光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格FGB原理是通過將單模光纖的核心橫向暴露于強激光的周期性圖案而制成的。曝光使光纖芯的折射率永久增加，根據(jù)曝光圖案產(chǎn)生固定的折射率調(diào)制。這種固定折射率調(diào)制稱為光柵。

在每次周期性折射變化時，反射少量光。當(dāng)光柵周期約為輸入光波長的一半時，所有反射光信號相干地組合成特定波長的一個大反射。這被稱為布拉格條件，并且發(fā)生該反射的波長稱為布拉格波長。在布拉格波長以外的波長的光信號（非相位匹配）基本上是透明的。該原理如圖1所示。

因此，光通過光柵傳播，衰減或信號變化可忽略不計。只有那些滿足布拉格條件的波長才會受到影響并強烈反向反射。精確預(yù)設(shè)和維持光柵波長的能力是光纖布拉格光柵的基本特征和優(yōu)點。

反射分量的中心波長滿足布拉格關(guān)系：λ?_布拉格?=2nΛ，折射n的索引和Λ的FBG的折射率變化的指數(shù)的周期。由于參數(shù)n和Λ的溫度和應(yīng)變依賴性，反射分量的波長也將隨著溫度和/或應(yīng)變的變化而變化，.這種依賴性是眾所周知的，它允許從中確定溫度或應(yīng)變。反射FBG波長。

光纖布拉格光柵的反射波長取決于光柵特性（周期，調(diào)制），并受環(huán)境條件如應(yīng)變和溫度的影響。這允許FBG的使用作為應(yīng)變和溫度的傳感器。在溫度傳感的情況下，布拉格波長是溫度的函數(shù)。這種溫度依賴性是由纖維的折射率的變化以及玻璃材料的熱膨脹引起的。

光纖光柵傳感器的原理特點

電氣傳感器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種測試測量設(shè)備中，但是它具有非常多的局限性，如傳輸損耗、易受干擾、無法在惡劣環(huán)境中得到應(yīng)用等。近年來隨著光電子學(xué)的發(fā)展，光信號由于它的抗干擾性和低損耗性能，已經(jīng)逐漸替代電信號應(yīng)用于傳感器。光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境耐受性好、抗電磁干擾、可遠距離監(jiān)測等諸多優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測、電力系統(tǒng)安全監(jiān)控、油氣資源勘探開采和國防等等很多領(lǐng)域。基于光纖光柵的傳感器是最主要的一類光纖傳感器，用于測量各種溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。光纖光柵傳感器具有許多其它傳感器無法比擬的優(yōu)點：全光測量，在監(jiān)測現(xiàn)場無電氣設(shè)備，不受電磁及核輻射干擾；體積小、重量輕、靈敏度高、零點無漂移，長期穩(wěn)定；以反射光的中心波長表征被測量，不受光源功率波動、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響；絕對量測量，系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需定標(biāo)；使用壽命長、易于復(fù)用和夠成傳感網(wǎng)絡(luò)等等。
由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時敏感，即溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分，因此，解決交叉敏感問題，是實現(xiàn)應(yīng)力準(zhǔn)確測量及實用化前提，現(xiàn)有的光纖光柵傳感器一般采用在光纖光柵的一端增加溫敏金屬來實現(xiàn)溫度補償，但此種技術(shù)提高了封裝工藝的復(fù)雜度和難度，例如金屬長度與光纖光柵的長度有一定比例關(guān)系，稍有偏差則溫度補償不完全。

什么是光纖光柵

光纖光柵又稱光纖布拉格光柵（FBG），是一種纖芯的折射率呈周期性變化的光纖。通過全息干涉法或者相位掩模法等方法將對光敏感的一小段光纖暴露在光強呈周期性變化的光波下，這一小段的折射率就可以相應(yīng)的發(fā)生永久性的改變。當(dāng)一束光通過光線布拉格光柵進行傳輸時，每一小段被改變折射率的光纖只可以反射相應(yīng)特定波長的光波，即布拉格波長，且布拉格波長與光柵之間的間隔長度有關(guān)。而其他波長的光波就被繼續(xù)傳輸，這就使得光纖布拉格光柵只反射特定波長的光波。

目前，常規(guī)的單芯光纖光柵傳感器在制作工藝和工程應(yīng)用中的研究已非常成熟。但為了消除溫度和應(yīng)變交叉敏感問題，每個傳感器往往至少需要兩只光纖光柵配合使用，而在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測中，則需要更多的傳感器來測量多維的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。