宽度 a
b a
不透光缝宽度 b
d
光栅常数:
将得到的K值取整，就得到
最大的K值:
kmax
(a
b)
取整
o
x
fP
一共可看到的谱线为2kmax 1 条（包括中央明纹）
在相邻暗条纹之间必定有明纹，称为次极大。相 邻主极大之间有(N-2)个次极大。
当N 很大时，次极大的个数很多，在主极大明条 纹之间实际上形成一片相当暗的背底。
在研究光栅问题时，主要研究主极大明纹。 PPT课件 7
3.光栅斜入射情况
两两相邻光线的光程 差仍都相同。
k
(a b)sin (a b)sin
光栅衍射
PPT课件
1
一、光栅
大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。 从工作原理分
衍射光栅 (透射光栅)
反射光栅(闪耀光栅)
光栅制作 •机制光栅：在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划 痕,刻过的地方不透光，未刻地方透光。 •全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹 在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。
设1=450nm, 2=650nm, 则据光栅方程，1 和 2 的
第 2 级谱线有：
d sin 1 21 ; d sin 2 22
据上式得： 1 sin -1 2 1 d 26 .74
2 sin -1 2 2 d 40 .54
第2级光谱的宽度 x 2 - x1 f tg 2 - tg 1
通常在 1 cm 内刻有成P千PT课上件 万条透光狭缝。
2
光栅常数
透光缝宽度 a
b a
不透光缝宽度 b
d
光栅常数:
光栅衍射PPT课件
1.明纹(主极大或主明纹)
相邻两缝光程差为零时，所有缝到P点的相干
光的相位都是相同的，
P
在P点形成明纹：
2(a b) sin 2k
ab
O
即 (a b) sin k
(a+b)sin
k=0，1 , 2 , 3 ,…. 光栅方程
多缝干涉是多个电矢量在空中的叠加，所以可以用旋转 矢量法分析:也即可以用N个相位差相同、振幅大小相同 的振幅矢量的叠加来表示。
解:(1)根据光栅方程 (a+b)sin=k 而且||<90º
光 栅 的
k
a b sin
ab
102 500 589.3 109
3.4
最 高
可见
k最大为3,即能看到3级以内,共7条.
级 次
最高级次为3！往下取！
(2) 斜入射时,相邻光束的光程差不仅发生在光 栅之后还发生在光栅前。
光栅衍射主极大条件为 =BD-AC=(a+b)sin -(a+b)sini
光强图：
I
N=6!
判断该光栅是 几个缝？
sin
总结：
光栅方程
k=0，1 , 2 , 3 ,….
明纹！
相邻两个主极大之间共有N–1条暗纹， N–2条次 级明纹。
光栅总缝数N 次极大(N–2) 次极大光强 背景越暗 主极大越窄(锐利).
当N很大的时候，次极大看不出来，只看见主极大， 即一条条细而亮的条纹！
此式称为布拉格公式.
X射线一般是波长连续变化的复色射线,以任意掠 射角投射时,反射加强的波长是
2d sin
k
可以切出不同取向的原子层组如图 可应用于测波长或测晶体的晶格常数
光栅-PPT精品文档
8
干涉条纹主极大 的位置没有变化， 但主极大的强度 受到衍射的调制 而变化；并且出 现了亮纹缺级现 象。
d 例 . N = 4， a = 4
I单
I0 单 单缝衍射 sin 2 ( /a) 多缝干涉
-2
-1
0
1
I
I 光栅衍射 光强曲线 -8 -4 N2I0单
的情形
sin
0
主极大缺±4,±8级。
N=4 单缝衍射 d = 4a 轮廓线 缺级 sin 4 8 ( /d )
9
1.缺级现象分析： 当某衍射角θ方向既是多光束干涉的某一级主极 大，又是单缝衍射光强为零的方向时，此时在应 该干涉加强的位置没有衍射光到达，从而在光谱 中缺少这一级亮条纹的现象， 称为缺级现象。
即θ同时满足
d sin k a sin k
( 1 )由 d sin k 求出 sin ;
11
3.能观测到的谱线（主极大）
正入射：
max
d sin k
k max
d
应呈现2k +1条，减去缺极即能观测到的谱线
斜入射：
d (sin sin ) k
P
( 1 sin ) d k m ax
k 0 , 1 , 2 k 1 , 2 , 3
d k k k 1 , 2 , 3 a
可见，产生缺级的条件：d/a 为整数比。满足上 述条件时，某些级的条纹消失。 d/a=3,缺3，6，9…级；d/a=5/3,缺5，10，15 …级
10
2.谱线的位置
sin k / d
x ftg
f X
P
光谱仪器的色散系统—光栅 ppt课件
解：总刻线数N相同，均为 N 3.6104
对于500nm波长，由m (2d / )，有
对于光栅1,最高衍射级次为m1=13.3，取13，分辨率为
R1 m1N1 4.68 105
对于光栅2,最高衍射级次为m2=3.3，取3，分辨率为
R2 m2 N2 1.08 105 R1 R2
例如：中阶梯光栅，刻线密度为79线对/mm，但应用很 高的衍射级次（m取10～1PP0T课0件），仍可或得高分辨率10.
