光栅布拉格光栅及其传感特性研究

光栅布拉格光栅及其传感特性研究2

一光纤光栅概述2

1.1 光纤光栅的耦合模理论2

1.2 光纤光栅的类型3

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅3

1.2.2 线性啁啾光纤光栅3

1.2.3 切趾光纤光栅3

1.2.4 闪耀光纤光栅4

1.2.5 相移光纤光栅4

1.2.6 超结构光纤光栅4

1.2.7 长周期光纤光栅4

二光纤布拉格光栅传感器5

2.1 光纤布拉格光栅应力传感器5

2.2 光纤布拉格光栅温度传感器6

2.3 光纤布拉格光栅压力传感器6

2.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7

三光纤光栅传感器的敏化与封装10

3.1 光纤光栅传感器的温度敏化10

3.2 光纤光栅传感器的应力敏化10

3.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法10

四光纤光栅传感网络与复用技术10

4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术11

4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术12

4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术13

4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术13

4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术14

4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术14

4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术16

4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术18

4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术18

4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术18

4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术18

4.6 混合复用FBG传感网络18

4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络18

4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络18

4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络18

4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络18

4.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络18

五光栅光栅传感信号的解调方法18

六激光传感器18

光栅布拉格光栅及其传感特性研究

一 光纤光栅概述

1.1 光纤光栅的耦合模理论

光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：

()()11

2

123

3

1,,,,n F r z r a n r z n a r a n r a ???+≤??

????

=≤≤??≥?? (1-1) 式中：1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；(),,F r z ?为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为

()

m ax

m ax

1

,,n F r z n ??=；m ax n ?为折射率变化最大值。

光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：

()()()()()()()()00exp exp z

z

dA z k z B z i q z dz dz dB z k z A z i q z dz dz

??=-????

??=????

?? (1-2)

式中：()A z 、()B z 分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；()k z 为耦合系数；()q z 与光栅周期和传播常数β有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件，并借助于四阶Runge-Kutta 数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。

1.2 光纤光栅的类型

光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。

光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。色散补偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。

光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅

这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。

由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的Fabry-Perot效应所致。这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

1.2.2 线性啁啾光纤光栅

栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。线性啁啾光纤光栅是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅谐振峰两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。

1.2.3 切趾光纤光栅

切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数、柯西函数。这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使它的反射谱不存在旁瓣。

1.2.4 闪耀光纤光栅

光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这就形成了闪耀光纤光栅。闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀光纤光栅，也有旁瓣。

1.2.5 相移光纤光栅

相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的延续性而得到的。相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。

1.2.6 超结构光纤光栅

超结构光纤光栅亦称为取样光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层模耦合特性。这种光纤光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散补偿等方面有潜在的应用。另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的谐振峰与布喇格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率等)具有不同的响应特性，故超结构光栅是一种理想的多参量传感元件。

1.2.7 长周期光纤光栅

长周期光纤光栅的栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达到几百微米，而一般布拉格光纤光栅的周期不到一微米。与光纤布拉格光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是将特定波长的光耦合到包层中损耗掉，从而在透射谱中形

成宽带损耗峰，因此可用作掺饵光纤放大器(EDFA)的增益平坦元件。另外，长周期光纤光栅的波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变。与普通FBG 相比其对温度、应变等的灵敏度更高，且具有低反射、测量方法简便等优点，是一种理想的传感元件，在光纤光栅传感领域有重要应用。

此外莫尔光栅, Tophat 光栅等均为非均匀的光纤光栅，在通信与传感领域已引起广泛关注。

二 光纤布拉格光栅传感器 2.1 光纤布拉格光栅应力传感器

由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长为：

2B eff n λ=Λ (2-1)

式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的栅格间距。

当波长满足布拉格条件式(2-1)时，入射光将被光纤布拉格光栅反射回去。 由公式(2-1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。光纤布拉格光栅对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和栅格间距Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤布拉格光栅仅受应力作用时，折射率和栅格间距发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：

eff B

B

eff

n n λλ???Λ=+Λ

(2-2)

式中：eff n ?为折射率的变化，?Λ为栅格间距的变化。 光纤布拉格光栅产生应变时的折射率变化：

()2

1211112

eff eff e eff

n n P P P n μμεε

?=-

--=-????

式中：

()2

1211112

e ef

f P n P P μμ=

--????

ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹

光系数。

假设光纤布拉格光栅是绝对均匀的，也就是说，栅格间距的相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

L L ε

?Λ?==Λ

所以公式(2-2)可写成：

()1B

e B

P λε

λ?=- (2-3)

公式(2-3)就是裸光纤布拉格光栅应力测量的一般计算公式。 2.2 光纤布拉格光栅温度传感器

当光纤布拉格光栅不受应力作用时，温度变化引起中心反射波长B λ的移动可表示为：

()B

s s B

T

λαζλ?=+? (2-4)

式中：11s L T

L T

α?Λ?=

=

Λ??为光纤的热胀系数，描述光纤布拉格光栅的栅格间

距随温度的变化关系；1eff s eff

n n T

ζ?=

?为光纤的热光系数，描述光纤布拉格光栅的

有效折射率随温度的变化关系。

从式(2-4)可以看出，B λ?与T ?之间呈线性关系，通过测量光纤布拉格光栅的反射波长移动B λ?，便可以确定环境温度T 。

公式(2-4)就是裸光纤布拉格光栅温度测量的一般计算公式。 2.3 光纤布拉格光栅压力传感器

外界环境的压力变化P ?也会对光纤布拉格光栅的中心波长产生影响。一般裸露的光纤布拉格光栅的压力传感测量的理论公式如下：

()11eff eff B

B

eff eff n n P

n P n P λλ?Λ?????Λ=

=+???Λ

Λ??????

(2-5)

假设：

()

12L P

L

E

μ-?Λ?=

=-

Λ (2-6)

()()2

12111222eff eff

eff

n n p p P

n E

μ?=

-+ (2-7)

式中：E 代表光纤的杨氏模量，μ代表光纤的泊松比，11p 和12p 是光纤的光压系数。

则由公式(2-5)、(2-6)、(2-7)可得：

()()()21211121222eff B

B

n p p P

E E μλμλ??

-?=-+-+??????

