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1、光纤光栅传感器的研究进展华侨大学工学院光电子技术科学 2011级 赖俊 1195121016摘要 作为性能优良的敏感元件,均匀光纤布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅等多种传感器已经有了更多的应用领域。通过光纤布拉格光栅内部写入、干涉法侧面写入、相位模版法写入等制作技术的原理说明和对比评介, 通过光纤光栅传感器对所在环境的应变、应力、温度变化和动态磁场的感应原理分析, 以及对光纤光栅传感器在复合材料、电力系统、石油天然气井和建筑结构中的应用工程的综述,阐明了这一类传感器件在单参数传感测量,特别是多参数传感测量中还有很大的发展空间, 值得进一步研究。 关键词 光纤光栅 传感器 应用 Study of
2、Fiber Bragg grating sensorsLai Jun1195121016,Optoelectronic Technology and Science,2011 College of Engineering Huaqiao UniversityAbstract: As excellent performance sensitive components, a variety of sensors uniform fiber Bragg grating, chirped fiber Bragg grating has had more applications. By fiber
3、Bragg grating written inside, side interferometry write, write phase stencil method of production technology and comparative review the principles described by FBG sensors where the strain on the environment, stress, temperature changes, and analysis of dynamic magnetic field induction principle , a
4、s well as review the composite fiber grating sensors, power systems, oil and gas wells and building structures in the application of engineering to clarify the parameters of this type of sensor sensing measurements in a single piece, in particular multi-parameter sensing measurements there much room
5、 for development, it is worth further study.Key words: sensor；Fiber Bragg grating；application目 录绪论1第一章 光纤光栅传感器基础21.1 光纤光栅传感器的发展21.2 光纤光栅传感器的典型结构21.3 光纤光栅传感器的分类31.4 光纤光栅的工作原理4第二章 光纤光栅的制作技术72.1 布拉格光纤光栅的制作方法72.2 长周期光纤光栅的制作10第三章 光纤光栅的应用133.1 复合材料上的应用133.2 电力系统方面的应用133.3 石油、天然气井中的应用133.4 发展前景13总结15参考文献16
6、绪论进入20世纪随着科学技术的迅速发展，人们物质生活的提高，各种建筑物的大量新建对建筑物的适时监测成为目前的热门需求。光纤光栅传感器正是在这时应运而生。传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件，磁敏元件，光敏元件，还有气敏元件等，而在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一。它具有与光纤通信系统易于连接、插入损耗小等优点，使之在光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤传感器和高速光纤通信系统等领域中得到了广泛的应用。光纤光栅的
7、出现，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范围，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。而本文中主要介绍了几种光纤光栅传感器的原理和结构以及他们的制作方法，最后关于他们的应用做出了简单的解释。第一章 光纤光栅传感器基础光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor ）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。1.1 光纤光栅传感器的发展自从加拿大通信研究中心的Hill等人在1978年首次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
8、光纤光栅光纤布喇格光栅以来，对其研究与应用得到了很大的发展。1993年，Hill等人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喇格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。1998年，美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术，相对于内部写入法，该方法又称为外侧写入法。光纤光栅在20世纪90年代就已出现，它被用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换。目前周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅得到了人们越来越广泛的重视。1.2 光纤光
9、栅传感器的典型结构光纤光栅传感器的典型结构如图1.1所示。图1.1中的光源应为宽谱光源，且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比，一般可选用侧面发光二极管ELED。ELED耦合进单模光纤的光功率至少为50100W。这个功率电平为光纤光栅解调系统所要求的下限值。光源的波长可选用850nm、1300nm、1550nm。被测温度或压力施加在光纤光栅上，由光纤光栅反射回的光信号通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机作分析、储存，按用户规定的格式在计算机上显示出被测量大小。图1.1 光纤光栅传感器的典型结构1.3 光纤光栅传感器的分类1.3
10、.1 按光纤光栅的周期分类我们通常把周期小于1m的光纤光栅称为短周期光纤光栅，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。前者的反射谱和后者的透射谱分别为如图1.2和图1.3所示。图1.2 光纤布拉格光栅反射谱 图1.3长周期光纤光栅反射谱1.3.2 按光纤光栅的波导结构分类根据光栅的波导结构也就是光栅轴向折射率分布，如图1.4所示光纤光栅可分为如下几类。（1）均匀光纤光栅（2）啁啾光纤光栅（3）高斯变迹光纤光栅（4）升余弦变迹光纤光栅（5）相移光纤光栅（6）超结构光纤光栅（7）倾斜光纤光栅图1.4 按波导结构光纤光栅的分类（a）均匀光纤光栅（b）啁啾光纤光栅（c）高斯变迹光纤光栅（
11、d）升余弦变迹光纤光栅（e）相移光纤光栅（f）超结构光纤光栅（g）倾斜光纤光栅1.4 光纤光栅的工作原理光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制作的。所谓光敏性, 就是指材料被外部光照射时, 引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。当特定波长的光辐射掺锗光纤时，它的一些物理特性发生了永久性的改变，如折射率、吸收谱、内应力密等。在外部光源照射时, 光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化, 变化的大小与光强成线性关系并可以被保留下来, 成为光纤光栅。光纤光栅的折射率沿光纤的轴向呈现周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。根据衍射理论, 以角1入射的光将以角2衍射, 且满足布拉格衍射方程
12、：nsin1-nsin2=m式中, 是光栅周期, n为介质折射率, m 为布拉格衍射的级数。在光纤中, 光传播的有效折射率可以简化为neff=n，n表示纤芯折射率。光纤光栅的折射率呈周期变化，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的藕合，光纤及其不同传播常数有如下关系式（也就是相位匹配条件）：=1-2=21、2是正、反向传输常数，是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。为耦合模之间的传播常数差根据的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期（1m）两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模LP01之间产生能量耦合，形成特定波长为B的反射波，对于前向传播的LP0
13、1，模1=01.对于后向传播的LP01，模1=-01。两耦合模的传播常数差=201 较大，这种光栅成为布拉格光栅。1.4.1 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：B=2n式中，是相位掩膜光栅的周期，n为光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率。图1.5为布拉格光纤光栅原理图。1.4.2 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
14、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。如图1.6。m=（n01-ncl(m)）为光栅周期，n01为纤芯模式折射率，n(m)为m阶包层模式的折射率。图1.6为长周期光纤光栅原理图。第二章 光纤光栅的制作技术 光纤的光敏性是在光纤中形成Bragg光栅的关键。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入光栅。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、掺杂浓度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折
15、射率增加仅为 10-4数量级便已经饱和。为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重要。而光纤光栅的制作可以分为很多种方法，比如内部写入法、全息干涉法等等。2.1 布拉格光纤光栅的制作方法2.1.1 内部写入法内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，如图2.1所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。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性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。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，因此，其实用性受到限制。图2.1 内部写入法
