光纤布拉格光栅(FBG)介绍
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种利用光纤中的布拉格光栅实现光波频率选择与调制的技术。
它在光通信、传感器等领域具有广泛的应用。
本文将从原理和技术特征两个方面来详细介绍光纤布拉格光栅技术。
光纤布拉格光栅的原理可追溯到布拉格散射理论。
布拉格散射是指当一束光波经过一个均匀光周期结构时,会在每个周期出现反射或透射,形成和入射光波相干的反射光波。
布拉格光栅是一种具有空间周期结构的光学元件,由一系列等距离的折射率变化组成。
光纤布拉格光栅则将布拉格光栅结构移植到了光纤中,形成了一种具有周期性折射率变化的光纤元件。
光纤布拉格光栅一般采用两种方法制备,即直写法和光干涉法。
直写法是指通过高能激光束直接照射在光纤的芯部,通过光纤材料的光学非线性效应和热效应来形成布拉格光栅结构。
光干涉法是指将两束光波通过干涉结构产生干涉现象,经过光纤芯部后,在折射率变化的作用下形成布拉格光栅。
1.高可靠性:光纤材料的插入损耗低,与光纤之间的耦合效率高,使得光纤布拉格光栅具有较高的传输效率,并且能够长时间保持稳定的性能。
2. 宽带性:光纤布拉格光栅的制备工艺已经趋于成熟,能够制备出能够覆盖整个光通信波段(1260~1650 nm)的宽带布拉格光栅。
3.稳定性:光纤布拉格光栅在光纤中的固定度较高,不易受到外界环境的干扰,能够长时间稳定地工作。
4.温度和应变传感:由于光纤布拉格光栅的折射率与温度和应变有关,因此可以通过测量布拉格光栅的中心波长偏移来实现温度和应变的传感。
这种传感技术具有高灵敏度、快速响应和长距离传输等优点,在工业和生物医学领域有广泛的应用前景。
5. 光互联和光波长多路复用:光纤布拉格光栅可以用作光纤互联中的微型光学件,实现在光纤网络中的信号调制、调整和复用等功能。
同时,光纤布拉格光栅也可以用于光波长多路复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统中,实现光路的选择和分离。
(完整word版)光纤布拉格光栅(FBG)介绍
光纤布拉格光栅(FBG)介绍1 介绍FBG是Fiber Bragg Grating的缩写,即光纤布拉格光栅。
在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。
近年来,随光纤光栅的重要性被人们所认识,各种光纤光栅的制作方法层出不穷,这些方法各有其优缺点,下面分别进行评述。
2光纤光栅制作方法2.1光敏光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术,可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。
所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,如这种折射率变化呈现周期性分布,并被保存下来,就成为光纤光栅。
光纤中的折射率改变量与许多参数有关,如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。
如果不进行其它处理,直接用紫外光照射光纤,折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和,为了满足高速通信的需要,提高光纤光敏性日益重要,目前光纤增敏方法主要有以下几种:1)掺入光敏性杂质,如:锗、锡、棚等。
2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。
3)高压低温氢气扩散处理。
4)剧火。
2.2成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近,因此除驻波法用488nm可见光外,成栅光源都是紫外光。
大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹,所以成栅光源的空间相干性特别重要。
目前,主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等,根据实验结果,窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。
光纤布拉格光栅(fbg)反射中心波长
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fbg指标
fbg指标FBG指标是一种用于测量光纤传感器性能的指标,全称为Fiber Bragg Grating。
FBG指标在光纤传感器领域被广泛应用,也是评估光纤传感器质量和性能的重要标准之一。
FBG指标主要包括中心波长、光栅带宽、反射峰值和反射谱线等。
其中,中心波长是指光纤光栅反射峰值对应的波长,是光纤传感器的核心参数之一。
中心波长的稳定性和精度直接影响光纤传感器的测量精度和可靠性。
光栅带宽是指光纤光栅反射谱线的宽度,它反映了光纤传感器对应变量的灵敏度和分辨率。
