光纤光栅
光纤光栅
2.基片式封装FBG应变传感器
基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一小槽， 然后用粘结剂将；裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主要是增加 基片和光纤的接触面积，从而能有效的将基片的应变传递到光纤光栅上。 相比于管式封装，基片式封装结构不需要将粘结剂灌入套管，传感器 制作比较方便，适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中，粘结 剂直接暴露在空气中，容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步研究。
(8.3-4)
这里，ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为
B / B ( ) T
(8.3-5)
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
(8.3-9)
Pe
1 2 neff [ P 12 ( P 11 P 12 )] z 2
B / B 1 Pe
(8.3-10)
综合式 (8.3-7)、(8.3-9) 、(8.3-10) 代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度
K
z
(8.3-11)
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
8
6.1.1 温度传感原理 温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。 假设均匀压力场和轴向应力场保持恒 定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
(8.3-3)
式中 α 为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的折射率变化为
neff neff T
6
2015-6-3
将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位臵发生变化的时候， 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波 长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。
光缆 光栅 光纤
光缆光栅光纤
光缆和光纤是两种不同的通信技术，而光栅则是光纤传感技术中的一种。
光缆是由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。
光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害。
它是用以实现光信号传输的一种通信线路。
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
它的质地脆易断，因此需要外加一层保护层。
光栅光纤，或称光纤光栅传感器，属于光纤传感器的一种。
它基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。
光纤光栅
（k = 0,1,2,3…）
N=2 d=3a N=3 d=3a N=4 d=3a N=5 d=3a
-2 -1 0 1 2
衍射图样
归一化强度分布(N为狭缝数目)
光栅衍射图样及强度分布
1.光纤光栅的定义
光纤光栅：在一定长度的光纤上，在光纤的纤芯或者
包层中，周期性的改变折射率。
边界条件
dR ( z ) ˆ i R ( z ) i S ( z ) dz dS ( z ) ˆS ( z ) i R ( z ) i dz
d 令D dz
ˆ R ikS D i ˆ S ikR D i
光栅衍射
平行光垂直照到光栅平面时， 光波将在每个狭缝处发生衍射， a b 衍射光干涉后再经透镜会聚到 屏幕上，使屏幕上出现细亮的 等间距条纹。 是单缝衍射与各个缝之间干 涉的综合效果
d
θ
f
o
P
θ
o
f
光栅衍射
光栅方程（亮纹条件） ：
(a b) sin k
N=1
d=a+b 为光栅常量 亮纹到中心的距离：
*
ˆ
2
neff
1 d 是光纤光栅的直流自耦合系数 2 dz
neff 表示光纤光栅的交流耦合系数
布拉格波长 2neff
均匀光纤光栅耦合模方程组的解析解
R L / 2 1
L z , S ( L / 2) 0 光栅长度外无反向传输光存在 2
光栅的相位变化即chirp
2 neff ( z) neff ( z)1 v cos z ( z) * f ( z)
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅是利用物理光学原理将光纤中的光子转换成特定的频域信号，从而实现无损传输信号、提高系统、应用等性能。
它是一种比较新型的光学元件，具有高灵敏度、高信噪比和高带宽等优点，因此广泛地应用于通信和技术应用领域。
光纤光栅可以分为两种：偏振光纤光栅和非偏振光纤光栅。
偏振光纤光栅是一种能够将偏振光子转换成振动能量的光学元件，可以用来传输偏振光子，它是一种手性受控的元件，可以有效抑制由偏振失实引起的灰度缩放效应。
非偏振光纤光栅是一种光学元件，它能够将非偏振光子转换成电信号，可以有效地扩展信号的传输距离，并具有很高的信噪比，对于具有高速传输需求的系统而言，非偏振光纤光栅是最理想的选择。