(2-8)

但裸光纤布拉格光栅的压力测量的灵敏度是很低的，在实际应用中不可能应用于常规测量。

假设应力和温度所引起的光纤布拉格光栅中心波长变化是相互独立的，当应力和温度同时发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长变化为：

()()1B

e s s T B

P T k k T

ελεαζελ?=-++?=+? (2-9)

公式(2-10)是光纤布拉格光栅传感技术的理论基础。 2.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器

根据光纤模式理论可知，当外界压力沿径向作用在光纤上时，将引起光纤的附加双折射现象，就是这个双折射现象引起了两种附加的正交偏振模式。因此，如果在一只光纤布拉格光栅上施加径向载荷，将会导致两种偏振态的反射光谱的分离，其各自反射谱的谐振波长可表示为：

2x x n λ=Λ (2-10) 2y y n λ=Λ (2-11)

式中：x n 和y n 是两个偏振模的有效折射率；Λ为光纤布拉格光栅的栅格间距。

光栅受到外界扰动后，其谐振波长将发生下列的变化：

00002222B n n d n dP n dT f f T T λ?

??????????Λ?Λ??

??=Λ

?+?+Λ

?+??? ? ? ? ???????????

??

??

???

?

(2-12)

式中：P 为外界施加的扰动；f 为线分布力；T 为温度，0n 为光纤布拉格光栅纤芯的初始有效折射率。

图 2-1 横向负载下的光纤布拉格光栅截面和反射光谱

在温度不变的情况下，当只有径向力作用于光纤时，光纤的轴向应力假设为零(实际中，由于最终采用的波长差检测方法，所以即使存在轴向应变，也会在测量结果中被消除) ，此时，谐振波长的移动量将仅仅是有效折射率的函数，这样，在光纤的中心(如图2-1所示)，沿着相互正交的两个方向上，由于径向应力的作用引起的有效折射率的变化可以表示为：

()(){}3

0,0,11

1121121111212x x x y

n n p p p p E υσυυσ

?=-

-?+--????? (2-13) ()(){}30,0,11

1121121111

212x y y x

n n p

p p p E υσυυσ?=-

-?+--????? (2-14)

式中：0,x n 和0,y n 分别为两个正交方向上的初始的有效折射率；11p 和12p 为光纤的弹光系数；1E 和1υ为光纤的杨氏弹性模量和泊松比；x σ和y σ分别为光纤中心处的压力分量。根据式(2-12)、( 2-13)、( 2-14)，可得：

()(){}3

0,,11

112112111121x B x x y

n p p p p E λυσυυσ

?Λ?=-

-?+--????? (2-15) ()(){}3

0,,11

1121121111

21y B y y

x

n p

p p p E λυσ

υυσ?Λ?=-

-?+--????? (2-16)

由于线分布力f 引起石英单模光纤双折射应力可表示成如下的形式：

x f

R

σπ=

，3y f

R

σπ=-

，其中，F f L

=

，F 为沿长度为L 的光纤作用的外力，R 为

光纤包层的半径，这样，式(2-15)、(2-16)就可以写成：

()(){()()}

3

,,0,1211111

3

0,111121313315B y B x x

y f n

p p R E n p p λλυυπυυΛ

?-?=

--+????

-+-+????

(2-17)

这样，在光纤特性参数已知的情况下，可以得到在外界载荷作用下，光纤光棚两个偏振态下的波长移动量差值与径向载荷之间的关系曲线，如图2-2所示。

图 2-2 光纤布拉格光栅两个偏振模式下波长移动量差值与径向载荷之间的关系曲线

三光纤光栅传感器的敏化与封装

3.1 光纤光栅传感器的温度敏化

3.2 光纤光栅传感器的应力敏化

3.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法

四光纤光栅传感网络与复用技术

由光纤光栅传感器件(包括FBG、LPFG等)经过某些特定的连接方式组合而成的传感网络，就是光纤光栅传感网络。

光纤光栅传感器通过其自身的特性，将非光学的被测量数据与离散光的信息相联系。这些信息可以通过光载波的幅度(强度)、相位(由干涉仪转化为强度)、偏振态(由检偏器转化为强度)、或光谱分布(有光谱仪转化为强度)等形式调制或编码。

光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的特点，其中最为重要的是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：

1：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；

2：避免一般干涉型传感器中相位测量不清晰和对固有参考点的需要；

3：能方便地使用波分复用技术，在一根光纤中串联多个布拉格进行分布式测量。

光纤光栅传感网络的结构形式主要取决于适于传感器调制和定位的方法，因此光纤光栅传网络中最核心的部分就是光纤光栅的调制解调系统，最关键的技术就是多个传感光栅的复用定位技术。光纤光栅复用技术使得多个传感光栅共用一个光源和一个解调系统。光栅解调系统的成本通常占整个光纤光栅传感系统成本的绝大部分，它的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度，所以说解调系统是光纤光栅传感系统的核心。

传感网络系统的主要性能指标为：

1：波长位移或应变、温度分辨率；

2：复用传感器数量或网络规模；

3：对系统中每个传感器的取样速率。

这3项指标中，波长位移分辨率主要取决于传感系统所采用的波长探测技术或波长解码系统以及系统的信噪比；取样速率主要取决于传感网络的规模、网络所采用的拓扑结构和系统所采用的波长探测技术。

光纤光栅传感器的定位可以根据光信号的5个特征参数(波长、相位、偏振态、传输方向以及幅度)派生出各类复用方法。

光纤光栅传感器网络采用的复用技术有以下几种：时分复用、空分复用、波分复用、频分复用以及相干复用等。由于光纤光栅传感器测量的是特征布拉格反射波长或者透射波长的移动量，因此其传感网络的主要结构是波分复用，其次是时分复用和空分复用。

4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术

波分复用技术是光纤布拉格光栅传感网络的最直接的复用技术，它是构成各种复杂和大型网络的最基本复用技术。图4-1给出了最基本的波分复用的原理系统图。

图4-1光纤布拉格光栅波分复用图

波分复用光纤布拉格光栅的网络拓扑结构可以按照串联方式连接，也可以按照并联方式连接，还可以采用混合连接方式，如图4-2所示：

图4-2 波分复用光纤布拉格光栅网络拓扑结构图

波分复用网络属于串联拓扑结构，网络中的光纤布拉格光栅各占据不同的频带资源，因此有各自频率成分携带的光源功率可以被充分利用，功率利用率高，这一特点对于能量有限的大型光纤布拉格光栅是十分诱人的。同时，因各自光纤布拉格光栅的带宽互不重叠，避免了串音现象，因此，波分复用系统的信噪比很高。

按照复用技术的原理不同，波分复用技术又可以分成以下几种：

4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术

波长扫描法是光纤光栅传感网络复用技术的最常用的方法，可分为宽带光源窄带滤波扫描和窄带光源扫描。

图4-3 宽带光源窄带滤波扫描法波分复用传感网络图

图4-4 窄带光源扫描波分复用传感网络图

4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术

目前，在通信技术领域中，已经有很多成熟的波分复用器件用于将不同的光分离到不同的通道之中。在传感领域也可以利用这些波分复用器件实现光纤光栅反射波长信号的分离，然后再进行检测和识别。