3、光栅的叠级和自由光谱范围
由光栅方程，在给定光栅和入射角条件下，同一衍 射角方向可以有不同级次不同波长的光谱重叠。
d
s in
1 1
2 1
2
3
1
3
PPT课件
m cos0
(sec
1)
因为狭缝高度一般不大，而焦距较长，因此 比较 小，将 sec 级数展开后略去高次项，得到
m 2
d c osPPT0课件2
32
m 2 d cos0 2
结论
1) 由上式可知随狭缝高度增加， 增大，因此 也增大，即在非主截面内的光束衍射角大于主截 面内的光束衍射角，从而形成谱线弯曲。
2
2
d
一般规定m=1时的波长为闪耀波长。
PPT课件
20
b
2d
sin
(i
)
2
cos (i
)
2
i '
闪耀波长 b 2d sin cos( i)
在李特洛装置下， i 称主闪耀条件
此时，闪耀波长为 B 2d sin
对于500nm波长，由m (2d / )，有
对于光栅1,最高衍射级次为m1=13.3，取13，分辨率为
R1 m1N1 4.68 105
对于光栅2,最高衍射级次为m2=3.3，取3，分辨率为
R2 m2 N2 1.08 105 R1 R2
例如：中阶梯光栅，刻线密度为79线对/mm，但应用很 高的衍射级次（m取10～1PP0T课0件），仍可或得高分辨率10.
3、光栅的叠级和自由光谱范围
由光栅方程，在给定光栅和入射角条件下，同一衍 射角方向可以有不同级次不同波长的光谱重叠。
d
s in
1 1
2 1
2
3
1
3
PPT课件
m cos0
(sec
1)
因为狭缝高度一般不大，而焦距较长，因此 比较 小，将 sec 级数展开后略去高次项，得到
m 2
d c osPPT0课件2
32
m 2 d cos0 2
结论
1) 由上式可知随狭缝高度增加， 增大，因此 也增大，即在非主截面内的光束衍射角大于主截 面内的光束衍射角，从而形成谱线弯曲。
2
2
d
一般规定m=1时的波长为闪耀波长。
PPT课件
20
b
2d
sin
(i
)
2
cos (i
)
2
i '
闪耀波长 b 2d sin cos( i)
在李特洛装置下， i 称主闪耀条件
此时，闪耀波长为 B 2d sin
计算机图形学第二讲光栅图形学ppt课件
中点画线法
构造判别式：
d=F(M)=F(xp+1,yp+0.5)
P2
=a(xp+1)+b(yp+0.5)+c
Q
当d<0，M在直线(Q点)下 方，取右上方P2；
P=(xp,yp) P1
当d>0，M在直线(Q点)上
方，取右方P1；
当d=0，选P1或P2均可， 约定取P1；
能否采用增量算法呢？
中点画线法
Bresenham算法
Bresenham画线算法
在直线生成的算法中Bresenham算法 是最有效的算法之一。令 k=Δy/Δx， 就0≤k≤1的情况来说明Bresenham算法。 由DDA算法可知：
yi+1=yi+k (1) 由于k不一定是整数，由此式求出的yi也 不一定是整数，因此要用坐标为（xi,yir） 的象素来表示直线上的点，其中yir表示 最靠近yi的整数。
x y int(y+0.5)
00
0
Line: P0(0, 0)-- P1(5, 2)
1 0.4 0
3
2 0.8 1
2
3 1.2 1
4 1.6
2
1
5 2.0
2
0 12 3 4 5
数值微分(DDA)法
• 缺点： 在此算法中，y、k必须是float，且每一 步都必须对y进行舍入取整，不利于硬件实现。
• 原理：
更新为(x+1,y+1)，同时将e更新为e-2△x；否则 (x,y)更新为(x+1,y)。 5.当直线没有画完时，重复步骤3和4。否则结束。
Bresenham画线算法
BresenhamLine(x0,y0,x1,y1,color) {
光栅讲义
y3 d 2 d 1 cos d x 2 d 1 sin sin
莫尔条纹的周期：
B d 2 sin
或
2 W B cos d1d 2 d12 d 2 2d1d 2 cos
1/ 2
莫尔条纹是周期函数。
（2）莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹（θ≠0）： 当 d2 =d1 cosθ 时，α=0，是严格的横向莫尔条纹， 即当d1≠d2，总能找到一个θ角得到严格的横向莫尔条 纹，此时B= d1ctgθ=W。 当 d1=d2 时， tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2) ，即 α=θ/2。实际θ很小，可进似看作横向莫尔条纹，而 B = d2/sinθ≈W是一个很大的值。
d d cos 纵向莫尔条纹（θ=0）：W=d2d1/（d1- d2）。 tg d sin 当d1=d2时为光闸莫尔条纹，W=∞。 B d 2 sin 斜向莫尔条纹：其余情况。 d1d 2
2 1 1
W
d
2 1
2 d2 2d1d 2 cos
1/ 2
长光栅莫尔条纹
W 1 d
（7-40）
一般θ很小，β 约 102～103 量级，条纹宽度大，易于安装光电 管；光闸莫尔条纹指示光栅为四裂相，易于安装光电管。
误差的平均效应：光电器件接收的是许多刻线透过的 光，对刻线工艺误差有平均作用。 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线 n 的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为 δ 0 时， 则光电器件输出的总误差
莫尔条纹测量原理
莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度；莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度，医学诊断和机器人视觉等。
莫尔条纹的周期：
B d 2 sin
或
2 W B cos d1d 2 d12 d 2 2d1d 2 cos
1/ 2
莫尔条纹是周期函数。
（2）莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹（θ≠0）： 当 d2 =d1 cosθ 时，α=0，是严格的横向莫尔条纹， 即当d1≠d2，总能找到一个θ角得到严格的横向莫尔条 纹，此时B= d1ctgθ=W。 当 d1=d2 时， tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2) ，即 α=θ/2。实际θ很小，可进似看作横向莫尔条纹，而 B = d2/sinθ≈W是一个很大的值。