光栅带宽越宽,传感器的灵敏度和分辨率就越高。
反射峰值是光纤光栅反射谱线的最大反射值,它代表了光纤传感器的反射能力。
反射峰值的大小与光纤传感器的灵敏度和信号质量有直接关系。
反射谱线是光纤光栅的反射谱线图,通过观察反射谱线的形状和峰值可以判断光纤传感器的性能和工作状态。
FBG指标的准确性和稳定性对于光纤传感器的工作非常重要。
不同应用场景对于FBG指标的要求也有所不同。
例如,在石油行业中,光纤传感器用于油井的温度和压力监测,对于FBG指标的稳定性和精度要求非常高;而在结构监测领域,光纤传感器用于桥梁和建筑物的变形和裂缝监测,对于FBG指标的灵敏度和分辨率要求较高。
为了提高光纤传感器的性能和稳定性,研究人员和工程师们不断努力提高FBG指标的准确性和精度。
他们通过优化光纤光栅的制备工艺、选择合适的光纤材料和光栅结构,以及改进光纤传感器的封装和连接技术,来提高FBG指标的性能。
除了上述基本的FBG指标外,还有一些衍生的指标,如温度系数、应变系数等。
这些指标可以用来描述光纤传感器在不同温度和应变条件下的性能变化情况。
FBG指标是评估光纤传感器性能的重要指标,它直接影响传感器的测量精度、灵敏度和可靠性。
通过不断提高FBG指标的准确性和精度,可以进一步提高光纤传感器在各个领域的应用效果,推动光纤传感器技术的发展。
(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
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光纤的光敏特性
❖ 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
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
(铕), Cerium(铈)
❖ 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 ▪ 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
❖ ⅡA(Ⅲ)类光栅
▪ 掺杂浓度较高(eg >25mol% GeO2)的光纤内形成 ▪ 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 ▪ 温度稳定性较好(500℃) ▪ 可使脉冲或连续激光
❖ Ⅱ类光栅
▪ 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 ▪ 折射率变化⊿n可达10-2 ▪ 温度稳定性好(800℃) ▪ 只能使用脉冲激光
光纤布拉格光栅(FBG)
多功能FBG
研发具有多参量感知能力 的FBG,如同时感知温度 和应变,提高FBG在实际 应用中的多功能性。
耐久性和稳定性
提高FBG的长期稳定性和 耐久性,使其在恶劣环境 下仍能保持可靠的传感性 能。
FBG在物联网领域的应用前景
智能交通
工业自动化
利用FBG传感器监测道路状况、车辆 速度和流量等信息,提高交通管理效 率和安全性。
光纤布拉格光栅(FBG)
contents
目录
• 引言 • FBG的基本原理 • FBG的制造工艺 • FBG的应用案例 • FBG的未来发展与挑战 • 结论
01 引言
FBG的定义与特性
定义
光纤布拉格光栅是一种特殊的光纤结 构,通过在光纤中产生周期性的折射 率变化,实现对特定波长光的反射。
特性
FBG具有窄带反射特性,反射光谱范 围窄、精度高、稳定性好,且易于与 光纤系统集成,适用于长距离、高可 靠性的光信号传输和传感应用。
写入技术
目前最常用的写入技术是 采用紫外激光干涉法,通 过在光纤上产生干涉图案 来形成光栅。
写入速度与精度
提高写入速度和精度是关 键技术难点,这有助于提 高生产效率和降低成本。
FBG的性能参数与测试方法
性能参数
01
光纤布拉格光栅的性能参数包括反射光谱、温度稳定性、机械
稳定性等。
测试方法
02
对光纤布拉格光栅的性能参数进行测试,可以采用光谱分析仪、
优势
FBG具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰等优势,使其在许多领域 中成为理想的选择。
未来发展前景
随着科技的不断发展,FBG的应用前景将更加广阔,其在各个领域 中的价值也将得到更充分的体现。
FBG的未来发展方向与挑战
第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
掺N2(氮气)
• SPCVD过程中,加入0.1%氮气可使光敏性加 倍 • 折射率变化~2.8×10-3
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
