（光学专业论文）光纤光栅传感技术的理论分析与实验探讨.pdf

摘要 光纤光栅的技术是继掺铒光纤放大器之后光纤通信史上又一重要的里程碑。 当激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率随着光强的空间分布发生相应的变化，变 化的大小与光强成线性关系在光纤上形成栅区保存下来。栅区实质是一个窄带的 滤波器，能够实现对进行波长的选择。 光栅传感技术是基于此光栅特性而诞生的一种新兴的传感测控方法，光栅传 感器是对外部物理量进行感应的主要硬件。光栅传感器具有电磁免疫、高抗腐蚀 性、高灵敏性以及良好稳定性等优势。光栅的灵活多样的封装可以使之应用于各 种工程参数性能的测试和监控，有着广泛的市场应用前景。 本文的主要研究方法是理论与实验相结合。主要目的是基于探讨光栅在称重 系统中的应用来展开对光栅传感系统的理解和进行称重系统实验平台的设计。目 前通过分析与实验已完成了以下工作： ( 1 ) 简单地介绍了光栅的制作工艺和设计理论，从耦合模理论出发详细地 分析了光纤光栅的波导性能。 ( 2 ) 把光栅传感器与传统的电学传感器进行了比较分析，两者在测量数据 线性和重现性上表现相近，说明光栅传感器可以用于电学传感器领 域。 ( 3 )分析了光栅的传感特性，从工程应用角度出发，设计实验消除了外部 温度变化对光栅性能的影响。 ( 4 )利用单片机完成了对波长解调仪的信号的解析，以便把处理结果用大 型液晶屏幕显示。 ( 5 )从理论上分析解调仪性能和形成了具体的有一定可操作性的设计方 案，为独立设计出静态波长解调仪作好理论上积累。 ( 6 ) 利用材料力学和弹性力学设计出了用于外部物理效果传感的硬件平 台，用于对真实的称萋系统进行模拟。 ( 7 )通过大量的实验表明光栅在状态评估上应用效果很好，但在精确测量 上出现了分辩率与量程的矛盾。在保证分辨率的前提下，引进或设训 出超高量程的光栅传感器可以解决此矛盾。 关键词：光纤光栅、光栅解调、传感技术、耦合模、光栅应用 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n gt e c h n o l o g yr e a l i z e sa n o t h e ri m p o r t a n tb r e a k t h r o u g hi nf i b e r c o m m u n i c a t i o nf i e l da f t e re d f a a sl a s e rg o e st h r o u 曲f i b e r ，t h er e f r a c t i v i t yo ff i b e r w i l lc h a n g eb ye x t e r n a l l i g h ti n t e n s i t ya n dl i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h e mw i l lb e p r e s e r v e df o r m i n g ag a t i n gf i e l di nt h ec o r e e s s e n t i a l l y , t h eg r a t i n gf i e l di sj u s tl i k ea 丘1 t c rw i t hn a l t o wb a n d ，w h i c hc a nc h o o s ed i f f e r e n tw a v e l e n g t h b a s e do nt h ep r o p e r t ya b o v ef gs e n s o r yt e c hi sb o r na san e wa n dd e v e l o p i n g s e n s o r ym e a n st h a tc a nm a k er e s p o n s i b i l i t yf o re x t e m a lp h y s i c a lv a r i a b l c sb vf g s e n s o r s ，f gs e n s o rh a s m a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gt h ed e c t r o m a g n e t i s mi m m u n i t y , t h eg o o da n t i 。c o r r o s i o n , t h eq u i c ks e n s i t i v i t ya n df i n es t a b i l i z a f i o n t h ed i f f c r e n t p a c k a g e sm a k ef ga p p l yc o n v e n i e n t l yi nt h et e s ta n dc o n t r o lo fm a n yp r o j e c t sa n d h a v ev a s tv i s t a sf o rc i v i iu s e s 删sp a p e rc a r r i e so u tt h e o r yr e s e a r c h e sc o m b i