d d cos 纵向莫尔条纹（θ=0）：W=d2d1/（d1- d2）。 tg d sin 当d1=d2时为光闸莫尔条纹，W=∞。 B d 2 sin 斜向莫尔条纹：其余情况。 d1d 2
2 1 1
W
d
2 1
2 d2 2d1d 2 cos
1/ 2
长光栅莫尔条纹
W 1 d
（7-40）
一般θ很小，β 约 102～103 量级，条纹宽度大，易于安装光电 管；光闸莫尔条纹指示光栅为四裂相，易于安装光电管。
误差的平均效应：光电器件接收的是许多刻线透过的 光，对刻线工艺误差有平均作用。 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线 n 的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为 δ 0 时， 则光电器件输出的总误差
莫尔条纹测量原理
莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度；莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度，医学诊断和机器人视觉等。
光栅课件
按检测方式分 常用光电开关的分类方法：按检测方式 可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类 型。对射式检测距离远，可检测半透明物体 的密度（透光度）。反射式的工作距离被限 定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜 面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检 测，也可检测透明或半透明物体。
按结构分类
光电开关按结构可分为放大器分 离型、放大器内藏型和电源内藏型 三类。
它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发 射器发出的光线经过反射镜反射回接收器， 当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电 开关就产生了检测开关信号。
它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置 的发射器和接收器，发射器发出的光线直接 进入接收器，当被检测物体经过发射器和接 收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了 开关信号。当检测物体为不透明时，对射式 光电开关是最可靠的检测装置。
图是德国SICK公司的部分光电开关外型图。
①漫反射式光电开关：它是一种集发射器和 接收器于一体的传感器，当有被检测物体经 过时，物体将光电开关发射器发射的足够量 的光线反射到接收器，于是光电开关就产生 了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其 反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选 的检测模式。
它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接 收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴， 当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电 开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比 较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨 透明与半透明物体,使用安全可靠。
它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线， 可以对距离远的被检测物体进行检测。通常 光纤传感器分为对射式和漫反射式。
光电开关传感器双线直O） 无极性 防短路的输出 漏电电流≤0.8mA 电压降≤5V 注意不允许双线直流传感器的串并联连接
长周期光栅
三 高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的弯曲特性实验
不同圆周方向弯曲（曲率1.3/m）时(a)谐振波长，(b)损耗峰幅值的变化，图中给出了转 动两周0°～720°的测试结果
随着不同圆周方向弯曲曲率的增加长周期光纤光栅LPFG7(a)谐振波长，(b)损耗峰幅值的变化
CO2激光加热处光纤横截面折 射率分布如图所示，颜色深的 部分表示折射率变化大，颜色浅的部 分表示折射率变化小。长周期光纤光 栅横截面折射率分布不均匀性的外在表现就是其弯曲特性具有明显的方向相关 性。光栅横截面折射率分布不均匀导致光纤中的模场向CO2激光入射的一侧偏移，相当于光纤 的纤芯发生偏移，等效的向CO2激光入射一侧偏移的纤芯如图中的小黑点所示。光纤模场的偏 移使得不同方向的弯曲对模场的影响不同。当向CO2激光入射或出射方向弯曲时，等效纤芯受 压或受拉的程度较大，以致于光栅的谐振波长和幅值对这个方向的弯曲很敏感；当向垂直于 CO2激光入射方向的方向弯曲时等效纤芯几乎不受压（拉），以致于光栅的谐振波长和幅值对 这个方向的弯曲不敏感，所以单侧CO2激光写入的长周期光纤光栅的弯曲特性具有明显的弯曲 方向相关性。如图所示，在圆周360o范围内具有两个谐振波长（损耗峰幅值）对弯曲最敏感的 方向和两个谐振波长（损耗峰幅值）对弯曲最不敏感的方向，即在激光入射和出射的方向，谐 振波长（损耗峰幅值）对弯曲最敏感；而在与激光入射方向垂直的方向，谐振波长（损耗峰幅 值）对弯曲最不敏感。
• 2001年黎敏等人提出了一种用莫尔条纹振幅模板在硫化物 光纤中写入长周期光纤光栅的方法。
• I.Sohn和M.Yokota等人分别于2001年和2002年用机械微 弯法制作了长周期光纤光栅。
• 饶云江首次提出了一种用计算机控制的高频CO2激光脉冲 在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅的方法。
第7章光栅ppt课件
零位光栅
零位光栅透过的光能量
作业
7.1，7.2，7.7