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光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 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>0 温度稳定性较差(300℃) 可使脉冲或连续激光,前者更有效 掺杂浓度较高(eg >25mol% GeO2)的光纤内形成 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 温度稳定性较好(500℃) 可使脉冲或连续激光 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 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好(800℃) 只能使用脉冲激光
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下,折射率变化变小甚 至完全消失
FBG光纤光栅串
FBG光纤光栅串
产品描述:
光纤光栅是一种新型的光无源器件,它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。
其中,具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布拉格光栅(即FBG)。
特点:
灵敏度高动态范围大不受电磁干扰稳定性好体积小
使用灵活易于同光纤集成
可靠性高成本低
可埋入智能结构
应用:
土木工程水坝飞行器电力
舰艇及海上平台矿山油田等
参数:
参数单位数值备注
中心波长nm 1510-1590 -
波长偏差nm +/-0.5 -
反射率% 1到99 -
边模抑制比dB ≥12 -
3dB带宽nm 0.1到1 -
涂覆Acrylate-
栅区长度mm 1到20 -
抗拉力kpsi
≥100-
COF Communications
光纤类型SMF-28
SMF-28e-
尾纤长度-
串数-
串数间隔-
以上参数均可定制
COF Communications。
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)是一种在光纤中制造的周期性折射率调制结构。
它可以实现对光信号的反射和透射控制,因此在光通信、光传感和光纤激光器等领域有着广泛的应用。
FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一,下面将对其进行详细介绍。
1.反射谱FBG的反射谱是指当光信号入射到FBG上时,被FBG反射的光的频谱特性。
当光信号穿过光纤进入FBG后,根据FBG的周期性折射率变化,会发生部分光的反射。
这些反射光的波长取决于FBG的周期和折射率调制情况。
反射谱可以通过光谱仪或光频谱分析仪来测量和观察。
典型的FBG反射谱是一个窄带滤波器,其反射峰的位置和宽度与FBG的物理参数和环境条件相关。
由于FBG 的周期性调制结构,反射谱通常呈现出周期性重复的特点。
2.投射谱FBG的投射谱是指当光信号经过FBG时,透射到光纤另一侧的光的频谱特性。
由于FBG具有特定的反射特性,它可以作为一个选择性滤波器,在特定的波长范围内使光透射,而在其他波长处进行反射或吸收。
投射谱的形状和特性取决于FBG的设计和制备参数,包括周期、折射率调制情况等。
通过调整这些参数,可以实现不同的投射谱特性,如带通滤波、带阻滤波、多通道滤波等。
3.应用FBG的反射谱和投射谱在许多应用中发挥着重要作用:-光通信:FBG可用作光纤传感器,通过测量反射谱变化来检测温度、压力、形变等物理量。
-光纤传感:利用FBG的反射谱特性,可以实现对光纤周围环境的监测,如油气管道的泄漏检测、结构的应力监测等。
-光纤激光器:FBG可用作激光器的频率选择性元件,调节反射谱特性来实现激光器的单模操作和波长选择。
总之,FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一,它们描述了FBG对光信号的反射和透射特性。
通过测量和分析反射谱和投射谱,可以实现对FBG的性能和应用进行评估和优化,为光纤通信、光传感和光纤激光器等领域的应用提供基础支持。
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
ti = 2li c/n式中,c为光在真空中传播的速度,n为光纤的折射率。 确定阵列中光栅的位置后,可使用如前所述的无缘倾斜滤波器来确定每个脉冲在其到来 时的波长。当然,也可使用高速分光计。
3
三.布拉格光纤光栅传感技术优势
布拉格光纤光栅传感技术及其优势
