光纤光栅与结构集成工艺(PPT作业)
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43光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用PPT课件
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。
22.07.2020
3
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理
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：
22.07.2020
6
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
长周期光纤光栅的工作原理
当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位 匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播， 很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰， 并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长， 基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选 择损耗特性。
磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒 表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光 栅上不同位置的栅格间距（光栅常数Λ）被拉伸或挤 压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使 得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾 光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm 的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
4. 混合掺杂
（1）掺Boron（硼）
➢降低折射率，可提高Ge掺杂浓度
➢光纤的光敏性增加3倍
➢30min@400℃退火可使折射率变化减半
➢1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m
➢双折射效应
（2）掺Tin（锡）
➢较B-Ge光纤的光敏性增加3倍
➢热稳定性优于B-Ge光纤
光纤光栅技术与应用PPT课件
纤 芯 包 层 涂敷层 护 套
尺寸规格：单模光纤内径：9µm 外径：125µm
多模光纤内可径编辑：课件5PP0T µm
10
光纤结构
光纤光栅技术与应用
两种常用光纤的可编辑结课件构PPT及其折射率分布 11
对中卡头Three-jaw chuck
配
Modified Chemical Vapor Deposition
可编辑课件PPT
33
啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
色散产生原理示意图
波长色散的起因有两个：1）折射率随波长呈非线
性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为
材料色散；2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系
ห้องสมุดไป่ตู้数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
14国外光纤技术収展情冴光纤技术収展概冴光纤光栅技术不应用?20丐纪60年代中期所研制的最好的光纤损耗在400db以上?1966年英国标准电信研究所高锟及hockham仍理论上预言光纤损耗可降至20dbkm以下?日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dbkm?1970年康宁公司corning采用粉末法先后获得了损耗低于20dbkm和4dbkm的低损耗石英光纤?1974年贝尔实验室bell采用改迚的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品
菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1
θ1
n2
θ2
n1
θ1
n2
θ2
n1<n2
n1>n2
结论：若要实现全反射，则必须有
n >n 1 2 可编辑课件PPT
7
光纤基本理论
φ
光纤光栅技术与应用
n2 n1
光纤光栅PPT课件
其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光
系数，其值分别为：α＝0.55×10－6，和ξ＝
8.3×10－6，故在λB为1550nm时光纤光栅的温度
灵敏度大约是0.0136 nm /℃；P是有效光弹系数，
大约为0.22，从而应变灵敏度为0.001209 nm
/με。Bragg波长随温度T和应变ε的变化而变
.
15
光纤光栅传感器应用十分广泛，并且 特别适合于恶劣或特殊的环境中。他的主 要应用范围如下：
1、 民用工程：如桥梁、大坝、岸堤、 大型钢结构、建筑等的健康安全监控
2、 航空航天工业：如飞机上压力、温 度、振动、燃料液位等指标的监测
3、 船舶航运业：如船舶的损伤评估及 早期报警
4、 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
.
4
二、光纤光栅传感原理
现代信息技术是由信息的采集、传输 和处理技术组成，因此传感技术、通信技 术和计算机技术为信息技术的三大支柱。 特别是当今社会已进入以光纤通信为主要 特性的信息时代，光纤传感器产业已被国 内外公认为最具有发展前途的高新技术产 业，它以其技术含量高，经济效益好，渗 透能力强，市场前景广等特点为世人瞩目。
.
1
公司简介
天津爱天光电子科技有限公司是美国 AT.photonics公司在天津的独资分公司， 简称天津爱天公司。公司按国际规范进行 产品质量管理。
主要运营方向是开发、生产和销售不 同用途的各种光学器件以及用于光传感和 光通信领域的光源、光纤光栅传感器、光 纤光栅传感实验仪以及各类光纤光栅传感 监测及测量仪器。
化。故而测量光栅反射波长的变化就可以计算出
相应的待测量的变化，所以上式是光栅传感的基
光纤光栅
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。
三光纤光栅PPT课件
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
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。
• 包层发生了什么?