图4-5 基于波导阵列光栅的波分复用系统

4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术

4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术

为了进一步提高单光纤上FBG的复用能力，就必须设法提高FBG网络的频带利用率，于是密集波分复用技术引起了人们的兴趣。

图4-7所示为一个采用CDMA技术的DWDM FBG网络实验原理图。光源受伪随机位序列码(PRBS)的调制，FBG传感阵列对一个给定PRBS的响应与延迟一定时间的同一个PRBS进行相关运算，相关运算结果经由低通滤波器后得到某一个特定传感器上返回的波长编码信号。经过预先设置传感器位置，经调制后的光源输出信号到达某一传感器并返回到探测器所需的时间是确定的，则适当选择送到相关器的PRBS的延迟时间，就可以确定相关运算的结果到底来自哪个传感器。

这种复用方式的可复用FBG传感器的数量也受到限制，同时由于各FBG的频谱很接近，因此功耗很大。

图4-7 CDMA-DWDM传感网络原理图

4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术

在许多实际应用中，诸如航空领域，需要进行许多点的测量，网络中的传感器要求能够相互独立地、可相互交换地工作，并能够在FB G传感器损坏时可替代，而不需要重新进行校准。这就需要网络中的所有的传感器应具有相同的特征，这一点可通过在相同条件下生产FBG来达到。TDM和WDM这样的串联拓扑结构都很难实现独立性和可相互交换性，于是一种采用并行拓扑结构的SDM网络被提了出来。

图4-7 光纤布拉格光栅空分复用结构简图

SDM网络原理图如图4-8所示，SDM的网络复用能力、分辨率和工作速率与采用的探测技术有很大的关系，Rao Y J等人提出的SDM网络(如图4-9)，实

现了32个FBG复用，应变分辨率和温度分辨率分别达到0.36 、

0.36 FBG复用数量的影响。

图4-9空分复用FBG传感网络结构示意图

SDM网络的突出优点是;各传感器相互独立工作，互不影响，因此串音效应很小，信噪比比较高;同时，复用能力不受频带资源的限制;若采用合适的波长探

测方案，例如CCD并行探测技术，则网络规模可以很大，采样速率也要高于串联拓扑网络。缺点是功率利用率较低。

4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术

在串接复用的情况下，从任何两个相邻的FBG传感器上返回的布拉格波长信号在时间上是隔开的，反射信号这种时域上的隔离特性，使得在同一根光纤上间隔一定距离复用相同的或不同中心反射波长的多个FBG成为可能，从而避免了网络中的各传感器抢夺有限频带资源的问题，这是时分复用的基本思想。图4-10所示为一个典型的TDM FBG传感网络原理图。各FBG传感器之间的时间延迟通过它们之间的光纤长度来实现。在接收端，来自于FBG阵列的布拉格反射脉冲在时间上的隔离通过由电子延迟脉冲控制的高速电子开关阵列实现，电子延迟脉冲被调节到与特定传感器相对应的光延迟相匹配。

从TDM的原理可以看出，光源带宽和被测对象的动态范围不再是可复用传感器的数量的制约因素，理论上TDM网络可复用数量是可观的，且采用串联拓扑结构，功率利用率也很高。在实际系统中，随着FBG传感器的数目增大，由于脉冲持续时间和空闲时间之比增加，将导致信号清晰度和信噪比下降，因此，可复用的FBG也要受到限制。同时，取样速率也由于光纤长度的增加而减小。

图4-10 时分复用FBG传感网络结构示意图

4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术

4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术

4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术

4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术

4.6 混合复用FBG传感网络

4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络

4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络

4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络

4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络

4.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络五光栅光栅传感信号的解调方法

六激光传感器

光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特性研究2 一光纤光栅概述3 1.1 光纤光栅的耦合模理论3 1.2 光纤光栅的类型4 1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅4 1.2.2 线性啁啾光纤光栅4 1.2.3 切趾光纤光栅5 1.2.4 闪耀光纤光栅5 1.2.5 相移光纤光栅5 1.2.6 超结构光纤光栅5 1.2.7 长周期光纤光栅6 二光纤布拉格光栅传感器6 2.1 光纤布拉格光栅应力传感器6 2.2 光纤布拉格光栅温度传感器7 2.3 光纤布拉格光栅压力传感器8 2.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器8 三光纤光栅传感器的敏化与封装11 3.1 光纤光栅传感器的温度敏化11 3.2 光纤光栅传感器的应力敏化11 3.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法11 四光纤光栅传感网络与复用技术11 4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术12 4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术14 4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术15 4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术15 4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术15 4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术16 4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术17 4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术19 4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术19 4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术19 4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术19 4.6 混合复用FBG传感网络19 4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络19 4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络19 4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络19 4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络19 4.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络19五光栅光栅传感信号的解调方法19六激光传感器19

光栅的特性及应用

光栅的特性及应用 一、光栅的基本特性 光栅主要有四个基本性质:色散、分束、偏振和相位匹配，光栅的绝大多数应用都是基于这四种特性。 光栅的色散是指光栅能够将相同入射条件下的不同波长的光衍射到不同的方向，这是光栅最为人熟知的性质，它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件。光栅的色散性能可以由光栅方程推导出来，这个问题我们将在后面作更为详细的分析，推导出光栅的广义色散公式。 光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领。应用领域有光互连、光藕合、均匀照明、光通讯、光计算等。其性能评价指标有:衍射效率、分束比、压缩比、光斑非均匀性以及光斑模式等。目前较常用的光栅分束器有:Dammann光栅分束器、Tablot光栅分束器、相息光栅分束器、波导光栅分束器等。另外，位相型菲涅耳透镜阵列分束器、Gbaor透镜分束器等透镜型的分束器也是相当常用的。 在标量领域范围内，光栅的偏振特性往往被忽略，因此，光栅的偏振性在以前不被人广知。但是理论和

实验都证明，一块设计合理、制作优良的光栅可以被用来做偏振器、1/2波片、1/4波片和位相补偿器等。光栅的偏振特性需要用光栅的矢量理论才能分析得到，我们将在后面章节对光栅的偏振特性进行理论分析。 光栅的相位匹配性质是指光栅具有的将两个传播常数不同的波祸合起来的本领。最明显的例子是光栅波导祸合器，它能将一束在自由空间传播的光束祸合到光波导中。根据瑞利展开式，一束平面波照射在光栅上会产生无穷多的衍射平面波，相邻衍射波的波矢沿x方向的投影之间的距离是个常数，等于光栅的波矢，即平面波可以看作是电磁波在无源、均匀媒质中的一种模式，因此光栅有能力把波矢沿着固定方向而投影相差光栅波矢整数倍的不同平面波耦合起来。 二、衍射光栅的应用 衍射光栅是一种分光元件,也是光谱仪器的核心元件。1960年代以前,全息光栅,刻划光栅,作为色散元件,广泛用于摄谱仪光谱分析,是分析物质成分、探索宇宙奥秘、开发大自然的必用仪器,极大地推动了包括物理学、天文学、化学、生物学等科学的全面发展。随着科学技术的发展，其应用早已不局限于光谱学领