光纤光栅的基本原理是光纤光栅是一种特殊的光学元件，它可以中继由光子传输的信号，并将其转换成电信号，从而可以实现无损信号传输、提升系统性能和应用性能。
光纤光栅基本上是由一个光栅尺（也可以叫做光栅），一个光纤和一个检测器组成的，这个光栅尺的位置会发生微小的振动，当光子在光栅尺上经过时，会产生振动，然后由检测器检测出来，这种波形的变化微小，但是可以显著地改善光纤传输的性能。
此外，光纤光栅也具有良好的适应性和灵活性，可以根据实际应用中的需求，对光纤光栅进行优化，以提高系统性能，提升应用性能。
因此，光纤光栅被越来越多地应用在通信技术、汽车电子、空间技术、
军事等众多领域。
总之，光纤光栅是一种物理光学原理，可以将光子转换成特定的频域信号，从而实现信号的无损传输、提高系统性能和应用性能。
它的优点是高灵敏度、高信噪比和高带宽；缺点是价格相对较高。
光纤光栅的广泛应用可以使各类电子系统得到极大的提升。
光纤光栅 hr
光纤光栅（FBG）是一种反射型光纤传感器，其反射光谱的中心波长与光纤光栅的折射率调制深度和写入的光栅长度相关。
光纤光栅的反射光谱具有窄线宽、稳定性好、抗干扰能力强等特点，因此被广泛应用于各种光纤传感和通信系统。
高分辨率（HR）光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其反射光谱具有高分辨率和高精度测量等特点。
HR光纤光栅通常采用高折射率调制深度和高光栅长度的技术实现，其反射光谱的线宽非常窄，可以精确测量和监测光纤中的微小变化。
因此，HR光纤光栅在光纤传感和通信领域具有广泛的应用前景。
除了HR光纤光栅外，还有长周期光纤光栅（LPFG）、全息光纤光栅等不同类型的光纤光栅，每种光纤光栅都具有其独特的特点和应用场景。
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅原理是基于光的干涉效应，通过在光纤中引入周期性的折射率变化来实现的。
光纤光栅中的周期性折射率变化可以通过不同的方式实现，其中一种常见的方式是通过在光纤中引入周期性的应变或温度变化。
这种变化会导致光纤的折射率发生变化，从而形成了光纤光栅。
当光信号传输到光纤光栅中时，会与光栅发生相互作用。
由于光纤光栅中存在周期性的折射率变化，光信号会被散射成不同的方向。
其中，散射角度与波长之间存在一定的关系，被称为布拉格条件。
根据布拉格条件，当光信号的波长等于光纤光栅中的布拉格波长时，散射角度达到最大值，此时信号被完全反射回原始的传输方向。
当光信号的波长与布拉格波长不完全匹配时，只有部分光信号会被反射回原始方向，其余的会被散射到其他方向。
基于以上原理，光纤光栅可用于实现光信号的滤波、衍射、分路、光谱分析等应用。
在光通信领域中，光纤光栅还用于实现波长选择性的光纤耦合器、滤波器、传感器等器件。
总的来说，光纤光栅通过引入周期性的折射率变化，利用光的干涉效应实现了对光信号的调控和处理。
它在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
光纤光栅的工作原理
光纤光栅的工作原理
光纤光栅是一种利用光纤中的周期性折射率变化来实现光的反射、吸收或传输的光学元件。
其工作原理基于光在光纤中的传播和与光纤中的周期性折射率变化相互作用。
光纤光栅一般由一段光纤中的折射率周期性变化的区域组成。
这种周期性折射率变化可以通过在光纤中引入周期性的折射率变化或者对光纤进行一定的处理来实现。
这样，光纤光栅中的折射率会周期性地增大或减小。
当光线进入光纤光栅中时，它会受到光纤中折射率的周期性变化的影响。
根据光的本征性质，只有当光的入射角等于光纤光栅中某个特定波长的布拉格反射角时，光才能被光纤光栅反射。
换言之，光线与光纤光栅中的折射率变化发生布拉格散射，并被反射出来。
根据布拉格散射的原理，被反射的光的波长和入射波长满足布拉格散射公式：2sinθ = mλ，其中θ为反射角，m为整数，λ
为光的波长。
因此，通过合理设计和制造光纤光栅的折射率周期性变化，可以实现对特定波长的光进行选择性反射。
这一特性使得光纤光栅在光通信、光谱分析、传感器等领域有着广泛的应用。
除了反射，光纤光栅还可以实现光的吸收和传输。
通过调整光纤光栅的折射率分布，可以改变光线传输的路径和强度分布，实现对光的吸收和调控。
综上所述，光纤光栅利用光纤中的周期性折射率变化来实现对光的反射、吸收和传输。
通过精确控制光纤光栅的折射率变化，可以实现对特定波长的光的选择性反射，并且还可以调控光的传输路径和强度分布，从而实现光信号的处理和调控。
光栅
•
产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而 改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现了折射率 的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放 诱导应力以及结构、形状的畸变等也导致了折射率的 变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段。最初 光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现， 具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并 不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有 时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高 掺杂的光纤。
•
