光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格FGB原理是通過(guò)將單模光纖的核心橫向暴露于強(qiáng)激光的周期性圖案而制成的。曝光使光纖芯的折射率永久增加，根據(jù)曝光圖案產(chǎn)生固定的折射率調(diào)制。這種固定折射率調(diào)制稱為光柵。

在每次周期性折射變化時(shí)，反射少量光。當(dāng)光柵周期約為輸入光波長(zhǎng)的一半時(shí)，所有反射光信號(hào)相干地組合成特定波長(zhǎng)的一個(gè)大反射。這被稱為布拉格條件，并且發(fā)生該反射的波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)。在布拉格波長(zhǎng)以外的波長(zhǎng)的光信號(hào)（非相位匹配）基本上是透明的。該原理如圖1所示。

因此，光通過(guò)光柵傳播，衰減或信號(hào)變化可忽略不計(jì)。只有那些滿足布拉格條件的波長(zhǎng)才會(huì)受到影響并強(qiáng)烈反向反射。精確預(yù)設(shè)和維持光柵波長(zhǎng)的能力是光纖布拉格光柵的基本特征和優(yōu)點(diǎn)。

反射分量的中心波長(zhǎng)滿足布拉格關(guān)系：λ?_布拉格?=2nΛ，折射n的索引和Λ的FBG的折射率變化的指數(shù)的周期。由于參數(shù)n和Λ的溫度和應(yīng)變依賴性，反射分量的波長(zhǎng)也將隨著溫度和/或應(yīng)變的變化而變化，.這種依賴性是眾所周知的，它允許從中確定溫度或應(yīng)變。反射FBG波長(zhǎng)。

光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)取決于光柵特性（周期，調(diào)制），并受環(huán)境條件如應(yīng)變和溫度的影響。這允許FBG的使用作為應(yīng)變和溫度的傳感器。在溫度傳感的情況下，布拉格波長(zhǎng)是溫度的函數(shù)。這種溫度依賴性是由纖維的折射率的變化以及玻璃材料的熱膨脹引起的。

光纖光柵傳感器的原理特點(diǎn)

電氣傳感器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種測(cè)試測(cè)量設(shè)備中，但是它具有非常多的局限性，如傳輸損耗、易受干擾、無(wú)法在惡劣環(huán)境中得到應(yīng)用等。近年來(lái)隨著光電子學(xué)的發(fā)展，光信號(hào)由于它的抗干擾性和低損耗性能，已經(jīng)逐漸替代電信號(hào)應(yīng)用于傳感器。光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境耐受性好、抗電磁干擾、可遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電力系統(tǒng)安全監(jiān)控、油氣資源勘探開(kāi)采和國(guó)防等等很多領(lǐng)域?；诠饫w光柵的傳感器是最主要的一類光纖傳感器，用于測(cè)量各種溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。光纖光柵傳感器具有許多其它傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：全光測(cè)量，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電氣設(shè)備，不受電磁及核輻射干擾；體積小、重量輕、靈敏度高、零點(diǎn)無(wú)漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定；以反射光的中心波長(zhǎng)表征被測(cè)量，不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響；絕對(duì)量測(cè)量，系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需定標(biāo)；使用壽命長(zhǎng)、易于復(fù)用和夠成傳感網(wǎng)絡(luò)等等。
由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分，因此，解決交叉敏感問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力準(zhǔn)確測(cè)量及實(shí)用化前提，現(xiàn)有的光纖光柵傳感器一般采用在光纖光柵的一端增加溫敏金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但此種技術(shù)提高了封裝工藝的復(fù)雜度和難度，例如金屬長(zhǎng)度與光纖光柵的長(zhǎng)度有一定比例關(guān)系，稍有偏差則溫度補(bǔ)償不完全。

 

什么是光纖光柵

光纖光柵又稱光纖布拉格光柵（FBG），是一種纖芯的折射率呈周期性變化的光纖。通過(guò)全息干涉法或者相位掩模法等方法將對(duì)光敏感的一小段光纖暴露在光強(qiáng)呈周期性變化的光波下，這一小段的折射率就可以相應(yīng)的發(fā)生永久性的改變。當(dāng)一束光通過(guò)光線布拉格光柵進(jìn)行傳輸時(shí)，每一小段被改變折射率的光纖只可以反射相應(yīng)特定波長(zhǎng)的光波，即布拉格波長(zhǎng)，且布拉格波長(zhǎng)與光柵之間的間隔長(zhǎng)度有關(guān)。而其他波長(zhǎng)的光波就被繼續(xù)傳輸，這就使得光纖布拉格光柵只反射特定波長(zhǎng)的光波。

目前，常規(guī)的單芯光纖光柵傳感器在制作工藝和工程應(yīng)用中的研究已非常成熟。但為了消除溫度和應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題，每個(gè)傳感器往往至少需要兩只光纖光柵配合使用，而在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)中，則需要更多的傳感器來(lái)測(cè)量多維的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。