光栅衍射特性研究

光栅衍射特性研究 陈锦（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011） 指导教师：张杰 摘 要：本文根据惠更斯-菲涅耳原理计算推导了夫琅禾费衍射场下光栅衍射的光强分布公式，详细分 析了平面光栅衍射的特性，利用MA TLAB 软件进行了衍射图样的仿真，绘制了相应的衍射光强分布图，并结合理论公式讨论了光强随波长λ、缝宽b 、缝数N 以及光栅常数d 的变化情况。推导了光栅方程，并从光栅方程出发，对光栅衍射中的缺级现象、光栅的分辨率等问题进行了讨论。文章最后简单介绍了光栅在生产实际中的应用。 关键字：光栅，光栅衍射，光强分布，强度 1引言 衍射光栅作为一种优良的分光元件，在近代光谱仪中有广泛的应用，比如利用光栅衍射可以作为光谱 分析，测量光波的波长等[1-4]。光栅是一种具有高分辨本领的精密光学元件，它是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精致的光栅，在1cm 宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。本文着重对平面光栅衍射特性做一些探究。 MATLAB 是一个集数值计算、图形处理、符号计算、数学建模、实时控制、动态仿真等诸多功能于一 身的数学应用软件[6]，在光学中得到广泛应用[7]。本文应用MATLAB 的数值计算和绘图功能，根据夫琅禾费衍射场的理论公式，计算得出光强分布矩阵并绘制出光强分布曲线及其衍射图样。 2 光的衍射理论 惠更斯原理[8]内容是：传播中的波面上任何一点都可以认为是一个新的次波源，由这些次波源发出的 次波是球面波，这些次波的公共包络面就是下一时刻的波面。法国物理学家菲涅耳根据叠加原理将惠更斯原理进一步具体化，并给出其数学表达式，即惠更斯—菲涅耳原理的数学表达式： dS r e Q U f C P U ikr S ??=)()()(θ （1） 此后，德国物理学家基尔霍夫从定态的亥姆霍兹方程出发，利用矢量场论中的格林公式，在kr>>1, 即r>>λ的条件下，导出了无源空间边值定解表达式： dS r e Q U i P U ikr S ??+-=)()cos (cos 21)(0θθλ （2） 他还提出了关于边界条件的假设，并进一步将衍射积分公式简化为[6]： dS r e Q U f i P U ikr S ??-=0)(),()(0θθλ （3） 此时衍射面积分只限于光孔面0s 。据此在傍轴条件下衍射积分公式为： dS e Q U r i P U S ikr ??- =0)()(0λ （4） 这便是光衍射场强的计算公式。

光纤光栅原理及应用

光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期

2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长

光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术

光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术 电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。 1.FBG 光学传感器基础 1.1概述 近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。 在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。 1.2光纤传感器简介 从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。 光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。

透射光栅特性研究(精)

透射光栅特性研究 【学习重点】 1.了解分光仪的结构原理和调节方法 2.了解光栅的分光特性 3.测量光栅常数和利用光栅测量波长 【仪器用具】 分光仪、平面透射光栅、平面反射镜、低压汞灯 【预习重点】 1.分光仪的结构原理及其调节方法和要求 2.光栅的特性及其如何调节光栅 3.测量光栅常数及利用光栅测量波长 【背景知识】 1. 分光仪是一种测量光束偏转角的精密仪器，它可以精确地测量平行光的偏转角，是光学实验中的一种常用的仪器。分光计主要由三部分：望远镜，平行光管和主体(底座、度盘和载物台)组成。附件有小灯泡、小灯泡的低压电源以及看度盘的放大镜。望远镜的目镜叫做阿贝目镜，如图1所示，可以将小灯泡的光引入分划板，当分划板的位置刚好在望远镜的焦平面上时，从载物台上放置的平面镜上反射回来的光正好落在分划板上形成一个清晰的十字象。利用这个原理可以将望远镜调好(出射平行光以及使望远镜的主轴与仪器主轴垂直)，当望远镜调好后就可以利用望远镜调节平行光管，此时就可以进行光线的角度的测量了。 2.光栅是一组紧密均匀排列的狭缝。用刻线机在透明玻璃片上刻出痕宽为ｂ（不透光部分）、 缝宽为ａ（透光部分）的Ｎ条平行狭缝，就构成了一个透射光栅。而ｄ＝ａ＋ｂ即为光栅常数，如图2（ａ）所示。当一束单色平行光垂直射到光栅平面上时，将发生衍射（如图2（ｂ））。衍射光的主极大位置由光栅公式ｄｓｉｎφ＝ｋλ（ｋ＝０，±１，±２，…）决定。其中：ｄ为光栅常数；φ为衍射角；ｋ为衍射级次；λ为入射光的波长。

图2 光栅衍射 （ａ）光栅常数ｄ（ｂ）垂直入射时的光栅衍射光栅有以下特性参数。 （１）光栅常数ｄ。d=a+b，a为光栅狭缝宽度，b为相邻狭缝间不透明部分宽度。 (２)光栅的角色散率Ｄ。Ｄ＝ｄφ／ｄλ，定义为单位波长间隔两单色谱线之间的角距离。根据光栅公式ｄｓｉｎφ＝ｋλ，有Ｄ＝ｄφ／ｄλ＝ｋｄｃｏｓφ。 （３）光栅的分辨本领Ｒ。由于谱线有一定的宽度，当两条谱线靠得近，到一定程度时将不能被分辨。通常把波长λ与该波长附近刚能分辨的最小波长差Δλ之比作为光栅的分辨本领，即Ｒ＝λ／Δλ。可以证明，光栅的分辨本领Ｒ的理论值Ｒ＝ｋＮ＝ｋＬ／ｄ，Ｌ为光栅的有效宽度，Ｎ为参与光栅衍射的总光束数。 3. 对光栅的调整要求 （１）光栅面必须垂直准直管，使平行光正入射于光栅上。光栅放置如图3所示.(注为什么如此放置光栅?) （２）光栅刻痕应平行于仪器转轴。（否则会有什么现象产生？） 根据汞光谱中绿线的波长,利用光栅公式求其光栅常数,测定汞光谱中两条黄线的波长及其汞黄线处的波长.注意:本实验过程中,有一个因数没有考虑在内,就是光栅.为了消除光栅本身产生的误差,我们将怎么读衍射角,如何解决这一问题?