基于布拉格光纤光栅(FBG)的传感器相对于传统的电子传感器技术具有很多重大优势: 适用于严苛环境 布拉格光纤光栅传感器完全无源,没有使用任何仪表无法工作的地方长期工作。 抗电磁干扰 布拉格光纤光栅传感器的无源特性的另一个好处就是它们不受到静电、电磁及无线电频率源的干扰。所以 它们可以安装在发电站等具有严重电子噪声的场所。另外,由于无源,本质上它们是100%安全的,它可用 于大多数危险爆破环境。 远程感应光纤是一个效率非常高的信号载体。因此,电子调制解调单元可安装在距传感器位置几十千米的 地方。而传统电子应变测量系统需要适当放大以防止噪声淹没信号。对于监测油井、提升柱、管道或隧道 等长距离、偏远建筑结构,此特点具有特有和巨大的好处。光学传感器没有引线的影响,由于布拉格光纤 光栅传感系统的被测量为波长,它不受到信号衰减的影响,所以远端的传感器信号在沿着较长光纤传输的 过程中不可能发生错误。 长期稳定性 布拉格光纤光栅传感器的另一个优点是其对于远程监控具有长期的稳定性。作为无源传感器,布拉格光纤 光栅具有零漂移的特性,因而可以使用很多年而不需要重新标定。将传感器安装在结构上,然后连接到调 制解调设备,每隔几年采集一次数据,就可获得结构自上次读数后的真实动作情况。由于一个调制解调单 元可用于很多结构,这大大增加了这项科技的经济优势。 微小尺寸 刻录布拉格光栅的光纤非常小,直径只有约0.15mm。因此,很多传感器可应用于非常小扰动的结构。特别 地,光纤传感器阵列可以嵌入复合材料,用于检测内部应变、温度和损伤,而不影响复合材料的结构性能。
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势FBG(Fiber Bragg Grating)布拉格光纤光栅传感技术是一种基于光纤传感器原理的测量技术。
它通过在光纤的光学纤芯中添加一个周期性折射率改变的光栅结构,实现了对光波的波长选择性反射,从而实现对光波的测量和传感。
FBG光栅传感技术具有很多优势,本文将详细介绍。
首先,FBG光栅传感技术具有很高的灵敏度和精度。
光纤光栅结构的周期性折射率改变能够引起光波的波长选择性反射,从而使得传感器能够在不同的波长上进行测量。
由于光栅的周期性结构可以通过微调光栅的制备参数进行优化,因此光栅传感器可以在特定的波长上实现极高的灵敏度和精度。
其次,FBG光栅传感技术具有很高的可重复性和稳定性。
光纤材料具有优良的化学稳定性和热稳定性,使得光纤光栅传感器在长期使用中能够保持良好的性能。
此外,由于光栅结构是在光纤材料中编写的,因此它不会受到外界环境的干扰,如机械振动、电磁干扰等,从而进一步保证了传感器的可靠性和稳定性。
第三,FBG光栅传感技术具有很高的兼容性和可扩展性。
光纤光栅结构可以与光纤的各种特性相结合,如单模光纤、多模光纤、光纤喇叭片等,从而可以实现对不同物理量的测量,如温度、应力、压力、湿度等。
同时,由于光栅结构是分布式传感器,因此可以在一根光纤上实现多个光栅结构,从而实现多参数的测量,具有很高的可扩展性。
第四,FBG光栅传感技术具有很高的抗干扰能力和远程监测能力。
光栅传感器的工作原理是通过测量被反射回来的光强来获取待测物理量信息,这种工作方式使得光栅传感器能够抵抗外界的光强波动和光纤传输损耗等因素的影响。
此外,光栅传感器可以与光纤网络相结合,实现远程监测和网络传输,从而实现对远程目标的实时监测和控制。
最后,FBG光栅传感技术具有很高的经济性和应用潜力。
光纤光栅传感器的制备工艺相对简单和成熟,制备成本相对较低,从而降低了传感器的成本。
此外,光栅传感器的应用领域非常广泛,包括航空航天、电力、交通、石油化工等行业,具有很大的市场潜力。
Fbg基本原理
Fbg基本原理Fbg,即光纤布拉格光栅,是一种利用光纤的周期性折射率变化来实现光谱分析和传感的技术。
它的基本原理是布拉格反射原理,即反射角度等于入射角度,且反射光的波长等于布拉格波长,布拉格波长的大小与光纤的周期性折射率变化有关。
Fbg的制备过程是将一段光纤进行局部蚀刻,形成一定的周期性折射率变化。
这个周期可以在光纤中形成一系列的反射波长,这些波长可以被用来分析光谱或者测量某些物理量。
Fbg的制备过程按照不同的方法可以分为两种,一种是光束干涉法,另一种是相位掩膜法。
光束干涉法是通过将两束激光光束在光纤上相遇,形成干涉图案,然后通过局部蚀刻的方法将干涉图案固定在光纤上。
相位掩膜法是通过将掩膜放在光纤上,然后通过紫外线照射,将掩膜上的图案转移到光纤上,形成周期性折射率变化。
Fbg的应用非常广泛,主要包括光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域。
其中,光纤通信是Fbg应用最广泛的领域之一。
在光纤通信中,Fbg可以用来实现光纤通信的波长分复用,即将多个光信号在不同的波长上进行传输,从而提高光纤通信的传输容量。
此外,Fbg还可以用来实现光纤传感,例如温度传感、应力传感和压力传感等。
在这些应用中,Fbg通过测量反射光的波长变化来实现物理量的测量。
Fbg技术具有许多优点,例如高精度、高分辨率、抗干扰性强等。
此外,Fbg还具有体积小、重量轻、易于集成等优点,使得它在许多应用中具有较高的竞争力。
总之,Fbg是一种非常重要的光纤技术,它的基本原理是布拉格反射原理,可以用来实现光谱分析和传感等应用。
Fbg技术在光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域具有广泛的应用前景,是光纤技术发展的重要方向之一。
基于光纤布拉格光栅的结构健康监测成像系统
基于光纤布拉格光栅的结构健康监测成像系统一、光纤布拉格光栅简介光纤布拉格光栅(FBG)是一种在光纤纤芯中写入的周期性折射率调制结构。