n i n g 嘶t he x p e r i m e n t s t h e p u r p o s e c o n t a i n s c o m p r e h e n d i n g f g s e n s o r y t e c ha n dd e s i g n i n gaw e i g l l t m e a s u r e m e n ts y s t e mh a s e dt h et e c h u pt on o w , $ o m ec o n c l u s i o n sc a i lb ed r a wa s f o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h em a k i n go ff ga n di t sd e s i g n i n gm e t h o d sa n da n a l y z et h ef g i n d e x e si nd e t a l l 2 ) f gs e n s o r 锄b eu s e di nt h ef i e l d so fe l e c t r i c a ls e n s o lb e c a u s et h et w o $ e n s o l 3 a r eo fa b o u tt h es a m ei n d e x e sj nl i n e a ra n d r e p e a t a b i l i t yo fd a t a ( 3 ) a n a l y z et h es e n s o r yi n d e xo ff ga n de l i m i n a t et h ee f f e c to fe x t e r n a lt e m p e r a t e t h r o u g he x p e r i m e n t s ( 4 ) i no r d e rt os h o wr e s u l t so l ls c r e e n , m i c r oc o n t r o l l e ri su s e dt or e c e i v ea n da n a l y z e t h eo u t p u ts i g n a l sf r o mw a v e l e n g t hd e m o d u l a t o r ( 5 ) f o rd e s i g n i n gt h es t a t i cw a v e l e n g t hd e m o d u l a t o ri n d e p e n d e n t l y ，ad e s i g ni sg i v e n ， w h i c hh a sac e r t a i no p e r a t i o n ， ( 6 ) m a k ea ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt r u ew e i 【g i im e a s u r e m e n ts y s t e mt oa n a l o gt h e f l u ee f f e c tw h e r em a t e r i a la n de l a s t i cm e c h a n i c sa r en e e d e d ( 7 ) f gs e n s o rs h o w sg o o di n d e x e si ns t a t u se s t i m a t i o n ，b u tt h e r ei sac o n t r a d i c t i o n b e t w e e nm e a s u r i n gr a n g ea n dr e s o l u t i o nr a t i ow h e ni ti su s e di na c c u r a t e m e a s u r e m e n t n eo n l yw a yi st ob r i n gi no rm a k eas e u s o rw i t hl a r g er a n g e k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n g , d e m o d u l a t i o n , c o u p l et h e o r y , a p p l i c a t i o no ff g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：疡支1 明 签字日期胁一7 年厂月够日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生学院有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生学院可以将学位论文的全部或部分 r 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印：缩印或扫插等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：方支明 签字日期潮年厂月形日 f 日 阅 每厂 1 移年 光纤光栅传瘟技术的理论分析与实验探讨 第一章引言 1 1 光纤光栅的简述 光纤光栅是由一段折射率沿其长度方向周期性交化的光纤构成，是光纤通信 系统中一种十分重要的无源光波导器件当激光通过掺杂光纤时，其折射率会随 光强的空间分布发生相应的变化，变化的大4 , - 与光强成线性关系并永远地保存 下来形成了栅区。