光纤光栅原理和应用

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 。

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。

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

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。

图3 光纤光栅非接触测量原理

图4 光纤光栅传感器飞机发动机动应变测量

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

旋转装备

光纤光栅传感器

分析诊断系统

非接触光

传

输

解调器 光纤 光纤 固定部分

旋转部分

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

光纤光栅传感器及其发展趋势

【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光

光纤光栅的制作与应用

目录 摘要 (1) 引言 (2) 1.光纤光栅制作方法 (2) 1.1光纤光栅的特点 (2) 1.2光纤光栅的分类 (4) 1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4) 1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5) 1.3光栅光纤的制备 (6) 1.4成栅的紫外光源 (7) 1.5成栅方法 (8) 1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8) 1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10) 2光纤光栅的应用 (11) 2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13) 2.1.1有源器件 (13) 2.1.2无源器件 (13) 2.2可见光纤光栅的应用 (13) 2.2.1光源 (14)

2.2.2光纤放大器 (15) 2.2.3色散补偿器 (15) 2.2.4光分插复用器（OADM） (16) 2.2.5光终端复接器（OTM） (17) 2.2.6波长交换 (18) 3发展前景展望 (19) 参考文献 (21)

摘要：近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其一些特种光栅制作方法的最新进展。 为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG），长周期光纤光栅（LFPG）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。并比较了各自的优缺点。 目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM）、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。 关键词：光纤光栅成栅机理光纤无源器件全光通信

光纤光栅原理及应用

光纤光栅原理及应用?作者：饶云江王义平朱涛 ?丛书名：当代杰出青年科学文库 ?出版社：科学出版社 ?ISBN：7030167546 ?上架时间：2007-2-10 ?出版日期：2006 年8月 前言. 第1章概论 1．1 光纤光栅发展概况 1．2 光纤光栅分类 1．3 光纤光栅应用概况 1．4 本书提纲 参考文献 第2章光纤光敏性 2．1 光敏性介绍 2．2 硅基光纤的光敏性 2．3 光致折变的各向异性 2．4 点缺陷 2．5 硅光纤光敏性的增强 2．6 光敏性机理 2．7 其他种类光纤的光敏性 2．8 光致折变的清除与保持 参考文献 第3章光纤光栅写入方法 3．1 内部法写人光纤布拉格光栅 3．2 干涉法制作光纤布拉格光栅 .3．3 相位模板法制作光纤布拉格光栅 3．4 逐点法写入布拉格光栅 3．5 模板成像投影法 3．6 光纤光栅写入中的激光光源 3．7 特殊光栅的制作过程 3．8 氢载对制作光纤光栅的影响 3．9 透过聚合物敷层制作光纤布拉格光栅 3．10 长周期光纤光栅写入法 参考文献 第4章光纤布拉格光栅理论 4．1 光纤布拉格光栅的耦合模理论 4．2 非均匀光栅中的双模耦合 4．3 倾斜光栅 4．4 包层模耦合

4．5 辐射模耦合 4．6 光纤布拉格光栅的数值算法 4．7 布洛赫波 4．8 非线性光栅效应 4．9 讨论 参考文献 第5章光纤布拉格光栅的特性 5．1 均匀光纤布拉格光栅 5．2 光纤布拉格光栅的种类 5．3 光纤布拉格光栅的脉冲响应 5．4 光纤布拉格光栅的寿命和可靠性 参考文献 第6章光纤布拉格光栅在传感中的应用6．1 概述 6．2 传感原理 6．3 fbg传感系统中的探测解调技术.. 6．4 fbg复用技术 6．5 fbg传感器的应用 6．6 其他应用 参考文献 第7章光纤布拉格光栅在通信中的应用7．1 光纤激光器 7．2 光纤放大器 7．3 光纤布拉格光栅二极管激光器 7．4 光纤布拉格光栅滤波器 7．5 波分复用懈复用器 7．6 密集波分复用器 7．7 色散补偿器 7．8 光纤布拉格光栅的其他应用 7．9 小结 参考文献 第8章长周期光纤光栅理论 8．1 长周期光纤光栅理论模型的发展8．2 耦合模理论 8．3 长周期光纤光栅的模式耦合i 8．4 长周期光纤光栅的模式耦合ⅱ 8．5 级联长周期光纤光栅 8．6 小结 参考文献 第9章长周期光纤光栅的特性 9．1 长周期光纤光栅的温度特性 9．2 长周期光纤光栅的轴向应变特性9．3 长周期光纤光栅的弯曲特性 9．4 长周期光纤光栅的扭曲特性

一布拉格光纤光栅原理

一．布拉格光纤光栅原理 布拉格光纤光栅（FBG）是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。 UV Beam -- 紫外线激光束； FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域； Fibre Core -- 光纤中心； FBG period Λ-- 布拉格光纤光栅周期； Fibre Cladding -- 光纤覆层； Polymer fibre coating -- 聚合物光纤涂层 短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。 布拉格波长λΒ由下式决定： λΒ=2neff Λ (1) 这里，neff 为激光在光纤内传播的有效折射率；Λ为布拉格光栅的周期。 从等式（1）可以看出，反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。例如，由于弹光效应，光纤上的应变会改变Λ和neff. 类似地，由于热光效应，温度的变化会导致neff 的改变；对于非约束光纤，Λ会受到热膨胀和热收缩的影响，如等式（2）所示。其中，等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响，第二项描述温度对λΒ的影响。 ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT (2) 式中，ΔλΒ为布拉格波长的变化，ρα, α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数，Δε表示应变的变化，ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB ≈ 1550 nm的典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με和10 pm/oC。 尤为重要的是，等式（2）的两项条件是独立的，这意味着布拉格光纤光栅（FBG）可通过将光纤与应变隔离，从而进行温度的测量；而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下进行，这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅（FBG）。 布拉格光纤光栅（FBG）除了可用于应变和温度测量外，还可通过植入换能器，用于压力、加速度、位移等测量。Smart Fibres公司不仅生产FBG传感器和换能器，还研发生产用于照射光纤以及调制解调布拉格反射的设备。 变化 ·可使用一种倾斜滤光片（可以是另一种布拉格光栅）直接将波长变化转换为光强变化。如果此滤光片随波长变化的透光比已知，那么，单模光栅上反射的窄带波长可通过测量和比较穿过和阻挡的光波的强度即可确定。对于具有如下左下图所示的透射谱的滤光器，当布拉格波长从λ1增加到λ2时，减少的透射强度及反射或阻挡的光波强度Ir 会相应地增加。这是对布拉格光纤光栅进行解调的最简

几种常见光纤光栅传感器工作原理

常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的

光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。