光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并 成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年 Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年提 出的相位掩模制造法使光纤光栅的制造技术得到重大 发展，使得光纤光栅的大批量制造成为可能，之后， 光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅器件在光纤 通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺 饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一 重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、 制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。
•
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。
• •
1.均匀光纤光栅 最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其 折射率可以表示为
3 .7 50
7 .5 00ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－0 .0 6 －4 .0
－2 .0
0 .0
L
2π
2 .0
4 .0
光纤光栅结构
光纤光栅结构
光纤光栅结构：光纤纤芯、光纤包层、外包层以及折射率周期变化;它们是构造光纤光栅的主要结构。
光纤光栅的原理：光纤光栅是通过光敏性材料将外界射入光纤内部的光线与内部的纤芯所含有的离子混杂，发生互相作用，使患上光纤线芯产生折射，致使其折射的变化周期有了波动(或者呈规律性波动，或者呈不规律性波动)，在光纤光栅的内部构成1个相对于而言的栅位，使其充当1个狭小的滤光器或者者反射器，至于究竟是反射器仍是滤光器，这要取决于这个窄带究竟起的是投射仍是反射的作用。
光纤光栅是1种通过必定法子使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制而构成的衍射光栅，是1种无源滤波器件。
因为光栅光纤拥有体积小、熔接消耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对于温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因而在光纤通讯以及传感领域患上到了广泛的利用。
光纤光栅法
光纤光栅法
光纤光栅法是一种基于光纤光栅技术的测量方法，主要用于测量物体的位移、应变、温度等物理量。
光纤光栅是一种在光纤中通过光栅刻蚀技术形成的周期性结构，具有对光的相位和强度敏感的特性。
通过测量光栅反射光强度随外界物理量的变化，可以实现对被测量的位移、应变、温度等参数的测量。
光纤光栅法的主要应用领域包括航空航天、土木建筑、能源电力、交通运输、生物医学等。
在航空航天领域，光纤光栅法可以用于飞机结构的在线监测，以检测飞机结构的位移、应变、温度等参数；在土木建筑领域，光纤光栅法可以用于桥梁、隧道、高层建筑等结构的在线监测，以检测结构的位移、应变、温度等参数；在能源电力领域，光纤光栅法可以用于发电机、变压器、输电线路等设备的在线监测，以检测设备的位移、应变、温度等参数；在交通运输领域，光纤光栅法可以用于汽车、火车、飞机等交通工具的在线监测，以检测交通工具的位移、应变、温度等参数；在生物医学领域，光纤光栅法可以用于人体组织的位移、应变、温度等参数的测量，以实现对疾病的早期诊断和治疗。
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。
光纤上产生光栅的方法
光纤上产生光栅的方法光栅是一种具有周期性折射率变化的光学器件，可以在光纤中产生一系列的衍射点或波阵面，被广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域。
本文将介绍光纤上产生光栅的几种方法。
1. 激光干涉法激光干涉法是一种常用的产生光纤光栅的方法。
它基于干涉原理，在光纤上通过两束相干光的干涉，形成周期性的折射率变化。
具体操作时，将一束激光经过分束器分为两束，分别通过两根光纤，再通过反射镜聚焦后重新合成。
由于两束光的路径差与波长的关系，可以在光纤中形成一定的折射率变化，从而产生光栅。
2. 光子法光子法是一种通过高能量光子对光纤进行直接作用的方法。
其原理是利用高能量光子的能量传递和聚焦作用，使光纤内部发生局部折射率变化。
通过光子法可以制作出非常复杂的光栅结构，并且具有较高的可调谐性。
3. 激光光纤拉伸法激光光纤拉伸法是一种通过拉伸光纤来产生光栅的方法。
通过在光纤两端施加拉力，使光纤发生形变，从而改变其折射率分布。
在拉伸的过程中，可以产生周期性的折射率变化，形成光纤光栅。
这种方法制备的光栅具有较高的稳定性和可重复性。
4. 电子束曝光法电子束曝光法是一种利用电子束对光纤进行局部曝光的方法。
在光纤表面涂覆一层感光胶片，然后利用电子束在感光胶片上进行局部曝光，通过显影和腐蚀等工艺步骤，可以在光纤上形成周期性的折射率变化，从而制备光栅。
5. 光纤拉伸压纹法光纤拉伸压纹法是一种通过在光纤表面施加压力来产生光栅的方法。
具体操作时，将光纤置于两个金属滚轮之间，通过调节滚轮的距离和转速，施加不同的压力和速度，可以在光纤表面形成周期性的压纹，从而产生光栅。
