光纤光栅传感器理论基础

光纤光栅传感器理论基础

1光纤光栅的基础理论介绍 (1)

1.1光纤光栅的发展 (1)

1.2光纤光栅的分类 (2)

1.3光纤光栅的制作 (5)

2光纤布拉格光栅的结构 (6)

3光纤布拉格光栅的传感机理 (7)

3.1光纤布拉格光栅的温度传感模型 (8)

3.2光纤布拉格光栅的应变传感模型 (9)

3.3光纤光栅的交叉感染传感模型 (10)

4光纤光栅的几种典型解调方法 (11)

4.1非平衡M-Z干涉仪扫描法 (11)

4.2可调谐F-P滤波法 (12)

4.3 边缘滤波器法 (13)

1光纤光栅的基础理论介绍

1.1光纤光栅的发展

在光纤中制作光栅新技术的出现，在二十世纪末带来的巨大的影响。它给光纤通信技术以及光纤传感技术等相关领域带来了一次里程碑式的革命，使得人们可以制作大量基于光纤光栅的新型光有源∕无源器件和智能传感器。

光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating：FBG）。1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次观察到掺锗光纤中光诱导产生光栅效应，并利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布拉格光栅。1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人运用准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm紫外光作为光源，用双光束侧面全息相干法在掺锗石英光纤上研制出世界上第一根位于通信波段布拉格谐振波长的光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。1993年，Hill等人又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，降低了对紫外光源相干性的要求，重复性好，适于大规模生产，这使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅，免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂敷层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光纤光栅。1994年6月，R.Kashyap等人用线性阶跃啁啾

相位模板研制成功线性啁啾光纤光栅，它由n段均匀光栅组成。同年12月，Eggleton等人用振幅模板在光纤上刻出取样光栅。这种光栅利用空间上的取样在频谱中造成多个反射峰，可制作多信道器件。

自从K.O.Hill等人于1978年首次研制出世界上第一只光纤光栅——光纤布拉格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。人们除了继续发展和优化光纤光栅以外，在此基础上先后研制出了一些具有特殊用途的光栅，比如高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等。可以相信，随着研究的深入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和得到更加广泛的应用。

当前对光纤光栅研究的主要内容有三个：①光栅的写入技术研究；②光栅的传输特性和传感特性，即光纤光栅理论的研究；③光栅应用的研究，主要集中在光通信和光纤传感器的领域。

当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题主要有：

1)光源问题。光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源。目前一般采用的侧面发光二极管(ELED)，其功率较低，而激光二极管(LD)的带宽则较窄。

2)光纤光栅基本性质的研究，包括光纤材料光敏特性的机理；光纤光栅灵敏度、动态范围的提高途径；光纤光栅增敏和去敏的可能方式；交叉敏感的解决途径。

3)信号解调技术的研究，实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与被测物理量成正比的电信号。因此在实用中必须开发出高效低成本的信号解调系统。

4)光栅传感器的实际应用研究，包括FBG的制作技术、封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术和在材料与结构中埋入FBG传感器的可行性研究。

5)多路复用传感器阵列的研究，实现多点、多参数、多变量同时测量的智能化遥测是发展的重点，即对分布式传感网络的研究。

1.2光纤光栅的分类

1）按光纤光栅的周期分类

根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，其反射谱如图1(a)所示。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器，其透射光谱如图1(b)所示。

图1 (a)光纤布拉格光栅反射谱（b）长周期光纤光栅透射谱

2）按光纤光栅轴向折射率分布不同分类

根据光栅轴向折射率分布的不同，如下所示，光纤光栅可分为一下几类[13]：

(a)均匀光纤光栅：特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡，它在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用等领域有重要的应用价值。

(b)啁啾光纤光栅：特点是光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿轴向逐渐变化，该光栅在光纤通信中最突出的应用是作为大容量密集波分复用（DWDM）系统中的色散补偿器件，同时也较多的运用于掺铒光纤放大器与光纤激光器的性能优化以及光纤传感等方面。啁啾光纤光栅可以是线性的也可以是非线性的。线性啁啾光纤光栅的平均色散与光纤长度的平方成正比，与啁啾量成反比。

(c)Taper型光纤光栅：这是一种切趾光栅，它的周期是均匀的，但折射率随一定的函数关系变化，正弦型Taper光栅的折射率分布如图2(c)所示。Taper型光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插∕分复用器。常用的函数有高斯函数(Gaussian)、双曲正切函数(tanh)、余弦函数(cos)和升余弦函数(raisedcos)等。

(d)相移光纤光栅：通过某种方式破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在某特定的一点或多点处引入相移，形成所谓的相移光栅，其折射率分布如图2(d)所示。特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是π相位跳变，从而改变光谱的分布，使光栅具有更高的波长选择性。因此相移光纤光栅可用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式（DFB）光纤激光器,并且此类光栅在波分复用通信系统中的波长解复用器方面也有着潜在应用价值。

(e)超结构光纤光栅：特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为取样光栅。这是一种特殊的光栅结构，它既有布拉格光栅的反射特性，亦有长周期光栅的包层模耦合特性。一方面，其反射光谱出现类似梳状滤波的等间距尖峰，且光栅长度越长则每个尖峰