光纤布拉格光栅自致啁啾效应的研究

第28卷 第9期光 学 学 报 Vol.28,No.92008年9月 A CTA OPTICA SINICA Septe mber ,2008 文章编号:025322239(2008)0921671204 光纤布拉格光栅自致啁啾效应的研究 刘长军 张伟刚 姜 萌 涂勤昌 赵天明 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 摘要 根据耦合模理论,采用传输矩阵法分析了相位掩模法制作的光纤布拉格光栅的反射谱特性。设计了一种新的写制光纤光栅的光路,利用高斯激光光束写制出具有短波自致啁啾效应的切趾光栅(栅长0.015m)。对具有短波自致啁啾效应的光纤光栅进行了物理切割(剩余光栅的长度分别取0.007m 和0.0055m),得到了一种新型的具有长波自致啁啾效应的光纤光栅,原本的自致啁啾光栅反射谱中旁瓣分布在短波长方向,而得到的新型自致啁啾光栅的反射谱中长波长方向的旁瓣更为明显。基于对光纤布拉格光栅自致啁啾效应的分析,提出一种新型类高斯切趾函数,以此函数对自致啁啾效应进行数值模拟,得到了与实验结果相一致的光谱图。关键词 光纤光学;光纤布拉格光栅;切趾光栅;自致啁啾;传输矩阵法 中图分类号 TN253 文献标识码 A doi :10.3788/A OS 20082809.1671 Study on Self 2In du ced Ch ir pin g for F iber Bra gg Gr at in g Liu Changjun Zhang Weigang Jiang Meng Tu Qinchang Zhao Tianming (Instit ut e of Moder n Opt ics ,Na nka i Univer sity ,Tia njin 300071,China ) Abstr a ct Based on coupled mode the ory,the r eflection pr oper tie s of the fibre Br agg gr ating fabricated with phase mask ar e analysed by transfer matrix method.A ne w beam path is designed to fabricate fiber gr atings and a new shor t 2wave length se lf 2induced chir ping apor dized gr ating with length of 0.015m is fabr icate d by G aussian ultraviolet (UV)beam.Further more ,a new long 2wave length self 2induce d chir ping grating is obtained by cutting the original fiber gr ating shor ter to 0.007m and 0.0055m separ ately.By contr ast with the or iginal gr ating,the new one has more side lobes on the long 2wavele ngth side of the re flection spectr um and the side 2lobe s on the short 2wavelength side ar e suppr essed.On the basis of analysis of the new self 2induced chir ping grating,a new type of Gaussian 2like apodization function is pr esented and used to simulate the self 2induced chirping of the fiber gr ating.The theor etical results accor d with the experimental re sults. Key wor ds fiber optics;fiber Br agg gr ating;apodised gr ating;self 2induced chir ping;tr ansfer matrix method 收稿日期:2007212224;收到修改稿日期:2008201221 基金项目:国家自然科学基金(10674075,60577018)资助课题。 作者简介:刘长军(1981-),男,硕士研究生,主要从事光子技术及光通信等方面的研究。E 2mail:liuchangjun@https://www.wendangku.net/doc/b35113888.html, 导师简介:张伟刚(1959-),男,教授,博士生导师,主要从事光子技术与现代光传感、新型光电子器件等方面的研究。E 2mail:zhangwg@nanka https://www.wendangku.net/doc/b35113888.html, 1 引 言 光纤布拉格光栅是一种新型光纤无源器件,具有体积小、重量轻、成本低、易于集成、插入损耗低、抗干扰能力强、结构简单、可重复性强等诸多优点,现已广泛应用于光纤通信和光纤传感领域 [1~3] 。它 既可作为窄带滤波器用于波分复用,也可作为高反镜构成光纤激光放大器,同时也可作为传感探头用于各种传感器。 均匀的光纤布拉格光栅的谱形在长波长和短波 长方向都会有非常大的旁瓣,而大的旁瓣会给相邻的信道产生极大的串扰,因此在实际应用中,要发挥光纤光栅的诸多功能就必须制作出性能优良的光纤光栅,而制作性能优良的光纤光栅需采用有效的切 趾技术[4],某些光栅经切趾后具有自致啁啾效应[4,5],即在短波长方向仍存在一系列较明显的旁瓣。本文介绍了产生自致啁啾效应的光纤光栅写制实验装置,然后进行理论分析,引入一种新型类高斯切趾函数进行数值模拟,提出了一种物理切割方法,

均匀布拉格光栅的原理及MATLAB反射谱仿真教学内容

均匀布拉格光栅的原理及MATLAB 反射谱仿真 张睿 一、 前言 光纤光栅是纤芯折射率受到周期性微扰而形成的一种全光纤无源器件，自问世以来，由 于其与光纤通信系统兼容、体积小、插入损耗低、结构简单、成本低等等，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域，对于光纤光栅的分析，通常主要用耦合模理论、付立叶变换理论与传输矩阵理论，本文主要得用传输矩阵理论对均匀布拉格光栅的反射谱进行理论分析和仿真。 二、 均匀布拉格光栅的原理 假设光纤光栅的模型如下： z i Z i+1 A B 图 光纤光栅的输入与输出 如图可知输入为：()i A z 、()1i B z +;输出为：()i B z 、()1i A z +，但是为了表示方便，输入为：()i A z 、 ()i B z ，输出为：()1i A z +、()1i B z +。 利用麦克斯韦方程组可以得到光波在光波导中的耦合模方程： () ()(2)(2)*j z j z dA j Be dz dB j Ae dz δδκκ-?=????=-?? (3) 其中：πδβ=-Λ 由边界条件： ()()1 i i A z B z =???=?? （4） 可以得到相移光栅的传输矩阵： ()()()()111i i i i z z i i A z A z F B z B z +++???? =??? ????? (5) 其中： 1 11 122122i i z z s s F s s +?? =???? (6)

11111212112211cosh(())sinh(()))sinh(( ))) sinh(()))cosh(())sinh(()))i i i i i i i i i i i i s s z z j s z z s s j s z z s s j s z z s s s z z j s z z s δκκδ++++++???=-+-?????????=--?????? ??? ?=-????? ? ???=---?????? （7） 22s κδ=-，κ为光纤的耦合系数。 整个相移光栅的传输矩阵可以表示为： 1121...i i i i z z z z z z F F F +- （8） 其反射率可以表示成： 2 (2,1)(1,1) F R F = (9) 三、 MATLAB 反射谱仿真 仿真所用的参数为：布拉格光栅的中心波长1550nm, 光栅有效折射率1.47。 1、 在kl 相同情况下的反射谱 在kl=5的情况下，当l=2mm 、5mm 、10mm 、20mm 时，其反射谱如下：