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12
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。
• 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干 涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发 展。
• 1993年 K.O. Hill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，使光纤光栅的大批
量制造成为可能。
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
7
三、光纤光栅光敏性
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
2
光纤技术产生了重大影响,使 各种全光纤器件成为现实,并促使人们重新考虑光纤通信 系统中各种光学元器件的构成与设计。它促进了光通讯容 量的提高,尤其是促进了WDM复用的迅速发展。
• 光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程碑作用已被 世人认可,成为光纤通信和光纤传感等技术领域必不可少 的基础性元件。
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石英结构
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
10
光纤光敏性分析（1）
• 目前是十分活跃的领域，是一个十分复杂的过程， 目前不能给出完全定量化的描述。
• 光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构 通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键 与四个氧原子相连。由于纯石英的吸收带位于 160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的 光具有大于90％的透过率。这些波长的光不会对 石英材料的性质产生任何形式的影响。因此，光 纤的光敏性与掺杂有关。
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
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。
光纤布拉格光栅(FBG)解读PPT幻灯片课件
• 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
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
ⅡA（Ⅲ）类光栅
数十小时至数在含氢1mol环境下使用co2激光将光纤加温至600光纤的光敏性增加10倍折射率变化10330min400退火可使折射率变化减半折射率变化28103光纤光栅分类光纤光栅分类折射率变化n105103掺杂浓度较高eg25molgeo折射率变化n可达102光致折射率变化的特性光致折射率变化的特性光纤光栅双折射106侧向写入制成的光纤光栅双折射要大2个数量级双折射与uv激光的偏振方向有关
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为R(Fra bibliotek, )
k
2
2 sinh 2 (sl) sinh 2 (sl) s2 cosh2
(sl)
k k / k 2n0 /
s2 2 k 2 M p 1V 2
n
M
p
V (2a / )(nc2o nc2l )1/ 2
最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
( n 2 n0
)2
(
1 N
)
2
3
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
• 折射率变化～2.8×10-3
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
ⅡA（Ⅲ）类光栅
数十小时至数在含氢1mol环境下使用co2激光将光纤加温至600光纤的光敏性增加10倍折射率变化10330min400退火可使折射率变化减半折射率变化28103光纤光栅分类光纤光栅分类折射率变化n105103掺杂浓度较高eg25molgeo折射率变化n可达102光致折射率变化的特性光致折射率变化的特性光纤光栅双折射106侧向写入制成的光纤光栅双折射要大2个数量级双折射与uv激光的偏振方向有关
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为R(Fra bibliotek, )
k
2
2 sinh 2 (sl) sinh 2 (sl) s2 cosh2
(sl)
k k / k 2n0 /
s2 2 k 2 M p 1V 2
n
M
p
V (2a / )(nc2o nc2l )1/ 2
最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
( n 2 n0
)2
(
1 N
)
2
3
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
《长周期光纤光栅》课件
长周期光纤光栅在压力传感中的应用
总结词
高灵敏度、低交叉敏感
详细描述
长周期光纤光栅对压力变化 具有高灵敏度，同时具有较 低的交叉敏感特性，适用于
各种压力传感应用。
总结词
宽测量范围
详细描述