1、一对均为50 lp/mm的光栅尺组成横向莫尔条纹测 量装置，有四列信号输出，光电接受管的直径为 1mm，两光栅的夹角至少应该有多大？如果单刻线 的误差为 ±1μm，光电接受管的平均误差是多少？
2、莫尔条纹法进行几何测量有什么优点？光栅莫尔 条纹测量装置，一般为什么有四列信号输出？
处理方法：将0～360o分为 8个区，每个区间各占45o。 单片机采集正、余弦信号的A/D值，并对其进行正、 负及绝对值大小的判断，由此可唯一确定每个区间。
在1、4、5、8区间用tgθ查表细分，在2、3、6、7 区间用ctgθ查表细分,而由tgθ和 ctgθ的性质可知，只需 在0～45o 范围造表细分。用基数加上或减去查表值即 可求得不同区间的细分值。
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4— 转盘 5—工件 6—刀具
数控加工中心
编码器在数控加工中心的 刀库选刀控制中的应用
角编码器与旋转刀库连接 刀具
旋转刀库
角编码器的输出为当前刀具号 被加工工件
用不同的刀具加工复杂的工件
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测量伺服电 机的转速、转角，并通 过伺服控制系统控制其 各种运行参数。
莫尔条纹是周期函数。
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
（3）测量原理
主光栅相对指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条 纹间距。莫尔条纹将光栅位移信息转换成光强随时间的变化。 只要计测条纹移过的个数 n，便可计算出光栅的位移量L，即
Lnq
（7-38）
式中 q=d 为量化单位，表示每移动一条纹所对应的长度量；δ 是不足一周期的移动量所对应的位移量。
【精编】11-3光栅分解PPT课件
▪ 28．1897年，有人指出：“中国创行西法 已数十年，皆属皮毛，空言无补。至今两 年来，忽大为变动，如行政、银行、铁路， 直见施行，今天津亦有小轮，风气之开， 人力诚难阻隔也。”产生上述变化的主要 原因是
▪ A．维新变法运动迅速兴起
▪ B．政府大力扶持官督商办企业
▪ C．列强对华资本输出减少
▪ D．政府放宽了兴办实业的限制
▪ 人民解放军的这一行动还只是在长江流 域，西方国家还可以通过东南沿海等地援助 国民党，故排除C项。
▪ “另起炉灶” 是新中国成立后的外交政 策，故排除D项。
▪31．图5为1954年某画家创作的《婆媳上冬学》， 这一作品
图5 A．继承了传统文人画的特点 B．受同期西方流行画派影响 C．体现了现实主义绘画风格 D．注重表现作者的艺术想象
▪ 材料表明富商的发展态势，并未涉及政 治权利问题，故排除D项。
▪26．
表1
土地规模（亩）
户数
户数比例
20以下
24
17．3%
20～130
103
74．1%
131～300
10
7．2%
300以上
2
1．4%
小计
139
100%
表1为唐代后期敦煌某地土地占有情况统计表。据此可 知，当时该地（ ）
A．自耕农经济盛行 B．土地集中现象突出 C．均田制破坏严重 D．农业生产效率提高
例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10－4)×1024＝6144个脉冲。
07.07.2021
14
正向运动 产生
加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
长周期光栅
[ H 2 ] = 3.3 ×10 α1245
−3
进行紫外曝光时，由于光栅区曝光部分B 参加反应的氢分子要比被遮挡部分A 参加反应 的氢分子多,在光栅制作完毕后B 区中残留的氢分子要比A区中的少,所以当经历退火后A 区由于氢分子逃逸导致折射率的减小量要比B 区大,这就导致纤芯折射率调制深度的增加， 引起谐振峰的较大的变化。为了解决这个问题,作者应用了均匀紫外曝光技术。
3 应力或温度传感器 长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的一切优点: 如体积小、重量轻、可 重复性好等, 而且对温度、应力变化非常灵敏。因此, 它是一种比较理想的温度或应力 敏感元件。研究表明 ,长周期光纤光栅温度灵敏度是光纤B ragg 光栅的7 倍。长周期 光纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度测量, 也可以将级联的长周期光 纤光栅作为传感器阵列进行多参数分布式测量。随着研究逐渐深入, 长周期光纤光栅 应用越来越广。就目前所知, 在通信领域中的带通滤波、光上下路复用、光纤光源、 光纤耦合、偏振器件等方面都有相关的研究结果。在传感领域, 由于其谱特性对温度、 应力、微弯及外部折射率变化相当灵敏, 因此, 能够产生温度、应力、微弯及外部折射 率变化的物理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温 度传感、振动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。 4 带通滤波器 光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周 期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬 逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。 将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的 光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望 的特定波长的光由于耦合极弱, 保
长周期光栅
长周期光纤光栅(LPFG) 是一种基于纤芯基模和同向传输的
包层模之间耦合的光栅,它的光栅周期一般为几十到几百个微米。 它与普通布拉格(Bragg) 光栅相比具有背向反射率低,带宽宽,对 温度、应力、折射率变化的响应灵敏度高和易于批量制作等优 点,可以被运用于掺铒光纤放大器的增益平坦、放大器自发辐射 噪声的抑制以及测量中的光纤传感。 长周期光纤光栅：振幅掩模法、电弧感生微弯法、熔融拉锥法、 机械感生法,逐点写入法(CO2激光写入和飞 秒 激光写入)等.