它具有独特的光学特性,能够对特定波长的光进行反射。
其基本原理基于布拉格衍射,当满足布拉格条件时,入射光会在光栅处被反射,反射光的波长与光栅的周期以及光纤的有效折射率等因素有关。
光纤布拉格光栅具有很多优点。
首先,它体积小、重量轻,易于集成到各种结构中。
其次,它具有良好的线性度和重复性,能够准确地反映外界物理量的变化。
此外,它还具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等特点,适用于各种恶劣环境下的监测应用。
1.1光纤布拉格光栅的制作方法光纤布拉格光栅的制作方法有多种。
其中一种常见的方法是采用紫外光写入技术。
通过将光纤置于含有光敏材料的环境中,利用紫外光照射光纤,使光纤纤芯的折射率发生周期性变化,从而形成光栅结构。
这种方法可以精确控制光栅的周期和折射率调制深度,能够制作出满足不同应用需求的光纤布拉格光栅。
另一种制作方法是采用飞秒激光写入技术。
飞秒激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,可以在光纤中直接写入高质量的光栅结构。
这种方法不需要光敏材料,具有更高的灵活性和适用性,但设备成本相对较高。
1.2光纤布拉格光栅的光学特性光纤布拉格光栅的光学特性主要包括反射谱特性和透射谱特性。
反射谱特性是指光纤布拉格光栅对不同波长光的反射率随波长的变化关系。
当满足布拉格条件时,反射率会出现一个峰值,这个峰值对应的波长称为布拉格波长。
布拉格波长与光栅的周期和光纤的有效折射率成正比关系。
透射谱特性是指光纤布拉格光栅对不同波长光的透射率随波长的变化关系。
在布拉格波长处,透射率会出现一个最小值,这是因为大部分光在该波长处被反射。
通过对反射谱和透射谱特性的研究,可以深入了解光纤布拉格光栅的工作原理和性能,为其在结构健康监测成像系统中的应用提供理论基础。
二、结构健康监测成像系统概述结构健康监测成像系统是一种用于监测结构的完整性和健康状态的系统。
光纤光栅解调综述
光纤光栅解调综述一、引言光纤布拉格光栅(FBG)是一种重要的光学器件,具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性,广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。
基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。
本文将对光纤光栅解调技术进行综述。
二、光纤光栅解调技术准静态波长解调技术准静态波长解调技术是一种常用的光纤光栅解调方法。
它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。
准静态波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点,但需要精确控制光源的波长和带宽,对光源的稳定性要求较高。
高速波长解调技术高速波长解调技术是一种基于光谱分析的解调方法。
它通过测量FBG光谱的变化来解调传感信号。
高速波长解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点,但需要高分辨率的光谱分析仪,对硬件设备的要求较高。
增强型动态相位解调技术增强型动态相位解调技术是一种基于干涉仪的解调方法。
它通过测量FBG中心波长的变化来解调传感信号。
增强型动态相位解调技术具有解调速度快、空间分辨率高等优点,但需要精确控制光源的波长和带宽,对光源的稳定性要求较高。
三、光纤光栅应用领域基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。
四、结论光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。
基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。
本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。
光纤布拉格光栅FBGppt课件
为了规范事业单位聘用关系,建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ,保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验原理
1、微波迈克尔逊实验
接收喇叭接收到两列同频率、同振动方向的微波, 当两列波的位相差为:
的偶数倍:干涉加强
A固定反射板
的奇数倍:干涉减弱
发射喇叭
A板固定,B板移动,到接收喇叭电流计表 头从一次极小变到又一次极小时,则B板移 动/2的距离,由此可求得平面波的波长
为了规范事业单位聘用关系,建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ,保障 用人单 位和职 工的合 法权益
最新进展