总结起来，光纤上产生光栅的方法包括激光干涉法、光子法、激光光纤拉伸法、电子束曝光法和光纤拉伸压纹法等。
每种方法都有其特点和适用范围，可以根据实际需求选择合适的方法来制备光纤光栅。
随着光纤技术的不断发展，相信在未来会有更多更高效的方法用于光纤光栅的制备。
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。
光纤光栅技术与应用
*
光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅
光纤光栅技术与应用
FBG有较小且均匀的周期，一般约为0.5～1µm，具有反射固定波长之特性。多用于温度、应力以及以此为基础而发展出的振动、流量、载荷疲劳、结构损伤、腐蚀等方面的分布式检测系统。
*
t
f
啁啾光栅
啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
t
f
t
p
*
光纤光栅技术与应用
啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化，则其Bragg频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的也可以是非线性的，周期沿长度方向线性变化的光栅称为线性啁啾光栅。
光纤光栅简介
光纤光栅技术与应用
输入谱
传输谱
反射谱
应变引起 波长移动
I
I
I
*
光纤光栅简介
光纤光栅技术与应用
根据光纤光栅周期的长短及均匀性的不同，光纤光栅可分为短周期光栅(Bragg Grating，也称光纤反射光栅)长周期光栅(Long Period Grating，也称光纤透射光栅) 和啁啾光栅(Chirped Grating，又称为非周期光栅) 。
Signal 1
Signal 2
Signal n
Signal 3
Multiplexer
Demultiplexer
Optical Fiber
*
时分复用技术示例
Lucent公司研制的单波长速率320Gb/s OTDM试验系统是目前单波长速率最高的系统。在发送端：20Gb/s电信号经光调制器输出光信号，再经由20GHz驱动的半导体电吸收光调制器、再生器使20Gb/s的光信号的脉冲宽度压缩变窄，之后采用延迟插入和极化正交的光时分复用OTDM MUX，产生出320Gb/s光信号。
光纤光栅
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），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；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
1）短周期光纤光栅的制作a）内部写入法内部写入法又称驻波法。
将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。
已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHZ。
此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。
示。
用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。
用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。
栅距周期由∧=λuv／（2sinθ）给出。
可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。
但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这种方法使用不多。
b）光纤光栅的单脉冲写入由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J•cm－2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。
英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。
光纤光栅工作原理
光纤光栅工作原理
光纤光栅是一种通过周期性的折射率变化来调制和操控光信号的装置。
它通过在光纤中引入一定间隔的折射率变化，使得光信号在光栅区域内发生衍射和干涉，从而实现光的调制和传输。
光纤光栅的工作原理基于光的衍射和干涉效应。
当光信号经过光栅区域时，光波会与光栅的周期性折射率变化发生相互作用。
这种相互作用导致光波被分成多个不同波矢的分波，并且这些分波之间会相互干涉。
光纤光栅中最常见的一种类型是光纤布拉格光栅，它的工作原理是利用布拉格衍射。
在布拉格光栅中，光信号经过光纤表面的周期性折射率变化时，会产生由Brillouin区反射的衍射光。
当输入波长满足波矢的布拉格条件时，光信号会被布拉格光栅反射到特定的角度，从而实现光信号的反射和传输。
另一种常见的光栅类型是光纤长周期光栅。
与布拉格光栅不同，长周期光栅的折射率变化周期较长，通常在几毫米到几厘米的量级。
它通过对光的相位进行调制，从而实现光的传输和调制。
长周期光栅通常用于光纤滤波器、传感器和其他光学器件中。
总结来说，光纤光栅利用光的衍射和干涉效应来调制和操控光信号。
通过调节光栅的折射率变化周期和幅值，可以实现对光信号的控制和调制。
这种特性使得光纤光栅在光通信、光传感和光学器件等领域有着广泛的应用。
光纤光栅作用
光纤光栅作用光纤光栅是一种利用光纤中的光栅结构来实现光学信号处理的器件。