H 6 .9 1 10 e 1 x 7 .8 p 12 ( /0 T )P
式中T为热力学温度值, P的量纲为Pa , H为无量纲值。而氢气在光纤中扩散的时间 又取决于光纤的半径(μm) 和T 的高低,对于一段裸光纤来讲,扩散时间满足下面的关 系式:
tdi f4 f.4 1 6 0 ex 5 .2 p 13( /0 T )r c 2l
率变化的物理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温 度传感、振动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。
4 带通滤波器 光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周 期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬 逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。 将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的 光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望 的特定波长的光由于耦合极弱, 保
长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的 WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽 内, 增益平坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。
长周期光栅
4
长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽内, 增益平 坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。
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均匀紫外曝光技术：在制作光栅的时候去掉振幅掩模板,让紫外光均匀地照射到光栅区
上一段时间。在利用掩摸板制作光栅之后引入均匀紫外曝光技术,使整个光栅区都接收紫 外曝光,让整个光栅区残留下来氢分子都有机会参与反应。由于A区残留氢气的浓度比B 区 大,在同时接受紫外曝光的时候,A 区所参与反应的氢分子要比B 区多,这样可减小A 区和B 区在退火前的氢气浓度差,在一定程度上减少了退火前后折射率调制深度的变化。但是对 光栅进行均匀紫外曝光同时会改变光纤光栅的耦合特性。图2 为实验中测得的长周期光纤 光栅第四个谐振峰在均匀紫外曝光过程中的变化情况。图2(a) 中谐振峰的波长随脉冲的 增加而增加,而损耗则相反。这是由于均匀紫外曝光能同时使A 区和B 区的折射率有很大 的提高,引起谐振波长的增加。但是由于A 区的氢气浓度比B 区大,所以它的光敏性也比B 区要好。当同时接受紫外光幅照的时候,A 区的折射率增长速度要比B 区快。这样也就导 致了光栅折射率调制深度的减小,谐振峰的损耗也就相应地发生变化。图2 (b) 为均匀紫外 曝光前后光纤光栅的透射谱,通过它我们可以更直观地看到均匀紫外曝光对长周期光纤光 栅耦合特性的影响。
长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽内, 增益平 坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。
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均匀紫外曝光技术：在制作光栅的时候去掉振幅掩模板,让紫外光均匀地照射到光栅区
上一段时间。在利用掩摸板制作光栅之后引入均匀紫外曝光技术,使整个光栅区都接收紫 外曝光,让整个光栅区残留下来氢分子都有机会参与反应。由于A区残留氢气的浓度比B 区 大,在同时接受紫外曝光的时候,A 区所参与反应的氢分子要比B 区多,这样可减小A 区和B 区在退火前的氢气浓度差,在一定程度上减少了退火前后折射率调制深度的变化。但是对 光栅进行均匀紫外曝光同时会改变光纤光栅的耦合特性。图2 为实验中测得的长周期光纤 光栅第四个谐振峰在均匀紫外曝光过程中的变化情况。图2(a) 中谐振峰的波长随脉冲的 增加而增加,而损耗则相反。这是由于均匀紫外曝光能同时使A 区和B 区的折射率有很大 的提高,引起谐振波长的增加。但是由于A 区的氢气浓度比B 区大,所以它的光敏性也比B 区要好。当同时接受紫外光幅照的时候,A 区的折射率增长速度要比B 区快。这样也就导 致了光栅折射率调制深度的减小,谐振峰的损耗也就相应地发生变化。图2 (b) 为均匀紫外 曝光前后光纤光栅的透射谱,通过它我们可以更直观地看到均匀紫外曝光对长周期光纤光 栅耦合特性的影响。
长周期光纤光栅理论基础
长周期光纤光栅理论基础1 高频CO 2激光写入光栅的折变机理分析 (1)1.1 高频CO 2激光写入光栅的装置及方法 .................................................................. 1 1.2 高频CO 2激光写入光栅的折变机理 ..................................................................... 2 2 旋转相移长周期光纤光栅的理论分析 . (3)2.1拍频理论 (3)2.2相移理论 ............................................................................................................. 5 2.3旋转相移光纤光栅理论 . (6)在光学层面，已有多种描述光纤光栅的属性和设计的模型，而每种方法通常都提供了一个独特的视角去观察光栅－电场交互作用的物理机理。
在过去十多年中，国内外学者对纤芯均匀折变长周期光纤光栅的理论研究比较多，折变分布在光纤整个横截面且不均匀的光栅却研究得较少，而横截面折变非均匀的光纤光栅是光栅家族中非常重要的一类。
1 高频CO 2激光写入光栅的折变机理分析1.1 高频CO 2激光写入光栅的装置及方法T-LPFG 的制作装置如图1所示：整个系统由一个全功率为10W 的CO 2激光器（CT-LEG10）、宽带光源（SLED1550S5A ）、光谱分析仪(OSA, Agilent 68140A)和一组三维微动台组成。
将一根普通单模光纤呈水平直线状态置于CO 2激光器聚焦透镜的焦点，通过仔细调整微动台使光纤的轴线与CO 2激光的焦斑重合。
为了提高写入效率，通常预先把被加热段光纤的涂覆层剥去50mm 左右，这样，当CO 2激光在光纤上加热时，激光能量可以较容易地透过包层进入纤芯，使之快速成栅。
长周期光纤光栅
