第二章第4节光纤光栅分析课件

第四节 光纤光栅光纤光栅定义 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。光纤光栅折射率沿其轴向分布可表示为 式中为n0光纤纤芯折射率，为光纤纤芯折射率变化幅值(也称为折变量)，为折射率变化的条纹可见度，为光栅折射率变化的周期。zzznnn2cos10 zn光纤光栅分类1、按周期分类：Bragg光栅：折射率变化的周期一般为 量级；长周期光栅：折射率变化的周期一般为 量级。2、按周期均匀性分类：均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅；非均匀光纤光栅：纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如啁啾光纤光栅、相移光纤光栅和切趾光纤光栅等。m110m210光纤光栅的工作原理 Bragg光栅 按照耦合模理论，在光纤光栅中两个传输模要发生耦合，必须满足下列相位匹配条件 正向传输导模耦合到反向传输导模，形成窄带反射，峰值反射波长（Bragg波长）和反射率为effBn2LR2maxtanh221 反射光反射光 输入宽光谱输入宽光谱 透射光透射光 纤芯纤芯 Bragg 光栅光栅 长周期光栅长周期光栅 在Bragg光纤光栅中，前向传输的模与后向传输的模相耦合，因此，在这种情况下，值较大，因此就要求光栅周期较小。在长周期光纤光栅中，前向传输的模与前向传输的第n阶包层模相耦合，值较小，因此光栅周期较大。正向传输导模耦合到正向传输包层模，形成窄带反射，推导得峰值透射波长为 在一个给定的频率时的正向导模可耦合到多阶包层模中。因此，典型的长周期光纤光栅具有一系列的分立吸收带，每一个吸收带对应于导模到一个包层模的耦合。nclconnn 长周期光纤光栅结构 长周期光纤光栅透射谱光纤光栅的制作 光敏光纤的制备光敏光纤的制备 光纤中的折射率改变量与照射波长、光纤类型、掺杂浓度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等有关。如果直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为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。目前光纤增敏方法主要有：(1)掺杂(2)刷火(3)载氢 相位掩模法 相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。用以将入射光束分为+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。Bragg光栅写入周期为掩模周期PM一半的。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位掩模的周期有关。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，掩模板的价钱较贵。U V光光 P M h P hase M ask 光光 纤纤 0级级 光光 束束 -1级级 +1级级 均匀周期光纤光栅制作长周期光纤光栅制作）UV曝光振幅掩模法）残余应力释放）扫描法1）UV曝光振幅掩模法曝光振幅掩模法振幅掩摸板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化。写入后对其退火，以稳定光学特性。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，掩模板的制作很方便，而且精确，容易得到保证，所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好，而且对紫外光的相干性没有要求。KrF准准 分分 子子 激激 光光 器器 AM 宽宽 带带 光光 源源 光光 谱谱 仪仪 光光 纤纤 PC 振幅掩模法制作LPFG的实验装置）残余应力释放残余应力释放当纤芯是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤被拉伸时，由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率会降低。用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易地将芯径内残余的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复到原来的水平。如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可以在纤芯内形成周期性折射率变化，从而形成光栅。此方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下的温度传感器。利用聚焦CO2激光器采用10.6m聚焦CO2激光脉冲对光纤逐点曝光。可以使光纤在制造过程中生了很高的残余应力释放出来，形成LPFG。这种方法不需要光纤的物理变形，通过CO2激光光束一致的、均衡的照射，偏振依赖可以被抑制掉。应力释放区应力释放区 没有被加热区没有被加热区 CO2激光器光束激光器光束 柱状透镜柱状透镜 光纤光纤 采用CO2激光器制作LPFG的示意图）扫描法）扫描法 这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意形式的LPFG。UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于30m。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向进行扫描，使光纤周期性的曝光。光栅的最大长度由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。UV光光束束 计计算算机机控控制制 的的光光圈圈 望望远远镜镜 移移动动平平台台 显显微微镜镜物物镜镜 光光纤纤 应应变变仪仪 电电动动光光纤纤 拉拉伸伸器器 光纤光栅应用 光纤激光器；可调谐半导体激光器；色散补偿器 光纤放大器 光纤滤波器；波分复用/解复用器 光纤传感器光纤光栅传感器的优点1、抗干扰能力强：光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。2、光纤光栅传感器是自参考的，在对光纤光栅进行定标后可以绝对测量。3、传感探头结构简单、尺寸小，适合于各种场合，尤其是智能材料和结构。4、便于构成各种形式光纤传感网络，进行大面积的多点测量。5、测量结果具有良好的重复性。6、光栅的写入工艺已较成熟，便于商品化。光纤光栅传感器应用 航空航天 舰船 土木工程（桥梁、隧道、地下工程等）石化工业（钻井、储运）电力工业 核工业 医学 其他应用