光栅特性的研究

实验八 光栅特性的研究 衍射光栅是利用光的衍射原理使光波发生色散的光学元件．它由大量相互平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）组成．以衍射光栅为色散元件组成摄谱仪或单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一，在研究谱线结构，特征谱线的波长和强度；特别是在研究物质结构和对元素作定性与定量的分析中有极其广泛的应用． 【实验目的】 1．进一步熟悉光学测角仪的调整和使用； 2．测量光栅的特性参数； 3．从测定钠灯和汞灯光谱在可见光范围内几条谱线的波长过程中，观测和研究光栅的衍射现象． 【实验原理】 1．光栅衍射 有大量等宽间隔的平行狭缝构成的光学元 件成为光栅．设光栅的总缝数为N ，缝宽为a ， 缝间不透光部分为b ，则缝距d = a + b ，称为光 栅常数．按夫琅和费光栅衍射理论，当一束平 行光垂直入射到光栅平面上时，通过不同的缝， 光要发生干涉，但同时，每条缝又都要发生衍 射，且N 条缝的N 套衍射条纹通过透镜后将完 全重合．如图1所示，当衍射角θ 满足光栅方程d sin θ = k λ（k = 0、±1、± 2、 …）时，任 两缝所发出的两束光都干涉相长，形成细而亮 的主极大明条纹． 2．光栅光谱 单色光经过光栅衍射后形成各级主极大的细亮线称为这种单色光的光栅衍射谱．如果用复色光照射，由光栅方程可知不同波长的同一级谱线（零级除外）的角位置是不同的，并按波长由短到长的次序自中央向外侧依次分开排列，每一干涉级次都有这样的一组谱线．在较高级次时，各级谱线可能相互重叠．光栅衍射产生的这种按波长排列的谱线称为光栅光谱． 评定光栅好坏的标志是角色散率和光栅的分辨本领． （1）λ ?ψd d =称为光栅的角色散率，由d sin ? = k λ 可知 k p d k d d cos ==λ?ψ （1） （2）根据瑞利判据，光栅能分辨出相邻两条谱线的能力是受限制的，波长相差Δλ的两条相邻的谱线，若其中一条谱线的最亮处恰好落在另一条谱线的最暗处，则称这两条谱线能 - 44 -

光栅尺特点和应用领域

光栅尺的适用领域:加工用的设备：车床、铣床、镗床、磨床、钻床、电火花机、线切割等测量用的仪器：投影机、影像测量仪、工具显微镜等也可对数控机床上刀具运动的误差起补偿作用配接PLC,用于各类自动化机构的位移测量. 光栅尺的改造优势: 1、机床改造总投资极少,与旧机床的残值相适应; 2、具有附机功能,能随时装卸,与其它机床通用 3、无其它装置的装调手续,便于维修; 4、操作工人易掌握,不经培训亦可使用.它主要用于改造各类车床、磨床、镗床，尤其是改造外圆磨和圆心磨，其成效更为显著。 5、进行大型机床数显改造后，可以降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，提高工作效率，减少废品率，机械性能稳定可靠。 6、用途广泛：它不仅能用于铣床、钻床、镗床和车削加工的常规任务，还能为许多机床、测量设备和测试设备以及专用机床提供理想的解决方案，事实上它适用于所有手动机床。 我公司光栅尺的优势1、采用优质的PU材料制造出耐油、高弹性及抗老化胶封。由工程师精心设计出最佳的闭合角度和最适中的软硬度，保证最佳的密封性能和最少的磨擦阻力。 2、读数头滑动部分结构采用已被验证为最可靠耐用的五轴承设计，采用耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。 3、采用美国Honeywell公司的高效能AIGaAs红外线发光管为光源。讯号强而稳定，可靠性高。 4、弹簧的几何设计经过精确详细的力学模型分析，并采用高级德国制弹簧钢材制造。确保光学感应系统就是在高速的移动情下，仍能紧贴在光栅尺上无跳动地滑行。 最先进可靠的光学测量系统 u 读数头滑动部分结构采用已被验证为最可靠耐用的五轴承设计，保证光学感应系统能长期稳定地在光栅尺上畅顺滑行。 u 弹簧的几何设计经过精确详细的力学模型分析，并采用高级的德国制弹簧钢材制造。确保光学感应系统就是在高速的移动情况下，仍能紧贴在光栅尺上无跳动地滑行。 u 所有轴承均采用日本JIS规格P5等级高精度轴承，保证滑行畅顺，跳动量低，可靠耐用。 u 采用美国Hon eywell公司的高效能AIGaAs红外线发光管为光源。讯号强而稳定，可靠性极高. 我公司产品特点：： 1、先进的电子技术及个性化设计； 2、计数响应速度快，功能多； 3、直接在数显表上进行正弦、余弦、正切函数等函数计算； 4、可以在X和Y方向进行自动刀具补偿； 5、坚固耐用的合金外壳，不易刮伤，且美观大方； 6、电源和信号

实验报告-光栅特性的研究

实验报告 姓名：班级：学号：实验成绩： 同组姓名：实验日期：2008-9-16 指导老师：助教28 批阅日期： 光栅特性的研究 【实验目的】 1．进一步熟悉光学测角仪的调整和使用 2. 测量光栅的特性参数。 3. 掌握RC、RL串联电路的幅频特性和相频特性的测量方法。 4. 从测定钠灯和汞灯光谱在可见光范围内几条谱线的波长过程中，观测和研究光栅的衍射现象。 【实验原理】 1. 光栅衍射 有大量等宽间隔的平行狭缝构成的光学元件 成为光栅．设光栅的总缝数为N，缝宽为a，缝间 不透光部分为b，则缝距d = a + b，称为光栅常 数．按夫琅和费光栅衍射理论，当一束平行光垂 直入射到光栅平面上时，通过不同的缝，光要发 生干涉，但同时，每条缝又都要发生衍射，且N 条缝的N套衍射条纹通过透镜后将完全重合．如 图1所示，当衍射角θ满足光栅方程dsinθ = kλ（k = 0、±1、± 2、…）时，任两缝所发出的两束光都干涉相长，形成细而亮的主极大明条纹．

2．光栅光谱 单色光经过光栅衍射后形成各级主 极大的细亮线称为这种单色光的光栅衍 射谱．如果用复色光照射，由光栅方程 可知不同波长的同一级谱线（零级除外） 的角位置是不同的，并按波长由短到长 的次序自中央向外侧依次分开排列，每 一干涉级次都有这样的一组谱线．在较 高级次时，各级谱线可能相互重叠．光 栅衍射产生的这种按波长排列的谱线称 为光栅光谱． 评定光栅好坏的标志是角色散率和光栅的分辨本领． 若入射光束不是垂直入射至光栅平面（图2），则光栅的衍射光谱的分布规律将有所变化．理论指出：当入射角为i时，光栅方程变为 【实验数据记录、实验结果计算】 1、白色条纹角度：25720’7721’