长周期光纤光栅能够实现宽测量范围的压 力传感，适用于从低压到高压的各种压力 测量场合。
总结词
耐腐蚀、抗恶劣环境
详细描述
未来研究方向
深入研究长周期光纤光栅 的物理机制，提高其性能 和稳定性，探索新的应用 场景。
长周期光纤光栅的制造工艺挑战与解决方案
挑战
制造工艺的精度和稳定性对长周 期光纤光栅的性能影响较大。
解决方案
采用先进的材料和制造技术，提 高工艺精度和稳定性，同时加强 质量检测和控制。
长周期光纤光栅在实际应用中的挑战与解决方案
长周期光纤光栅对应变变化具有高精度和低 迟滞的响应特性，适用于各种需要高精度、 低迟滞应变测量的场合。
总结词
抗电磁干扰
03
总结词
长期稳定性
05
04
详细描述
长周期光纤光栅不受电磁干扰的影响 ，特别适合在强电磁场环境下进行应 变测量。
06
详细描述
长周期光纤光栅具有较好的长期稳定性，能够 在较长时间内保持稳定的应变测量性能。
长周期光纤光栅的传输特性
总结词
长周期光纤光栅的传输特性
详细描述
长周期光纤光栅的传输特性主要包括反射和透射两个方面。在反射方面，长周期光纤光 栅能够将特定波长的光反射回输入端，实现滤波或反射镜等功能。在透射方面，长周期 光纤光栅能够将特定波长的光传输到输出端，实现光信号的传输和控制。此外，长周期
光纤光栅还具有低损耗、高带宽等优点，能够实现高速、大容量的光信号传输。
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选用有机材料、金属或合金等材料可以较大地提高光纤光栅的温度灵敏度 系数，如用一种热膨胀系数很大的混合聚合物对光纤光栅进行封装，在 20~80℃范围内可将光纤光栅的温度灵敏度提高11.2倍。
高热膨 胀系数 基底材 料
光纤光栅封装技术 应力增敏封装：
用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力
光纤光栅传 感器串联
光纤光栅的应用现状 MOI公司：在铁路站的应用是采用静态解调仪sm125，应变传 感器os3100，温度传感os4100，以及监测软件Enlight系统
光纤光栅的应用现状 2）船舶行业中的应用 美国海军水面战斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陆平台船坞LPD17上的舰船推进器上完成了光纤传 感系统
光纤光栅的发现与发展 1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤光 栅技术，他们利用两束干涉的紫外光从光纤侧面写入了光栅。 这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变 两束相干光的夹角来控制反射波长。 1993年，Hill等人提出了相位掩模写入技术，利用紫外激光经 过相位掩模后的士1级衍射光形成的干涉条纹对光纤侧面曝光 写入光栅。 1993年。Lemaier等人提出了一种提高光纤光敏性的简单有效 方法一低温载氢技术，他们将光纤浸入20一750个大气压，20 一75℃的氢气中，使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部， 然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤的光敏性提 高近两个量级。这极大地降低了光栅制作成本，在不同通信 光纤上可以很容易的制作出高反射率的光纤布拉格光栅。
和黏贴式类似
测量是标距内的平均应变 优点：整个封装结构由整根钢料加工而成，整体性好。
不同功能的传感器封装 4、钢管封装光纤Bragg光栅温度传感器 基本原理是将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到 环境温度的变化
此端 固定
此端 自由
不同功能的传感器封装 5、耐高温FBG温度传感器的设计
如果选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会 产生光纤光栅的啁啾化。这种结构的温度传感器中间有螺纹， 在封装过程中，用于给光纤光栅施加一定的预应力，而且可以 调节施加的光纤光栅预应力的大小。这样，在封装好光纤光栅 后，光纤光栅一直处于张紧状态，光纤光栅和细钢管之间会保 持良好的受力关系。
温度的增敏等功能
为什么要封装
光纤光栅封装技术 1、温度减敏和补偿封装
增敏、减敏以及补 偿型封装原理
β一锂霞石(β一石英 的衍生物)玻璃陶瓷、 液晶聚合物等
光纤光栅封装技术
2、应力和温度的增敏封装
不同功能的传感器封装 温度增敏封装：
无应变条件下
0 [ a (1 p e )( a s a )] T
光纤光栅工作原理 影响光纤光敏性因素
掺杂种类与掺杂浓度 预制棒 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
增加光纤光敏性方法
低温载氢处理预制棒
高温载氢处理
火焰热处理 混合掺杂（硼、锡、氮气等）
光纤光栅封装技术 由于裸的光纤光栅直径只有125μm ，在恶劣的工程 环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入 衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能，延长 其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结 构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和
对温度、应变的灵敏度更高，
具有低反射、测量方法方便等优点
和普通的FBG 相比较而言
光纤光栅的分类
闪耀光纤光栅：
光栅制作中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，使得虽 然光栅周期与折射率调制深度均为常数，但是光栅波矢方 向与光纤轴向成一定角度，就形成了闪耀光栅