长周期耦合模理论1400150016001700-20-15-10-55d bnm长周期光纤光栅的模式耦合主要指是指纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合。
在理想光纤中传输的光的不同模式相互正交，传输过程中不同模式之间没有能量交换，即不同模式的能量保持恒定。
而长周期光纤光栅中周期性的折射率调制使纤芯基模和同向包层摸发生耦合，能量在模式之间发生相互转移。
光纤结构图长周期光纤光栅是纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合，而耦合到包层中的光在经过一段距离传输后，由于包层与空气界面的散射以及光纤弯曲等原因，包层模转化成辐射模而迅速衰减掉。
由于同向传播的导模可以耦合到不同阶的包层模。
从而在长周期光纤光栅的透射谱中可以观察到一系列的损耗峰。
光纤光栅的模式有效折射率变化()eff n z δ可表示为：2()()1cos ()eff eff n z n z vz z πδδ⎧⎫⎡⎤=++Φ⎨⎬⎢⎥Λ⎣⎦⎩⎭()eff n z δ表示直流有效折射率变化，v 是折射率调制的条纹可见度，Λ为光栅周期，()z Φ描述光栅啁啾。
定义长周期光纤光栅的设计波长D eff n λ≡∆Λ长周期光纤光栅的模式耦合方程可近似表示为：ˆ()()dRi R z ikS z dZ σ=+ ˆ()()dSi S z ik R z dZσ*=-+ R 、S 表示纤芯基模和同向包层模的幅度，ˆσ和k 分别表示自耦合系数和模式间的交叉耦合系数。
自耦合率t =和交叉耦合率t ⨯：222222()1cos sin (0)1ˆR z t k R σ===++22222()1sin ˆ(0)1S z t R k σ⨯==+ 谐振波长和带宽交叉耦合率最大时的谐振波长为：112211()2res Dλλσσπ=Λ-- 折射率调制主要发生在纤芯的均匀单模长周期光纤光栅，包层的折射率调制很小，所以上式可近似表示为：1eff resD eff n n δλλ⎛⎫≅+ ⎪ ⎪∆⎝⎭在长周期光纤光栅的写入过程中，损耗峰首先出现在光栅的设计波长D λ处，随着折射率调制的增加，谐振波长向长波方向移动，即均匀长周期光纤光栅的谐振波长由光栅的设计波长D λ（光栅周期Λ）和平均有效折射率调制大小决定。
光栅实验PPT
dsinϕk =kλ ϕ
k= 0, ± 1, ± 2,……
其中d是光栅常数， 其中 是光栅常数， ϕk为 是光栅常数 衍射角， 为入射光波长， 衍射角， λ为入射光波长， b k给出了该明纹的级次。 a 给出了该明纹的级次。 给出了该明纹的级次 如果用会聚透镜将衍射 后的平行光会聚起来,透 后的平行光会聚起来 透 镜后焦面上将出现一系 列亮线----谱线 谱线.在 列亮线 谱线 在ϕ=0的 的 方向上可以观察到零级 谱线,其他级数的谱线对 谱线 其他级数的谱线对 称分布在零级两侧. 称分布在零级两侧
为了消除分光计刻度盘的偏心差， 为了消除分光计刻度盘的偏心差，对同一方位要同时读出两游标盘的读 取其平均。例如， 数，取其平均。例如，对＋k级，左右游标读数分别为αk及βk，对－k级， 级 左右游标读数分别为α 级 左右游标读数分别为α 左右游标读数分别为α’k及β’k ，则k级衍射角为 级衍射角为
透光缝宽度 a 不透光数:
d
d = a+b
光栅常数与光栅单位长度的刻 痕数N的关系 痕数 的关系
f
1 d = a+b = N
二、光栅衍射
♦根据波动光学理论，当单色平行光垂直照射在光栅面上时， 根据波动光学理论，当单色平行光垂直照射在光栅面上时，
将产生夫琅和费衍射现象，如图所示。 将产生夫琅和费衍射现象，如图所示。产生明条纹的条件为
分光计一台、待测波长光源 钠光灯 一个、 钠光灯)一个 分光计一台、待测波长光源(钠光灯 一个、 光栅常数已知(d=1/100mm)及未知的光 光栅常数已知 及未知的光 栅各一块. 栅各一块
[实验内容] 实验内容]
调整分光计处于正常工作状态。(参看实验 调整分光计处于正常工作状态。 参看实验17) 参看实验 安置光栅，调节平台， 安置光栅，调节平台，使达到入射光垂直照射在光栅 表面. 表面 测量钠黄光波长. 测量钠黄光波长
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[H2]3.31 031245
8
进行紫外曝光时，由于光栅区曝光部分B 参加反应的氢分子要比被遮挡部分A 参加反应 的氢分子多,在光栅制作完毕后B 区中残留的氢分子要比A区中的少,所以当经历退火后A 区由于氢分子逃逸导致折射率的减小量要比B 区大,这就导致纤芯折射率调制深度的增加， 引起谐振峰的较大的变化。为了解决这个问题,作者应用了均匀紫外曝光技术。
5
3 应力或温度传感器 长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的一切优点: 如体积小、重量轻、可重 复性好等, 而且对温度、应力变化非常灵敏。因此, 它是一种比较理想的温度或应力敏 感元件。研究表明 ,长周期光纤光栅温度灵敏度是光纤B ragg 光栅的7 倍。长周期光 纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度测量, 也可以将级联的长周期光纤光 栅作为传感器阵列进行多参数分布式测量。随着研究逐渐深入, 长周期光纤光栅应用越 来越广。就目前所知, 在通信领域中的带通滤波、光上下路复用、光纤光源、光纤耦合、 偏振器件等方面都有相关的研究结果。在传感领域, 由于其谱特性对温度、应力、微弯 及外部折射率变化相当灵敏, 因此, 能够产生温度、应力、微弯及外部折射率变化的物 理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温度传感、振 动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。 4 带通滤波器 光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周 期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬 逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。 将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的 光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望 的特定波长的光由于耦合极弱, 保
长周期光纤光栅(LPFG) 是一种基于纤芯基模和同向传输的
包层模之间耦合的光栅,它的光栅周期一般为几十到几百个微米。 它与普通布拉格(Bragg) 光栅相比具有背向反射率低,带宽宽,对 温度、应力、折射率变化的响应灵敏度高和易于批量制作等优 点,可以被运用于掺铒光纤放大器的增益平坦、放大器自发辐射 噪声的抑制以及测量中的光纤传感。 长周期光纤光栅：振幅掩模法、电弧感生微弯法、熔融拉锥法、 机械感生法,逐点写入法(CO2激光写入和飞 秒 激光写入)等.
