光纖光柵及傳感技術(shù)發(fā)展.pdf

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1、光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用單嵩北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院000612班指導(dǎo)教師：王麗摘要本文綜述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖光柵傳感器的研究歷史和現(xiàn)狀，論述了光纖光柵傳感器的工作原理，介紹了傳感器在響應(yīng)壓力方面的研究，并討論了光纖光柵傳感器所面臨的問(wèn)題。關(guān)鍵詞光纖，光柵，傳感器一、引言光纖通信技術(shù)在過(guò)去二十年里有了驚人的發(fā)展，它的出現(xiàn)，使得全球電信網(wǎng)絡(luò)上的傳輸需求以指數(shù)速率增長(zhǎng)。而新一代光纖技術(shù)——光纖光柵將在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起一場(chǎng)新的技術(shù)革命。1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纖非線

2、性光學(xué)性質(zhì)時(shí)偶爾地制成了最初的光纖光柵并發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖紫外光敏特性。所謂光敏性是指光纖材料在一定波長(zhǎng)的強(qiáng)光照射下，其折射率會(huì)發(fā)生永久變化。而折射率沿光纖按一定規(guī)律變化就可形成各種光纖光柵。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了側(cè)面寫(xiě)入的光纖光柵，使得制作各種波長(zhǎng)的光纖光柵成為可能。光纖光柵作為一種全光器件，其主要優(yōu)點(diǎn)是低損耗、易于與其他光纖耦合、偏振不敏感，溫度系數(shù)低、容易封裝。根據(jù)光纖周期的不同，光纖光柵可以被分為短周期光纖光柵（FBG）和長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）。短周期

3、光柵又稱為Bragg光柵，它的周期尺寸可以與工作波長(zhǎng)相比擬，一般約為0.5μm。Bragg光柵可以有很多種應(yīng)用，從濾波器、光分插復(fù)用器到色散補(bǔ)償器。長(zhǎng)周期光柵又稱為傳輸光柵，它的周期要比工作波長(zhǎng)大得多，從幾百微米直到幾個(gè)豪米。長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理與Bragg光柵有所不同。在光纖Bragg光柵中，對(duì)于適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，纖芯中前向傳播模式的能量會(huì)被耦合進(jìn)入后向傳播模式中。而在長(zhǎng)周期光柵中，纖芯中前向傳播模式的能量將會(huì)被耦合到包層中前向傳播的其它模式中。這些包層中的模式都是極高損耗的，隨著它們沿光纖的傳播，其能量迅速衰減。目

4、前長(zhǎng)周期光柵主要被用作濾波器及在摻鉺光纖放大器中補(bǔ)償不平坦的增益譜。目前，圍繞光纖光柵技術(shù)的研究主要分為二個(gè)方向:一是光纖光柵致光機(jī)理和寫(xiě)入成柵技術(shù)的研究；二是關(guān)于光纖光柵應(yīng)用技術(shù)的研究，由于光纖光柵本質(zhì)上是一個(gè)帶阻濾波器，因此在光纖通信和光纖傳感方面應(yīng)用廣泛。光纖傳感是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測(cè)器接受

5、，可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換。光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線和優(yōu)良的敏感元件。因此，光纖傳感技術(shù)一問(wèn)世就受到極大重視，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，在某些重要領(lǐng)域，如慣性導(dǎo)航、軍用告警、智能材料結(jié)構(gòu)、測(cè)試與控制、機(jī)器人及信息處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。二、光纖光柵傳感技術(shù)原理1、光纖Bragg光柵的應(yīng)變響應(yīng)機(jī)理軸向應(yīng)變對(duì)光柵的影響表現(xiàn)在：一是使光柵柵距、光纖纖芯和包層半徑變化,另一方面將通過(guò)光彈效應(yīng)改變光纖的折射率。兩者綜合作用結(jié)果使得光纖Bragg光柵反射波中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。光纖Bragg光的響應(yīng)峰值波

6、長(zhǎng)為λ=2nΛ(1)Beff式中,λ為Bragg波長(zhǎng),n為光柵有效折射率(折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng)),Λ為光柵周期Beff(折射率調(diào)制的空間周期)。以上為折射率調(diào)制周期為均勻的情況,如果芯層折射率調(diào)制周期不均勻,特別是調(diào)制周期沿光纖軸線變化,則反射光為寬帶光,這種光纖光柵稱之為啁啾光纖光柵。作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度,應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起n和Λ的相應(yīng)改變,從而導(dǎo)致λ的漂移。反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測(cè)λ的漂移,可得知被測(cè)物理量的信息。光纖Bragg光柵傳感器的研BB究工作主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫

7、度和應(yīng)力的變化所引起的λ的漂移可表示為BΔλ=2nΛ(1-P)ε(2)Beffe式中，ε為應(yīng)變,P=(n/2)[P-υ(P+P)]為光纖有效彈光系數(shù),P為光纖材eeff121112ij,料的彈光張量分量，υ為橫向變型系數(shù)(泊松比)。2、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感基本原理長(zhǎng)周期光纖光柵是一種基于把纖芯中傳輸?shù)幕?LP模)能量耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽?1(HE模)中的損耗型光纖光柵。根據(jù)相位匹配條件可以求得長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)1mpλ=(n-n)Λ（3）rescorecldp式中n為纖芯中基模的有效折射率；n為p階包層模的有

8、效折射率;Λ為光柵的周期。同時(shí),corecld在諧振峰值波長(zhǎng)處的透射率T可以通過(guò)解同向傳輸耦合模方程得出,它滿足下面關(guān)系式2T=cos(kL)(4)其中L為光柵的長(zhǎng)度,k為基模和包層模的耦合系數(shù),它與基模及包層模在纖芯內(nèi)的重疊因子有關(guān)。長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)彎曲特別敏感,光柵微小的彎曲就會(huì)使其耦合特性發(fā)生很大的改變。彎曲對(duì)于長(zhǎng)周期光纖光柵耦合特性的影