它可以将光信号转换为电信号，也可以将电信号转换为光信号。
光纤光栅的应用范围非常广泛，包括通信、传感、光学测量等领域。
光纤光栅的基本原理是利用光纤中的光栅结构来实现光的衍射。
光栅是一种具有周期性结构的光学元件，它可以将入射光分成不同的衍射光束。
光纤光栅是将光栅结构集成到光纤中，使得光纤具有了光栅的功能。
光纤光栅的制作方法有很多种，其中比较常用的是光纤拉制法和光纤腐蚀法。
光纤拉制法是将两根光纤拉制在一起，然后用紫外线照射使得两根光纤在接触处形成光栅结构。
光纤腐蚀法是将光纤放入一种腐蚀液中，使得光纤表面形成光栅结构。
光纤光栅的应用非常广泛，其中最重要的应用之一是光纤传感。
光纤传感是利用光纤中的光学特性来实现物理量的测量。
光纤光栅可以用来制作各种传感器，如温度传感器、压力传感器、应变传感器等。
这些传感器可以用来测量各种物理量，如温度、压力、应变等。
光纤光栅还可以用来制作光纤滤波器。
光纤滤波器是一种利用光纤中的光学特性来实现光信号的滤波器。
光纤光栅可以用来制作各种滤波器，如带通滤波器、带阻滤波器等。
这些滤波器可以用来滤除光信号中的噪声，提高光信号的质量。
光纤光栅还可以用来制作光纤光谱仪。
光纤光谱仪是一种利用光纤中的光学特性来实现光谱分析的仪器。
光纤光栅可以用来制作各种光谱仪，如拉曼光谱仪、荧光光谱仪等。
这些光谱仪可以用来分析各种物质的光谱特性，如分子结构、化学成分等。
光纤光栅是一种非常重要的光学器件，它可以用来实现光学信号的处理和传输。
光纤光栅的应用范围非常广泛，包括通信、传感、光学测量等领域。
随着科技的不断发展，光纤光栅的应用前景将会越来越广阔。
三、光纤光栅
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。
• 包层发生了什么?
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光敏光纤
• 掺铈光纤、掺铒锗光纤、掺锗硼光纤、掺氟锆光 纤、掺铕光纤。 • 在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。 • 在光纤材料中掺入Ge以后将产生位于195nm、 213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多 个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收带
光敏性模型（1）
• 提出了多种模型，没有一种可以解释所有的实验结果。一 般认为 掺杂光纤的光敏性与光纤中的氧空位缺陷有关。 Ge具有两种氧化态Ge2+和Ge4+ 因此具有GeO和GeO2两种缺陷。GeO缺陷对应于光纤在 242nm和325nm的吸收，GeO2缺陷对应于193nm的吸收。 GeO缺陷对242nm的光产生了强烈的吸收，引起GeO电离， 引起光纤的折射率发生变化。 • 色心模型和密致模型。 • 1、色心模型 • D.P.Hand, P.St.J.Russel提出，认为在紫外光的照射下掺 锗石英光纤材料中缺氧锗缺陷将发生电离，所释放的电子 陷落在附近位置上形成新的缺陷中心。
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锗硅光纤的光敏性模型（2）
• 这种色心缺陷粒子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收 谱，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变 的具体数值如下式： • Kramers－Kronig关系：
c ( )d n( ) 2 0 '2
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光纤光栅的原理
光纤光栅的原理
光纤光栅是一种利用光纤中的光学相互作用产生的特殊结构。
它由一系列等间距的折射率变化组成，用于操控光波的传播和耦合。
光纤光栅的原理基于光的干涉效应和光纤的光栅效应。
在光纤中引入一定的折射率变化，可以导致光波的反射、折射和耦合等现象。
这种折射率变化可以通过各种方法实现，如热处理、紫外辐照、光刻等。
当光波传播过光纤光栅时，通过光纤与光栅之间的相互作用，光波与光栅之间产生干涉。
这种干涉效应可使得光波在光栅中发生反射和透射。
反射光波将返回原来的传播方向，而透射光波则继续向前传播。
光纤光栅的关键在于折射率的变化。
通过调整光栅中的折射率和折射率变化的情况，可以控制光波在光栅中的传播特性。
例如，光栅中的折射率变化可以使得某个特定波长的光波发生衍射，即只有这个特定波长的光波会被传播或反射，其余波长的光波则被抑制或衰减。
光纤光栅有着广泛的应用，包括光通信、光传感、光谱分析等领域。
它可以实现对光波的分析、调制、调制和过滤等操作，同时具有体积小、重量轻、灵活性强等优点。
因此，光纤光栅在光纤通信和光学传感等领域中有着重要的应用前景。
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光纤光栅与结构集成工艺原理方法及国内外研究现状概述 概述光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。
但是因为裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程中遇到了铺设工艺上的难题。
因此，对裸FBG 进行封装，是将FBG 传感器在实际应用中推广的一个重要环节，对于研制满足航空航天领域需要的体积小、质量轻FBG 传感器具有重要意义。