6
留在纤芯1 中, 由主端口1 输出, 从而实现了波长选择的带通滤波。为增强纤芯2 的衰 减程度, 可以在外部环绕放置金属吸收物质或采用高吸收能力的光纤(图1b 或c)。这 种带通滤波器的通带带宽与旁瓣抑制一定程度上取决于耦合器的长度(耦合作用长度) 与第二纤芯的衰减能力。
7
载氢技术作为一种光纤增敏技术是由贝尔实验室在1993 年提出的,它可以使普通光 纤的光敏性提高1 ～2 个量级。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
9
均匀紫外曝光技术：在制作光栅的时候去掉振幅掩模板,让紫外光均匀地照射到光栅区
上一段时间。在利用掩摸板制作光栅之后引入均匀紫外曝光技术,使整个光栅区都接收紫 外曝光,让整个光栅区残留下来氢分子都有机会参与反应。由于A区残留氢气的浓度比B 区 大,在同时接受紫外曝光的时候,A 区所参与反应的氢分子要比B 区多,这样可减小A 区和B 区在退火前的氢气浓度差,在一定程度上减少了退火前后折射率调制深度的变化。但是对 光栅进行均匀紫外曝光同时会改变光纤光栅的耦合特性。图2 为实验中测得的长周期光纤 光栅第四个谐振峰在均匀紫外曝光过程中的变化情况。图2(a) 中谐振峰的波长随脉冲的 增加而增加,而损耗则相反。这是由于均匀紫外曝光能同时使A 区和B 区的折射率有很大 的提高,引起谐振波长的增加。但是由于A 区的氢气浓度比B 区大,所以它的光敏性也比B 区要好。当同时接受紫外光幅照的时候,A 区的折射率增长速度要比B 区快。这样也就导 致了光栅折射率调制深度的减小,谐振峰的损耗也就相应地发生变化。图2 (b) 为均匀紫外 曝光前后光纤光栅的透射谱,通过它我们可以更直观地看到均匀紫外曝光对长周期光纤光 栅耦合特性的影响。
tdiff 量纲为s。其中当t = tdiff 时,光纤中氢气的浓度达到其饱和值H 的63 %。另外,由 于存在游离的氢气,光纤在1245 nm 处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的 摩尔分数[ H2 ]可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小α1245来确 定,α1245的量纲采用dB ,它们满足以下的关系:
H 6 .9 1 10 e 1 x 7 .8 p 12 ( /0 T )P
式中T为热力学温度值, P的量纲为Pa , H为无量纲值。而氢气在光纤中扩散的时间 又取决于光纤的半径(μm) 和T 的高低,对于一段裸光纤来讲,扩散时间满足下面的关 系式:
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长周期光纤光栅的研究
1
主要内容
❖ 介绍 ❖ 应用 ❖ 一种改善长周期光纤光栅热稳定的方法
2
根据光栅周期分类
布拉格光栅 (FBG)
长周期光纤光栅 （ LPFG ）
L
光纤布拉格光栅 • 光栅周期～0.5 m • 前向模和后向模之间的耦合
长周期光纤光栅 ❖ 光栅周期>100 m ❖ 纤芯模和包层模之间的耦合 3
4
长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的 WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽 内, 增益平坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。
8
进行紫外曝光时，由于光栅区曝光部分B 参加反应的氢分子要比被遮挡部分A 参加反应 的氢分子多,在光栅制作完毕后B 区中残留的氢分子要比A区中的少,所以当经历退火后A 区由于氢分子逃逸导致折射率的减小量要比B 区大,这就导致纤芯折射率调制深度的增加， 引起谐振峰的较大的变化。为了解决这个问题,作者应用了均匀紫外曝光技术。
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3 应力或温度传感器 长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的一切优点: 如体积小、重量轻、可重 复性好等, 而且对温度、应力变化非常灵敏。因此, 它是一种比较理想的温度或应力敏 感元件。研究表明 ,长周期光纤光栅温度灵敏度是光纤B ragg 光栅的7 倍。长周期光 纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度测量, 也可以将级联的长周期光纤光 栅作为传感器阵列进行多参数分布式测量。随着研究逐渐深入, 长周期光纤光栅应用越 来越广。就目前所知, 在通信领域中的带通滤波、光上下路复用、光纤光源、光纤耦合、 偏振器件等方面都有相关的研究结果。在传感领域, 由于其谱特性对温度、应力、微弯 及外部折射率变化相当灵敏, 因此, 能够产生温度、应力、微弯及外部折射率变化的物 理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温度传感、振 动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。 4 带通滤波器 光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周 期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬 逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。 将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的 光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望 的特定波长的光由于耦合极弱, 保
长周期光纤光栅(LPFG) 是一种基于纤芯基模和同向传输的
包层模之间耦合的光栅,它的光栅周期一般为几十到几百个微米。 它与普通布拉格(Bragg) 光栅相比具有背向反射率低,带宽宽,对 温度、应力、折射率变化的响应灵敏度高和易于批量制作等优 点,可以被运用于掺铒光纤放大器的增益平坦、放大器自发辐射 噪声的抑制以及测量中的光纤传感。 长周期光纤光栅：振幅掩模法、电弧感生微弯法、熔融拉锥法、 机械感生法,逐点写入法(CO2激光写入和飞 秒 激光写入)等.
