光纤光栅的传感、解调及复用技术

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1、光纤光栅的传感、解调及复用技术绪论光纤光栅传感原理光纤光栅解调技术光纤光栅复用技术光纤光栅传感原理光纤1、光纤是由外径125um的包层和直径9um的纤芯组成的圆柱形细丝2、纤芯由石英制成，光在纤芯内传输3、250um涂敷层保护光纤并增强光纤的机械性能涂覆层250um包层125um纤芯9um光纤光栅传感原理光纤光栅1、在光纤上用紫外光刻写光栅，10mm的光纤光栅包含了10000个在纤芯中规则分布的微小的反射镜面2、温度/应变等物理量的变化与所导致的栅距变化呈线性，光栅反射波长随栅距变化而线性变化；HUST分振幅写入原理特点：突破了（最初方法）纵向驻波法对

2、Bragg中心反射波长的限制写入效率明显提高，操作简单，促进了光纤写入技术的研究，得到广泛应用。哈尔滨理工大学HUST光强分布∑干涉条纹的强度分布为：2I(z)=2A[1+cos(2kzsinθ+ϕ)]0∑光纤光栅的Bragg反射波长为nλeffwλ=Bnsinθw哈尔滨理工大学HUST逐点写入法（1）∑逐点写入法是利用聚焦光束沿光纤逐点曝光，使光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅的方法。关键在于光纤与写入光斑的相对位置。哈尔滨理工大学HUST逐点写入法（2）∑优点：对光源的相干性没有严格的要求；∑光栅参数，如光栅长度、周期、和光谱响应等易于调

3、整。∑缺点：曝光时间长，温度和光纤的应变都会引起光栅间距的误差，光栅周期不能太小，适合写长周期光栅。哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（1）∑1993年K.O.Hill研究组和美国AT&TBell实验室D.A.Anderson几乎同时提出掩模写入法，将光敏光纤贴近相位掩模，利用相位掩模产生的近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性变化，从而形成光纤光栅。∑目前相位掩模法已成为最广泛使用的光纤光栅写入法。∑一、相位掩模的近场衍射特性∑相位掩模是采用电子束平板印刷术或全息曝光蚀刻于硅基片表面的一维周期性透射相位光栅，其实质是一种特殊设计的光学衍

4、射元件。哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（2）∑相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只考虑0级和±1级衍射波，在正入射情况下±1衍射波的强度相等。衍射角满足光栅方程∑Sinθ-Sinθ=mλ/Λmipm哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（3）哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（3）斜入射情况下的分布为E(x)=E(x)+E(x)+E(x)0-1+10级和±1级干涉条纹的周期为Λ＝Λpm而±1级衍射波产生的干涉周期为Λ＝0.5Λpm当sinθ+λ/Λ>1时，可以消除零级衍射光。ipm哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（4）λ∑在正入射的情况下，齿

5、高满足h=的情况下，2(n−1)g∑抑制了零级衍射条纹，则一级衍射可表示为：E(x)=Aexp(iKsinθx)111E(x)=Aexp(iKsinθx)−11−1∑则两列波叠加形成的条纹是2I(x)=2A[1+cos(2Ksinθx)]11∑干涉条纹的周期为λΛPMΛ==2sinθ21哈尔滨理工大学HUST相位掩模写入法（5）∑综上所述，无论斜入射还是正人射，相位掩模的干涉条纹周期均与入射光的波长和衍射角有关。斜入射时干涉条纹的周期与相位掩模的周期相同，正入射时干涉条纹的周期是相位掩模周期的一半。∑优点：相位掩模极大减小了光栅写入系统的复杂性，减小了

6、机械振动的敏感性降低，减小了对稳定性的要求，对时间相干性和单色性的要求减低了。∑写入工艺简单、重复性好、成品率高，便于大规模生产，成本相对较低。哈尔滨理工大学光纤光栅传感原理光纤光栅传感原理•光纤光栅反射光的中心波长取决于光栅的条纹间距•光栅的条纹间距取决于：–施加的应变–温度(nm)反射光谱波长漂移中心波长温度光纤光栅传感原理光在光纤光栅上的传输光强入射光谱光强光强反射光谱透射光谱1、宽带光进入光纤，经过光栅反射回特定波长的光2、通过测量光栅反射波长，换算被测体温度/应变等物理量；3、光栅的温度特性约为10pm/℃，应变特性约为1.2pm/微应变FB

7、G传感原理FBG对通过的宽带光有选择性地反射窄带光，窄带光的中心波长由纤芯折射率变化的周期和变化的大小来决定，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。FBG传感原理λ=1550nm时⇒B⎧ΔλB=?pm/με⎪⎪ε传感信号的读取：解调⎨⎪ΔλB0=?pm/C⎪⎩ΔT⎧ΔT=0ΔλB()⎯⎯→⎯=1−Pε⎪eΔλ⎪λB温度传感器和应变传感器以及补偿？B()()λB=2neffΛ⎯⎯→=α+ξΔT+1−Peε⇒⎨λ=ΔλB⎪ε0B()T⎯⎯→=α+ξΔ⎪λ⎩B光纤光栅传感原理波分复用技术接头1Sensor1Sensor2Sensor3Senso

8、rn接头2…λ1λ2λ3λn入射光谱……λ1λ2λ3λn反射光谱透射光谱1、采用波分复用技术，