基于大色散延迟量的啁啾布拉格光栅脉冲展宽与压缩研究

目录 中文摘要 ............................................................................................................................... I 第1章引言 . (1) 1.1皮秒脉冲激光 (1) 1.2啁啾脉冲放大技术 (2) 1.2.1 衍射光栅对 (3) 1.2.2 啁啾布拉格光栅 (5) 1.3论文研究内容 (7) 第2章啁啾布拉格光栅的衍射特性 (10) 2.1基本理论研究 (10) 2.1.1 F矩阵方法 (11) 2.1.2 传输矩阵方法 (17) 2.2带宽特性 (22) 2.3色散特性 (26) 2.4切趾技术 (29) 2.5本章小结 (34) 第3章啁啾布拉格光栅的制备技术 (36) 3.1光热敏折变效应 (36) 3.2光热敏折变玻璃的制备 (37) 3.3紫外干涉曝光工艺 (39) 3.4热处理工艺 (43) 3.5参数测量 (45) 3.5.1 测量方法 (45) 3.5.2 测量结果 (46) 3.6本章小结 (48) 第4章基于啁啾布拉格光栅的大色散设计 (50)

4.1单块光栅的色散 (50) 4.2级联光栅的色散 (51) 4.2.1 构型-I (53) 4.2.2 构型-II (61) 4.1本章小结 (63) 第5章基于对称级联光栅的脉冲展宽与压缩理论研究 (65) 5.1啁啾脉冲展宽与压缩 (65) 5.1.1 高斯型啁啾脉冲展宽与压缩 (66) 5.1.2 双曲正割型啁啾脉冲展宽与压缩 (69) 5.2对称级联光栅的设计 (73) 5.2.1 对称级联构型的色散能力 (77) 5.2.2 对称级联构型的空间啁啾 (80) 5.3四程展宽与压缩的数值模拟 (81) 5.3.1 双曲正割型脉冲的展宽与压缩 (82) 5.3.2 高斯型脉冲的展宽与压缩 (85) 5.4本章小结 (89) 第6章啁啾布拉格光栅展宽与压缩脉冲的实验研究 (90) 6.1单块光栅展宽与压缩脉冲的实验 (90) 6.1.1 单块光栅的脉冲展宽实验 (93) 6.1.2 单块光栅的脉冲压缩实验 (94) 6.1.3 单块光栅的脉冲展宽与再压缩实验 (95) 6.2级联光栅展宽脉冲的实验 (97) 6.2.1 两程展宽实验 (97) 6.2.2 四程展宽实验 (99) 6.2.3 空间啁啾的补偿 (103) 6.3本章小结 (104) 第7章啁啾布拉格光栅的阈值特性研究 (105)

试验35光栅特性的研究

实验三十八 光栅特性的研究 实验内容 1．测出所给衍射光栅的四个主要特性参数；光栅常数ｄ、角色散率φ、分辨本领Ｒ和衍射效率η。 2．测量钠光灯的钠双线波长，或汞灯谱线的各个波长,或Ｈe-Ｎe 激光器的激光波长。 教学要求 ?? 1.了解衍射光谱的结构、分类和特性。 ?? 2.学习如何选择实验方法测定光学元件的特性参数。 实验器材 ?? 除给定不同光栅常数的全息光栅外，其余仪器设备请自行拟定后，向实验室申请使用。 光栅通常用于研究复色光谱的组成，进行光谱分析，还可以通过光栅获得特定波长的单色光。所以，光栅是一种重要的分光元件。了解光栅的结构和工作特性，对使用和开发光学器件有着重要的意义。 ?? 光栅按其结构分类，可分为平面光栅，阶梯光栅和凹面光栅；按衍射条件分类，可分为透射光栅和反射光栅。 操作步骤 ?? １.选择一定的方法和仪器，测出所给衍射光栅的四个主要特性参数：光栅常数ｄ、角色散率φ、分辨本领Ｒ和衍射效率η。 ?? ２.利用所给光栅测量钠光谱双线的波长，或汞光各条谱线的波长，或Ｈe-Ｎe 激光谱线的波长。要求测量结果的准确度 λE ≤0.1％。 ?? ３.从理论上算出在给定的光栅和光波长（汞灯）的条件下，能观察到的光栅的最高衍射级数Ｋ，并用实验加以验证。 ?? ４.观察分辨本领Ｒ与光栅狭缝数目Ｎ的关系。挡住光栅的一部分，减小狭缝数目Ｎ，观察钠光谱的双线的衍射谱随Ｎ的减小而发生的变化。 实验提示 ? 根据夫琅和费衍射理论，当一束平行光垂直入射到光栅平面上时，将发生衍射。衍射光谱中亮条纹的位置由衍射方程dsin φ=k λ （k=0,±1, ±2,……）决定。其中缝间距ｄ称为光栅常数，φ为衍射角，ｋ为衍射光谱线的级数，λ为入射单色光的波长。关于光栅的几个特性参数说明如下： ?? 1.光栅常数ｄ：d=a+b ，a 为光栅任一狭缝的宽度，b 为相邻狭缝间不透光部分的宽度。 ?? 2.角色散率φ：λ φ?d d =，定义为单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距。由dsin φ=k λ，可得k d k φ?cos =。 ?? ３.分辨本领Ｒ：λ λ?=R ，定义为两条刚可被分辨开的谱线的波长差除以它们的平

线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响

文章编号:1005-9490(2000)02-90-93 线性啁啾对布拉格光纤光栅反射谱的影响 ① 何瑾琳,孙小菡,张明德,丁东 (东南大学电子工程系,南京,210096) 摘要:以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的教学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。 关键词:光纤光栅,滤波,啁啾 中图分类法:TN 25 文献标识码:A 1　引　言 1987年O uellette [1]首次提出用带啁啾的光纤光栅对长距离光通信系统进行色散补偿,并在理论上预计其性能将十分优越。此后,随着光栅制作工艺的发展,包括非相似波前干涉法、锥形法、温度梯度法等在内的各种啁啾光纤光栅制备方法[2]应运而生,促进了啁啾光纤光栅在色散补偿和脉冲压缩领域的广泛应用,研究重点一般也放在对色散谱的优化设计上。但啁啾的加入同时也影响了光栅的反射谱,因此在设计光纤光栅滤波器时,啁啾也是一个重。 本文从啁啾布拉格光纤光栅滤波应用的角度出发,以耦合模理论为基础,采用分段均匀和传输矩阵法,得到分析啁啾非均匀光纤光栅光谱特性的数学物理模型,讨论了啁啾系数对高斯型切趾光栅和相移光栅滤波特性的影响。 2　理论分析 光敏光纤置于光强随空间变化的紫外光曝照中,将引起纤芯折射率的微扰?n (x ,y ,z ),该微扰在光纤截面上是均匀的,沿光纤轴向(z 向)为正弦变化的量。包层中折射率改变量为零。因此可将其表示为: ?n (x ,y ,z )=?n (z )=?n -co (z )1+v co s 2Πz +Υ(z )　r ≤a 0 r >a (1)其中:?n -co (z )是芯层中折射率的平均变化量,v 是折射率的调制指数,+为光栅周期,Υ(z )是折射率变化的相位,通常用来描述光栅的啁啾量。线性啁啾光栅相移Υ的一阶导数是z 的线性函数,如下式表示: d Υd z =2C z L 2(2) 第23卷第2期2000年6月 电　子　器　件Jou rnal of E lectron D evices V o l .23,N o.2June .2000①来稿日期:1999-11-20