光纤光栅的分类 2）非均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿光栅轴向变化 啁啾光纤光栅： 栅格间距不等，不同的栅格周期对应不同的反射波长， 因此惆啾光栅能够形成很宽的反射带宽，最大的可以 超过100nm
此类光栅纤芯折射率呈均匀的空间周期性分布，
栅格周期一般为10^2nm量级，
折射率调制深度一般为10^-3~10^-5 具有较窄的反射带宽和较高的反射率，且可以通过改变写入 条件加以灵活调节
光纤光栅的分类
长周期光纤光栅： 栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达几百微米 波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变
波长偏移：
B C c f B (1 p e ) c
C c f
为光纤与铜片间的粘贴系数
不同功能的传感器封装 为便于保护，传感器被封装于下图所示的盒子里湿对光纤的侵蚀和破 坏，盒子内可注入柔性硅胶。
底面黏贴与被 测表面
不同功能的传感器封装 2、埋入式光纤光栅传感器的封装结构 以毛细钢管封装为例：
光纤光栅工作原理
包层 入射光 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：
1 2 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。
光纤光栅工作原理 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。
光纤光栅的应用现状 3）航空航天业中的应用
SensorTran 系列分布式光纤测温（DTS）产品最早是为了满足美国宇航局 （NASA）无人驾驶航天飞机X-33的温度检测需求而设计的，采用光纤作 为温度信息采集的传感器，通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生 的散射波，测知沿光纤分分布的上万点的实时温度信息
调节预应 力的螺纹
不同功能的传感器封装 6、剪刀型结构封装
存在的问题：
这种温度补偿封装的光纤光 栅的长期可靠性问题( 材料 蠕变效应)
不同功能的传感器封装 7、玻璃球结构压力传感器封装
由压力引起的光纤光栅上的 应变与玻璃球直径的相对变 化率 Δ d/d 是相等的
B
B
(1 p e )
光纤光栅的分类 1、根据物理机制的不同分类 1）蚀刻光栅：在光纤结构中形成明显的物理刻痕
2）折射率调制的位相光栅：在纤芯中形成折射率周期分 布。 现在提到的光纤光栅几乎专门指代后者
光纤光栅的分类 2、根据光敏机制的不同分类 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
场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对
光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布拉格波长的漂 移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。
杨氏模量 较小的聚 合材料
不同功能的传感器封装 1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器
铜片上未贴光纤 Bragg光栅的平面 被粘贴于被测物 体的表面
d d
0 .1 7
d (1 ) Et
P
E 表示杨氏模量； μ 是泊
松比；t 是玻璃球的壁厚。
光纤光栅的应用现状 1）民用工程结构中的应用 光纤光栅传感器在民用方面多用于结构监测。监视 结构缺陷的形成和生长。 2005 年 12 月 18 日 在天津市北仓立交桥进行加载检测， 检测桥梁承载的应变，测量桥梁的剪应力
光纤光栅的应用现状
日本Mitsubishi Precision公 司和空间及宇航所为日本 M-V火箭系统设计制造的 惯导系统 光纤陀螺的标准 结构
诺斯罗普-格鲁门公司 的光纤陀螺惯性导航 系统LN-260被美国空 军选中升级其多国战 斗机项目F-16机队的 航电系统
光纤光栅的应用现状 4）医学中的应用 南京航空航天大学生物医学工程系钱志余教授提出 了利用光纤光谱仪和光纤探头在位测量生物组织优 化散射系数的切实可行新方法
帕金森病临床手术
光纤光栅的应用现状
主要应用于： 牙科、眼科、 放松治疗学、 外科
光纤光栅的应用现状
SP-FBG-POWER01系列电力电缆光纤光栅温度实时监测系统，对电力电 缆的监护，可以将光纤光栅温度传感器紧贴在电缆的表面，在取得了电 缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描绘成一组相关曲线，并从电流 值推算出芯线导体的温度系数，从表面的温度变化之差（相同时刻比较） 便可以得到表面温度与运行负荷电流的关系，并以此来支持供电系统的 安全运行。
光纤光栅的分类 相移光纤光栅: 是在均匀周期光栅的某些特定点上，通过一些方法破
坏其周期的连续性得到的 既有布喇格光栅的 反射特性，亦有长 周期光栅的包层模 祸合特性
超结构光栅:
其折射率调制不是连续的而是周期性间断的，相当于 在布拉格光栅的折射率正弦调制上加了一个方波型包 络函数。