一、光纤光栅工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：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。
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。
由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：二、光纤光栅的写入2.1 短周期光纤光栅的写制内部写入法(又称驻波法) 将波长488nm 的基模氢离子激光从一个端面祸合到锗掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。
此方法是早期使用的，该方法要求122πββ-=ΛΛ=n B 2λ锗含量很高，芯径很小，并且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此目前很少被采用。
全息成删法(又称外侧写入法) 1989年，Meltz等人首次用此方法制作了横向侧面曝光的光纤光栅。
用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。
写制设备装置如图2.1所示。
通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以得到不同栅格周期的光纤光栅。
但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
该方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受震动或温度的影响，目前这种方法使用也不多。
单脉冲写入法由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J/cm2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。
英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。
由于光栅成栅时间短，因此环境因素影响较小。
此外，此法可以在光纤拉制过程中实现，避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。
但是形成光栅的短波长损耗严重，且不稳定。
该方法对光源的要求不高，适用于低成本、大批量生产。
相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。
紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。
这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此对光源的相干性要求不高，简化了光栅的制造系统。
这种方法的缺点是制作掩膜复杂。
用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。
该方法是目前写入光栅极有前途的一种方法。
2.2 长周期光纤光栅的写制振幅掩膜法振幅掩膜法是目前制作长周期光纤光栅最常用的一种方法。
紫外光通过掩膜后再经过一个光学系统将掩膜图像精缩并成像到光纤的芯子上从而实现光栅的写入。
这种方法对紫外光的相干性没有要求，但需要复杂的光学系统支持。
目前该方法较少使用。
逐点写入法此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。
这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。
原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是需要精确的位移移动技术，而且写入光束必须聚焦到很密集的一点，需要复杂的聚焦光学系统来支持，囚此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。
目前，由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。
2.3 啁啾光纤光栅的写制全息法这是在外写入均匀周期光纤光栅的基础上建立起来的。
在相干光的两臂中分别放置一柱面镜，这样得到的干涉条纹间距会随着柱面镜的焦距及其放置位置的改变而改变。
利用这种方法得到的啁啾光栅带宽可达几十纳米。
这种方法的优点是灵活性好，缺点是不易精确控制。
两次曝光法这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。
第一次曝光在光纤上并不形成光栅，仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个啁啾光栅。
这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。
光纤弯曲法这是在均匀光栅中引入光纤的机械变形，形成啁啾光栅的一种方法，由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。
这种方法引入的啁啾量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。
除了上面提到的几种写制方法外，还有锥形光纤法、应力梯度法、复合啁啾光栅法等方法，还可以用模板直接写入啁啾光栅，在写入过程中对光纤施加应力也可以产生啁啾光栅。