3、可调波长DFB/ DBR激光器 基本工作原理也是以布拉格衍射效应为基础,通过 改变注入到布拉格光栅区的电流,(根据等离子体效 应) 使光栅区的有效折射率发生改变,其布拉格波 长也就会有相应的移动。
4、光纤布拉格光栅( FBG) 采用全息曝光技术在光纤上制作各种波长的布拉格光 栅。
为了规范事业单位聘用关系,建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ,保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验仪器
本实验采用北京大华无线电仪器厂生产的 DH926AB型微波分光仪,结构图如图所示。
A固定板 发射喇叭
B移动板
接收喇叭
检流计
微波信号源
微波迈克尔逊干涉装置图
图2、布拉格衍射实验原理图
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实验内容
1、测量微波迈克尔逊干涉过程中B板每次移动的 位移值及对应的接收信号强度,要求B板移动每次以 尽可能小(如1mm)的步长移动,但总移动距离应 尽可能大,使干涉极大和极小出现的次数多些。然 后用不同级的干涉极大或极小根据公式求微波波长。
一布拉格光纤光栅原理
一.布拉格光纤光栅原理布拉格光纤光栅(FBG)是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。
UV Beam -- 紫外线激光束;FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域;Fibre Core -- 光纤中心;FBG period Λ-- 布拉格光纤光栅周期;Fibre Cladding -- 光纤覆层;Polymer fibre coating -- 聚合物光纤涂层短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料,破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。
两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉,会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化,从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。
在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像:光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射,但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉,并沿着光纤连续传播。
然而,在某个特定的窄带波长范围内,会产生有用的干涉,这些干涉会沿着光纤返回。
布拉格波长λΒ由下式决定:λΒ=2neff Λ (1)这里,neff 为激光在光纤内传播的有效折射率;Λ为布拉格光栅的周期。
从等式(1)可以看出,反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。
例如,由于弹光效应,光纤上的应变会改变Λ和neff. 类似地,由于热光效应,温度的变化会导致neff 的改变;对于非约束光纤,Λ会受到热膨胀和热收缩的影响,如等式(2)所示。
其中,等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响,第二项描述温度对λΒ的影响。
ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT (2)式中,ΔλΒ为布拉格波长的变化,ρα, α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数,Δε表示应变的变化,ΔT表示温度的变化。
对于刻录在二氧化硅上波长为λB ≈ 1550 nm的典型光栅,应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με和10 pm/ºC。
光纤布拉格光栅介绍
光纤布拉格光栅介绍光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)是一种利用光纤自身制作的光学滤波器,具有狭窄的光频选择性和温度、应变等参数的灵敏度。
它在光通信、传感、光谱等领域有着广泛的应用。
本文将对光纤布拉格光栅的工作原理、制备方法以及应用进行详细介绍。
光纤布拉格光栅是通过在光纤的折射率分布中形成周期性的折射率变化来实现的。
这种周期性变化的折射率分布可以实现光的反射,产生一个特定的波长范围内的反射光谱特征。
光纤布拉格光栅的工作原理可以用光波的布拉格反射(Bragg reflection)来解释。
布拉格反射是指当光波从两个折射率不同的介质交界面垂直入射时,会产生一定的反射光。
而在光纤布拉格光栅中,通过周期性的折射率变化,可以形成类似的反射波。