光纤光栅的优势 作为传感器，光纤光栅与传统的电传感器等相比尤其独 特的优点: 1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变， 适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量 结构内部的应力、应变及结构损伤等，实现无损伤检测。 稳定性高，重复性好。 2.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构 成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合， 实现多点、分布式传感。这使得“蒙皮”(又称“智能皮 肤”)技术能够变为现实，并在大型土木结构的健康监测 等方面有重要应用。因此人们十分重视该领域的研究， 并且它已成为传感领域重要组成部分。
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
光纤光栅的分类 3、根据空间折射率调制周期和分布的不同分类 1）均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿轴向保持不变 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating）：
最早发展起来的一种光栅，也是目前使用最广泛的一种光栅，
光纤光栅与结构集成工艺
光纤光栅的发现与发展
高热膨 胀系数 基底材 料
光纤光栅封装技术 应力增敏封装：
用杨氏模量较小的材料对光纤光栅进行封装后将传感头置于应力
光纤光栅传 感器串联
光纤光栅的应用现状 MOI公司：在铁路站的应用是采用静态解调仪sm125，应变传 感器os3100，温度传感os4100，以及监测软件Enlight系统
光纤光栅的应用现状 2）船舶行业中的应用 美国海军水面战斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陆平台船坞LPD17上的舰船推进器上完成了光纤传 感系统
光纤光栅的发现与发展 1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤光 栅技术，他们利用两束干涉的紫外光从光纤侧面写入了光栅。 这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变 两束相干光的夹角来控制反射波长。 1993年，Hill等人提出了相位掩模写入技术，利用紫外激光经 过相位掩模后的士1级衍射光形成的干涉条纹对光纤侧面曝光 写入光栅。 1993年。Lemaier等人提出了一种提高光纤光敏性的简单有效 方法一低温载氢技术，他们将光纤浸入20一750个大气压，20 一75℃的氢气中，使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部， 然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤的光敏性提 高近两个量级。这极大地降低了光栅制作成本，在不同通信 光纤上可以很容易的制作出高反射率的光纤布拉格光栅。
和黏贴式类似
测量是标距内的平均应变 优点：整个封装结构由整根钢料加工而成，整体性好。
不同功能的传感器封装 4、钢管封装光纤Bragg光栅温度传感器 基本原理是将光纤Bragg光栅与应变隔绝，使之只能感受到 环境温度的变化
此端 固定
此端 自由
不同功能的传感器封装 5、耐高温FBG温度传感器的设计
如果选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会 产生光纤光栅的啁啾化。这种结构的温度传感器中间有螺纹， 在封装过程中，用于给光纤光栅施加一定的预应力，而且可以 调节施加的光纤光栅预应力的大小。这样，在封装好光纤光栅 后，光纤光栅一直处于张紧状态，光纤光栅和细钢管之间会保 持良好的受力关系。
温度的增敏等功能
为什么要封装
光纤光栅封装技术 1、温度减敏和补偿封装
增敏、减敏以及补 偿型封装原理
β一锂霞石(β一石英 的衍生物)玻璃陶瓷、 液晶聚合物等
光纤光栅封装技术
2、应力和温度的增敏封装
不同功能的传感器封装 温度增敏封装：
无应变条件下
0 [ a (1 p e )( a s a )] T
光纤光栅工作原理 影响光纤光敏性因素
掺杂种类与掺杂浓度 预制棒 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
增加光纤光敏性方法
低温载氢处理预制棒
高温载氢处理
火焰热处理 混合掺杂（硼、锡、氮气等）
光纤光栅封装技术 由于裸的光纤光栅直径只有125μm ，在恶劣的工程 环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入 衬底材料中)，才能赋子光纤光栅更稳定的性能，延长 其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结 构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和
对温度、应变的灵敏度更高，
具有低反射、测量方法方便等优点
和普通的FBG 相比较而言
光纤光栅的分类
闪耀光纤光栅：
光栅制作中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，使得虽 然光栅周期与折射率调制深度均为常数，但是光栅波矢方 向与光纤轴向成一定角度，就形成了闪耀光栅
光纤光栅的分类 2）非均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿光栅轴向变化 啁啾光纤光栅： 栅格间距不等，不同的栅格周期对应不同的反射波长， 因此惆啾光栅能够形成很宽的反射带宽，最大的可以 超过100nm
此类光栅纤芯折射率呈均匀的空间周期性分布，
栅格周期一般为10^2nm量级，
折射率调制深度一般为10^-3~10^-5 具有较窄的反射带宽和较高的反射率，且可以通过改变写入 条件加以灵活调节
光纤光栅的分类