2.4 新的光纤光栅的写制方法直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥去光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光纤光栅的方法。
此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。
目前报道的这种光纤涂覆层材料有丙烯酸醋或General Electric RTV615硅胶两种。
通过加人紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤进行氢载等方法可以有效提高光纤光栅的写入时间。
传统的光纤光栅制作方法必须采用裸纤，制作完毕后要立即进行涂覆，而这种新方法减少了这种工艺复杂性，其有很好的应用前景。
在线成栅法这是最新出现的一种成栅方法。
南安普敦大学的Ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写入光纤光栅的实验。
通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。
使用这种方法，制造工艺简单，提高了光栅性能的稳定性，对连续大批量地制造光纤光栅和在同一根光纤中写入光栅阵列有重要的应用价值。
这一技术一旦成熟，将极大的推动光纤光栅技术实用化的进程。
但这种方法需要对所使用的准分子激光光束截面进行改进，距离实用化还有一段距离。
微透镜阵列法这种写入长周期光纤光栅方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了光栅的空间周期。
这种方法写入一个长周期光纤光栅仅需lOs。
通过控制写入时间和写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。
缺点是透镜模板制作非常困难。
激光写入法采用 106μm自由空间二氧化碳激光器对光纤直接曝光，通CO2过计算机控制平移台，实现光纤的准直、固定及曝光间距的控制，可以写入不同周期的长周期光栅。
该方法无须采用紫外光，对光纤可以不用载氢处理，有很好的应用前景。
此外，还有移动平台法、光纤刻槽拉伸法、聚焦离子束((Focused Ion Beam:FIB)写入法等，各种写制方法各有有缺点，只有解决的各项关键技术，才能加速光纤光栅技术实用化的进程。
三、光纤光栅的封装工艺光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。
如果要利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。
在某些情况下，我们不希望温度(或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度(或应变、压力)的灵敏度。
利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。
温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。
这给我们出了很大的难题。
要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。
在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。
每一种封装都是为了实现一种功能，光纤光栅封装技术从功能上大致可以分为三类：保护性封装、敏化封装、补偿性封装。
3.1 保护性封装光纤柔软、纤细、易断，直接应用于工程的恶劣环境(如混凝土的浇铸和振捣棒的振动)中，存活率低，容易被破坏，这就需要对光栅进行必要的保护性封装，对栅区、光纤接头焊点及引纤加以保护，使它能存活并正常工作。
这种保护性封装一般有片式和管式两种。
片式封装适合表贴在梁的表面，而管式封装适合埋入到建筑物内部。
(1) 表贴式封装表贴式封装是用金属片做衬底，在上面刻槽，把光纤光栅放在槽里粘牢，并在外面涂上保护性胶，以起到对光栅的保护效果。
理想状态下，金属片既可以对光栅起到有效的保护作用，又可以准确的传递基体被测点的应变。
目前，用作衬底的金属片一般是钢片或者铝片。
片式传感器的封装过程一般是首先将衬底表面用砂纸打光，然后用脱脂棉蘸丙酮或者酒精清洗表面和预先刻制的槽道。
用502胶等速干胶把光栅均匀粘贴在槽道中，再涂上环氧树脂类胶进行保护(或者直接用环氧树脂类胶将光栅均匀粘贴在槽道中)。
(2) 管式封装管式封装通常是把光纤光栅封装在不锈钢管中，以达到保护光栅的目的。
无论片式封装还是管式封装，对光纤光栅都起到了必要的保护作用，在应变测量中实现了应变的有效传递。
3.2 敏化封装光纤光栅的保护性封装，一般主要考虑光栅的存活率问题，要保证封装后的光纤光栅传感器能在恶劣的施工环境中存活下来，满足工程需要。
这种封装往往没有考虑光纤光栅传感特性的灵敏性问题。
不同应用场合对光栅的灵敏系数要求不同，对光栅封装工艺的要求也不同。
在某些场合对光栅传感灵敏性的要求比较高，希望增加灵敏性(增敏)，在另外一些场合则不希望太灵敏，需要降低灵敏性(减敏)，实现这种功能的封装统称为敏化封装。
（1）增敏封装裸光栅对温度、应变和压力等参量的灵敏度都不是很高，这往往不能满足工程实际需要。
在温度增敏方面，被普遍采用的一种方法是把光栅封装在一种高热膨胀系数的基底材料中，由于普通石英光纤的热膨胀系数只有0.5 X 1 0-6/0C，金属的热膨胀系数是是它的几十倍，有机聚合物的热膨胀系数更高，因此依靠基底的带动作用，可以使封装后的光栅在相同温度变化时比裸光栅产生更大的轴向应变，从而起到增敏的效果。
封装结构一般为块式，如图所示。