当光波传输到光纤布拉格光栅中时,一部分光波会被布拉格光栅反射,形成特定波长的反射光谱特征。
这个特定波长与布拉格光栅的周期性折射率变化以及入射光波的角度和波长等因素有关。
制备光纤布拉格光栅的方法有多种,常见的方法包括干涉法、相位控制法、光刻法等。
其中,干涉法是最常用的一种方法。
该方法使用两束光波的干涉产生布拉格光栅的周期性折射率变化。
通过调节其中一束光波的频率或角度,可以实现所需的布拉格波长。
相位控制法则是通过对光纤进行局部加热或拉长控制相位的变化,从而形成周期性的折射率变化。
光刻法是将光敏感材料涂覆在光纤表面,利用光的曝光和显影过程形成布拉格光栅。
光纤布拉格光栅在光通信领域的应用非常广泛。
它可以用作滤波器,实现波分复用技术,将多个波长的光信号传输在同一根光纤中。
同时,光纤布拉格光栅还可以用于光纤传感。
由于其具有温度、应变等参数的灵敏度,可以通过监测光纤布拉格光栅的反射光谱变化,实现对环境参数的实时监测。
光纤布拉格光栅传感技术已广泛应用于温度、压力、应变、流速、湿度等传感领域。
除了光通信和传感领域,光纤布拉格光栅在其他领域也有重要的应用。
例如,在激光器中,光纤布拉格光栅可以用作模式锁定元件,实现激光的稳定输出。
fbg原理
fbg原理FBG原理。
光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)是一种利用光纤中周期性的折射率变化来实现光的频率选择性反射的光学元件。
它是一种重要的光纤传感器和滤波器,在通信、传感和光纤激光器等领域有着广泛的应用。
FBG原理的理解对于充分发挥其在各个领域的应用具有重要意义。
FBG原理的核心在于光纤中的周期性折射率变化。
当光线穿过光纤中的光栅结构时,会发生布拉格衍射现象。
这种衍射效应会使得特定波长的光被反射,而其他波长的光则会被传输。
这样就实现了对于特定波长光的选择性反射,从而实现了光的滤波功能。
在光纤传感器中,FBG原理可以用来实现对于光纤中应变、温度、压力等物理量的测量。
当光纤中的光栅结构受到外界物理量的影响时,光栅的周期性折射率变化也会发生相应的改变,从而导致反射波长发生偏移。
通过检测这一反射波长的变化,就可以实现对于外界物理量的测量。
由于光纤传感器具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点,因此在工程领域有着广泛的应用前景。
在光纤通信系统中,FBG原理可以用来实现光的滤波和波长选择。
通过在光纤中加入光栅结构,可以实现对于特定波长光的选择性反射和传输。
这样就可以实现光的波长分割和波长多路复用,从而提高光纤通信系统的传输容量和效率。
在光纤激光器中,FBG原理可以用来实现光的频率锁定和模式选择。
通过在光纤激光器中加入光栅结构,可以实现对于特定频率的光的选择性反射和传输。
这样就可以实现激光器的频率稳定和单模输出,从而提高激光器的性能和稳定性。
总之,FBG原理是一种重要的光学原理,它通过光纤中的周期性折射率变化实现了光的频率选择性反射,具有广泛的应用前景。
在光纤传感器、光纤通信和光纤激光器等领域都有着重要的应用价值。
对于FBG原理的深入理解和研究,将有助于充分发挥其在各个领域的应用,推动光学技术的发展和应用。
光纤布拉格光栅传感器
(8.3-16)
由于掺杂成分和掺杂浓度的不同,各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。
8.3.2 解调技术
解调方法 高折射环形镜 边缘滤波法
匹配光纤光栅 滤波法
优点
可进行静态和动态应变的测量
反射方式:系统结构简单、造价低 廉; 透射方式:信号光利用率高,分辨 率比前者高
缺点 分辨率较低 反射方式:系统信噪比较低;
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 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
KT B / T ( ) B
(8.3-5) (8.3-6)
8.3.1.2 应变传感原理 应变影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 假设光纤光栅仅受轴向应力作用,温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引起光栅栅距的改变
有效折射率的变化为
z
(8.3-7)
[P12 (P11 P12 )] z
(
1 ne2ff
)x, y,z
[P12 [P12
(P11 P12 )] z 2P12 ] z
x方向 y方向 z方向
(8.3-8)
式中,Pij 是弹光系数,ν 是纤芯材料泊松比(下同)。
沿 z 轴方向传播的光波所经受的折射率的变化为
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光纤布拉格光栅(FBG)介绍
1 介绍
FBG是Fiber Bragg Grating的缩写,即光纤布拉格光栅。