光纤布拉格光栅

光纤光栅的发展历史 在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。 1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。 1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。 1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。 自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。 光栅光纤的应用 光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。 光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。 光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。 光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。 光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm?1耦合系数为50cm?1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。 光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚

衍射光栅特性的研究

衍射光栅特性的研究实验过程 任务：测量衍射光栅的主要参数。 1准备： 1.1重要螺丝： (1)转座与度盘止动螺丝（分光计结构示意于中16）。位于刻度盘下左轴上，作用是将度盘（外大圆环）和望远镜固定在一起，同步转动。测量前必须将其拧紧。 (2)望远镜止动螺丝(17)。位于刻度盘下右轴上，作用是望远镜固定在某一角位置上。测量前必须将其松开，使望远镜可以自由转动。只有使用望远镜微调时才将其拧紧。 (3)游标盘止动螺丝（25）。位于平行光管支架下中部，作用是固定游标盘（内黑色大园盘），调整仪器前将其松开，使游标盘可以自由转动。测量时，以测量者为参考先将两游标旋转到左右位置后再固定。 1.2注意事项： 转动望远镜时必须手持其支架转动，不允许抓住望远镜筒或照明灯管转动望远镜。 1.3 仪器的调整 (1) 粗调：（1）目视望远镜和平行光管是否水平，不水平分别调节两者的高低调节螺丝12、27。（2）调节载物台调平螺丝6（三颗），使载物台上下层间形成1 mm 左右的均匀空气层。（3）旋转载物台上层，使其上表面的三条刻线分别对准下边的三条螺丝。 (2)调节望远镜适合观察平行光（聚焦无穷远），且无视差（自准直法）： 打开分光计照明电源开关（看到视场中下方绿色矩形背景）。 A 目镜的调节：转动目镜调节手轮11（紧靠眼睛），看到十分清晰的+形叉丝为止。 目镜调好后，在整个实验中不能再转动目镜。 B 安放双反镜：将双反镜安装在载物台上，使其镜面和载物台上任意刻线相平行且居中。旋转刻度盘，带动载物台（下同）,使双反镜面和望远镜垂直(不能直接转载物台和双反镜). C 物镜的调节: 微微左右旋转刻度盘,通过望远镜观察并寻找反射像(绿色╀字).看到后,调节物镜(推拉目镜套筒),看见清晰的反射像. D 消视差: 再仔细调节物镜(推拉目镜套筒)直到眼睛上下、左右微动是,反射的绿色╀字和+形叉丝无相对运动,即消除了视差.将目镜固定螺丝9拧紧. 注: 望远镜聚焦于无穷远后,在整个实验中此部分不能再动. (3)望远镜光轴垂直于分光计主轴； A 将反射的绿╂字调到P点（见图4）。旋转刻度盘，使╂字的纵线和 形叉丝的纵线重合。调节望远镜高低调节螺丝12，使╂字从当前位置向P点移动一半垂直距离（不准调到P点）；调节载物台三颗调平螺丝中镜面前螺丝B1或镜面后螺丝B2（注意：不能动面内螺丝B3）（见图5），使╂字和P点重合（此法称为“两步法”）。 B旋转刻度盘1800，带动双反镜旋转，使双反镜第二个面转向（垂直）望远镜，按上述“两步法”调节，使╂字和P点重合。 C旋转刻度盘1800，使双反镜第一个面转向望远镜，重复前两步过程，直到不需调节，转到另一面，╂字和P点已经重合为止。

物理实验六 光栅的特性分析和应用

实验六 光栅的特性分析和应用 光栅是根据多缝衍射原理制成的一种重要的分光元件，入射光在光栅上发生衍射，不同波长的光被分开，同时它还具有较大的色散率和较高的分辨本领。利用光栅分光制成的单色仪和光谱仪在研究谱线结构、谱线的波长和强度进而研究物质的结构、做定量分析等方面有着广泛的应用。同样，它还广泛应用于计量、光通信、信息处理等问题之中。 【实验目的】 1．熟悉分光计的使用方法。 2．观察光线通过光栅后的衍射现象及特点。 3．用透射光栅测定光栅常量、光谱线的波长。 4．学会测定光栅的另外两个特征参数；色散率、分辨本领。 【实验仪器】 分光计、汞灯及光栅等。 【实验原理】 光栅在结构上有平面光栅、阶梯光栅和凹面光栅等几种，同时又分为透射式和反射式两类。本实验选用透射式平面刻痕光栅。 透射光栅是在光学玻璃片上刻划大量相互平行、宽度和间距相等的刻痕而制成的。当光照射在光栅面上时，刻痕处由于散射不易透光，光线只能在刻痕间的狭缝中通过。因此光栅实际上是一排密集、均匀而又平行的狭缝。 若以单色平行光垂直照射在光栅面上，则透过各狭缝的光线因衍射将向各个方向传播，经透镜会聚后相互干涉，并在透镜焦平面上形成一系列被相当宽的暗区隔开的、间距不同的明条纹，因此光栅的衍射条纹是光的衍射和干涉的综合效果。 按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定： λ?K b a k ±=+sin )( 或 ? ?=±=2,1,0,sin K K d k λ? （1） 此式称为光栅方程，式中，d=a+b 称为光栅常数，λ为入射光波长，K 为明 条纹（光谱线）级数，k ?是K 级明条 纹的衍射角（参看图 1 ）。 如果入射光不是单色光，则由式（1）可以看出，光的波长不同，其衍射角k ?也各不相同， 于是复色光将被分解，而在中央K=0、 k ?=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹。 在中央明条纹两侧对称地分布着K=1、2……级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排 列成一组彩色谱线，这样就把复色光分解为单色光（见图1）。 如果已知光栅常数d ，用分光计测出K 级光谱中某一明条纹的衍射角 k ?，按式（1 ）即可算 图1 汞灯的光栅光谱示意图