长周期光纤光栅： 栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达几百微米 波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变
波长偏移：
B C c f B (1 p e ) c
C c f
为光纤与铜片间的粘贴系数
不同功能的传感器封装 为便于保护，传感器被封装于下图所示的盒子里湿对光纤的侵蚀和破 坏，盒子内可注入柔性硅胶。
底面黏贴与被 测表面
不同功能的传感器封装 2、埋入式光纤光栅传感器的封装结构 以毛细钢管封装为例：
光纤光栅工作原理
包层 入射光 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：
1 2 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。
光纤光栅工作原理 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。
光纤光栅的应用现状 3）航空航天业中的应用
SensorTran 系列分布式光纤测温（DTS）产品最早是为了满足美国宇航局 （NASA）无人驾驶航天飞机X-33的温度检测需求而设计的，采用光纤作 为温度信息采集的传感器，通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生 的散射波，测知沿光纤分分布的上万点的实时温度信息
调节预应 力的螺纹
不同功能的传感器封装 6、剪刀型结构封装
存在的问题：
这种温度补偿封装的光纤光 栅的长期可靠性问题( 材料 蠕变效应)
不同功能的传感器封装 7、玻璃球结构压力传感器封装
由压力引起的光纤光栅上的 应变与玻璃球直径的相对变 化率 Δ d/d 是相等的
B
B
(1 p e )
光纤光栅的分类 1、根据物理机制的不同分类 1）蚀刻光栅：在光纤结构中形成明显的物理刻痕
2）折射率调制的位相光栅：在纤芯中形成折射率周期分 布。 现在提到的光纤光栅几乎专门指代后者
光纤光栅的分类 2、根据光敏机制的不同分类 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
场中，由于基底材料与光栅紧密粘接，产生较大应变的基底材料将对
光栅产生带动作用，增加光栅的轴向应变，从而增加布拉格波长的漂 移量，使光纤光栅传感器具有更大的应力灵敏度。
杨氏模量 较小的聚 合材料
不同功能的传感器封装 1、粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器
铜片上未贴光纤 Bragg光栅的平面 被粘贴于被测物 体的表面
d d
0 .1 7
d (1 ) Et
P
E 表示杨氏模量； μ 是泊
松比；t 是玻璃球的壁厚。
光纤光栅的应用现状 1）民用工程结构中的应用 光纤光栅传感器在民用方面多用于结构监测。监视 结构缺陷的形成和生长。 2005 年 12 月 18 日 在天津市北仓立交桥进行加载检测， 检测桥梁承载的应变，测量桥梁的剪应力
光纤光栅的应用现状
日本Mitsubishi Precision公 司和空间及宇航所为日本 M-V火箭系统设计制造的 惯导系统 光纤陀螺的标准 结构
诺斯罗普-格鲁门公司 的光纤陀螺惯性导航 系统LN-260被美国空 军选中升级其多国战 斗机项目F-16机队的 航电系统
光纤光栅的应用现状 4）医学中的应用 南京航空航天大学生物医学工程系钱志余教授提出 了利用光纤光谱仪和光纤探头在位测量生物组织优 化散射系数的切实可行新方法
帕金森病临床手术
光纤光栅的应用现状
主要应用于： 牙科、眼科、 放松治疗学、 外科
光纤光栅的应用现状
SP-FBG-POWER01系列电力电缆光纤光栅温度实时监测系统，对电力电 缆的监护，可以将光纤光栅温度传感器紧贴在电缆的表面，在取得了电 缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描绘成一组相关曲线，并从电流 值推算出芯线导体的温度系数，从表面的温度变化之差（相同时刻比较） 便可以得到表面温度与运行负荷电流的关系，并以此来支持供电系统的 安全运行。
光纤光栅的分类 相移光纤光栅: 是在均匀周期光栅的某些特定点上，通过一些方法破
坏其周期的连续性得到的 既有布喇格光栅的 反射特性，亦有长 周期光栅的包层模 祸合特性
超结构光栅:
其折射率调制不是连续的而是周期性间断的，相当于 在布拉格光栅的折射率正弦调制上加了一个方波型包 络函数。
光纤光栅的优势 作为传感器，光纤光栅与传统的电传感器等相比尤其独 特的优点: 1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变， 适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量 结构内部的应力、应变及结构损伤等，实现无损伤检测。 稳定性高，重复性好。 2.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构 成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合， 实现多点、分布式传感。这使得“蒙皮”(又称“智能皮 肤”)技术能够变为现实，并在大型土木结构的健康监测 等方面有重要应用。因此人们十分重视该领域的研究， 并且它已成为传感领域重要组成部分。
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
光纤光栅的分类 3、根据空间折射率调制周期和分布的不同分类 1）均匀光纤光栅：光栅的光学周期沿轴向保持不变 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating）：
最早发展起来的一种光栅，也是目前使用最广泛的一种光栅，
光纤光栅与结构集成工艺
光纤光栅的发现与发展