6
留在纤芯1 中, 由主端口1 输出, 从而实现了波长选择的带通滤波。为增强纤芯2 的衰 减程度, 可以在外部环绕放置金属吸收物质或采用高吸收能力的光纤(图1b 或c)。这 种带通滤波器的通带带宽与旁瓣抑制一定程度上取决于耦合器的长度(耦合作用长度) 与第二纤芯的衰减能力。
7
载氢技术作为一种光纤增敏技术是由贝尔实验室在1993 年提出的,它可以使普通光 纤的光敏性提高1 ～2 个量级。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
9
均匀紫外曝光技术：在制作光栅的时候去掉振幅掩模板,让紫外光均匀地照射到光栅区
上一段时间。在利用掩摸板制作光栅之后引入均匀紫外曝光技术,使整个光栅区都接收紫 外曝光,让整个光栅区残留下来氢分子都有机会参与反应。由于A区残留氢气的浓度比B 区 大,在同时接受紫外曝光的时候,A 区所参与反应的氢分子要比B 区多,这样可减小A 区和B 区在退火前的氢气浓度差,在一定程度上减少了退火前后折射率调制深度的变化。但是对 光栅进行均匀紫外曝光同时会改变光纤光栅的耦合特性。图2 为实验中测得的长周期光纤 光栅第四个谐振峰在均匀紫外曝光过程中的变化情况。图2(a) 中谐振峰的波长随脉冲的 增加而增加,而损耗则相反。这是由于均匀紫外曝光能同时使A 区和B 区的折射率有很大 的提高,引起谐振波长的增加。但是由于A 区的氢气浓度比B 区大,所以它的光敏性也比B 区要好。当同时接受紫外光幅照的时候,A 区的折射率增长速度要比B 区快。这样也就导 致了光栅折射率调制深度的减小,谐振峰的损耗也就相应地发生变化。图2 (b) 为均匀紫外 曝光前后光纤光栅的透射谱,通过它我们可以更直观地看到均匀紫外曝光对长周期光纤光 栅耦合特性的影响。
tdiff 量纲为s。其中当t = tdiff 时,光纤中氢气的浓度达到其饱和值H 的63 %。另外,由 于存在游离的氢气,光纤在1245 nm 处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的 摩尔分数[ H2 ]可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小α1245来确 定,α1245的量纲采用dB ,它们满足以下的关系:
H 6 .9 1 10 e 1 x 7 .8 p 12 ( /0 T )P
式中T为热力学温度值, P的量纲为Pa , H为无量纲值。而氢气在光纤中扩散的时间 又取决于光纤的半径(μm) 和T 的高低,对于一段裸光纤来讲,扩散时间满足下面的关 系式:
tdi f4 f.4 1 6 0 ex 5 .2 p 13( /0 T )r c 2l
长周期光纤光栅的研究
1
主要内容
❖ 介绍 ❖ 应用 ❖ 一种改善长周期光纤光栅热稳定的方法
2
根据光栅周期分类
布拉格光栅 (FBG)
长周期光纤光栅 （ LPFG ）
L
光纤布拉格光栅 • 光栅周期～0.5 m • 前向模和后向模之间的耦合
长周期光纤光栅 ❖ 光栅周期>100 m ❖ 纤芯模和包层模之间的耦合 3
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长周期光纤光栅最典型用于三个方面:EDFA 增益平坦、带阻滤波器、光纤传感。 1 EDFA 增益平坦 通信系统中, 如果掺铒光纤放大器(EDFA )增益谱分布不平坦, 则各个信道增益不同, 一 方面限制了无中继跨接距离, 另一方面也造成接收端误码率的增大。可以用B lazed 光 栅进行增益平坦, 此法的缺陷在于总存有一定程度的反射光, 长周期光纤光栅可以克服 这一缺点。将两个具有不同工作波长的长周期光纤光栅组合进行EDFA 增益平坦, 在 25nm～ 30nm 带宽内EDFA 增益谱的起伏小于0.2dB。将之应用于20×5Gb/s 的 WDM 通信系统中, 通信信道以0. 6nm 的间隔分布于1550.4nm～ 1561. 8nm 的带宽 内, 增益平坦带宽提高了3 倍。 2 带阻滤波器 长周期光纤光栅的耦合机理决定了它对特定的波长具有损耗的能力, 在谱特性曲线上 表现为一个损耗波峰。特殊设计长周期光纤光栅的周期及长度, 可以使谐振波长强烈 衰减, 而其余波长基本没有损耗的通过, 从而实现了基于光纤的光学带阻滤波。其中光 栅周期与调制深度决定谐振波长, 而光栅长度决定阻带带宽。