在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。
近年来,随光纤光栅的重要性被人们所认识,各种光纤光栅的制作方法层出不穷,这些方法各有其优缺点,下面分别进行评述。
2光纤光栅制作方法
2.1光敏光纤的制备
采用适当的光源和光纤增敏技术,可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。
所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,如这种折射率变化呈现周期性分布,并被保存下来,就成为光纤光栅。
光纤中的折射率改变量与许多参数有关,如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。
如果不进行其它处理,直接用紫外光照射光纤,折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和,为了满足高速通信的需要,提高光纤光敏性日益重要,目前光纤增敏方法主要有以下几种:1)掺入光敏性杂质,如:锗、锡、棚等。
2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。
3)高压低温氢气扩散处理。
4)剧火。
2.2成栅的紫外光源
光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近,因此除驻波法用488nm可见光外,成栅光源都是紫外光。
大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹,所以成栅光源的空间相干性特别重要。
目前,主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等,根据实验结果,窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。
它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量,可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。
2.3成栅方法光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法,成栅条件苛刻,成品率低,使用受到限制。
目前主要的成栅有下列几种。
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,使光纤中的人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。
由于光栅成栅时间短,因此环境因素对成栅的影响降到了最低限度。
此外,此法可以在光纤技制过程中实现,接着进行涂覆,从而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。
这种成栅方法对光源的要求不高,特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。
c)相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于探光纤上,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人射光波长,只与相位光栅的周期有关,因此,对光源的相干性要求不高,简化了光纤光栅的制造系统。
这种方法的缺点是制作掩膜复杂,为使KrF准分子激光光束相位以知间。
隔进行调制,掩膜版一维表面间隙结构的振幅周期被选为4π(nilica-1)/(A•λKrF)=π,这里A是表面间隙结构的振幅。
这样得到的相位掩膜版可使准分子激光光束通过掩膜后,零级光束小子衍射光的5%,人射光束转向+1和-1级衍射,每级衍射光光强的典型值比总衍射光的35%还多。
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。
该方法大大简化了光纤光栅的制作过程,是目前写入光栅极有前途的一种方法。
2)长周期光纤光栅的制作a)掩膜法掩膜法是目前制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。
实验中采用的光纤为光敏光纤,PC为偏振控制器,AM为振幅掩膜,激光器照射数min后,可制成周期60μm~1mm范围内变化的光栅,这种方法对紫外光的相干性没有要求。
逐点写人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,但是写人光束必须聚焦到很密集的一点,因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。
它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。
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。