此栅区其实就是一个带滤波器或反射器，利用这一特性光纤光 栅已经在滤波器、激光器、放大器、波分复用器和光纤光栅传感器等新型无源光 器件中得到广泛应用1 “。 1 2 光纤光栅的分类。卜瑚 根据折射率变化导致的结构差异，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤 光栅两大基本类型。 ( 1 ) 均匀光纤光栅是指周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光 栅。典型代表有布拉格光栅和长周期光栅。其中，布拉格光栅周期一般为1 0 叫 量级，折射率调制深度一般为1 0 1 至1 0 4 ，具有较窄的反射带( 1 0 1 n m ) 和较高的反 射率( 接近1 0 0 9 1 ) ，在光纤通信及传感领域应用最为广泛。长周期光纤光栅周期 远大于前者，一般为几十到几百微米。两种光栅波矢方向都与光纤轴线方向一致。 不同的是长周期光纤光栅是透射型光纤光栅( 属i i 型光栅) ，它不是将某个波长 的光反射，而是耦合到包层中损耗掉，目前主要用于掺铒光纤放大器的增益平坦 和光纤传感。 ( 2 ) 非均匀光纤光栅的周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。典 型代表有线性啾光栅和分段啁啾光栅。线性啁啾光栅在栅区内光栅节距单调周期 线性变化，使各个通路中的各波长在光栅的不同深度处反射回来，对谱宽展宽作 了补偿。分段啁啾光栅功能与前者类似，只是栅区内光栅节距分布不同。这两种 啁啾光纤光栅具有的共同特点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的带宽，可达几 十纳米，可用于产生超短脉冲、色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 此外，光栅种类还有m o i r e 型光栅、b l a z e 型和超结构光栅。如果根据光敏机 制的不同，还可将光纤光栅分为i 型、i i a 型和i i 型三类： ( i ) i 型光栅：这类光栅为通用型光栅，在成栅过程中光纤芯区发生正折变，中 心反射波长缓慢地向长波方向偏移这种光栅适用面最广，便是不能在中 高温环境下工作，因为在2 0 0 。c 至3 0 0 。c 下，光栅开始消退。在温度范围是 一4 0 0 c 至8 0 0 c ，光栅性能稳定。 ( 2 ) i i a 型光栅：i i a 型光栅是在i 型光栅写入后继续进行过量曝光来制作的， 首先观察相对迅速的正折变形成i 型光栅，继续曝光则发现光栅反射率先 变小后开始慢慢增大，最后可以看到中心反射波长向短波方向移动。i i a 光纤光糖传孝技术的理论分析与实验探讨 型光栅的温度稳定比较好，在3 0 0 0 c 至5 0 0 0 c 才出现衰退现象。 ( 3 )i i 型光栅：高能量的u v 光脉冲使纤芯与包层界面上会发生了破坏性作用， 由于导模与受破坏区域的耦合作用，折射率会突然增加，过程中伴随着较 大短波损耗。i i 型光栅的优点在只要单个脉冲曝光就可制成高反射率的光 栅，另外i i 型光栅在7 0 0 0 c 时温度仍然可以正常工作。 1 3 光栅技术研究与应用状况州1 “1 1 3 1 光栅在传感领域中应用 、 1 9 8 9 年，w w m o r e y 等人首次对光纤光栅的温度和应变传感特性进行了研 究，得到了光栅反射波长温度灵敏度和应变的灵敏度分别为1 t x i o 。2 n m p z 和 1 2 x 1 0 n m m e 。1 9 9 3 年，m g x u 等人分析了光纤光栅在受到各方均匀压力时的 传感特性，发现波长随压力变化的灵敏度为3 o x l o j n m m p , , 。这些实验表明光栅 对温度和应变的感应不是很灵敏，目前都是通过不同的封装技术来提高光栅对物 理量的感应灵敏度，如聚合物封装和压力增敏封装技术，可以有效地提高光播的 灵敏度。 基于布拉格光栅传感器的测试系统可以检测的物理量有：温度、应变、压力、 位移、压强、扭角、扭矩( 扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度和 热膨胀系数等。对这些物理量的测量主要是通过引发温度和应变变化来影响光栅 折射率和周期的变化。因此，在光栅传感时也会产生温度与应变交叉敏感的问题。 国内外就此展开了大量研究，提出了参量矩阵运算法、双波长矩运算法、应变温 度补偿法和双周期光栅法等方案，分布式光栅测试是研究与应用的热点，其中最 为引人关注是波长的解调技术的发展。到现在为止，出现了各种各样的检测方法， 包括光谱仪检测法、匹配光栅法、可调谐f - p 腔法、非平衡的卜z 干活法和可调谐 的光源法等。 近年来，光纤光栅准分子单脉冲线写入法成功后，给以上分布式传感提出了 新的挑战。针对批量生产会导致生产出的光纤光栅的中心波长几乎相同和较低的 反射率，采用傅立叶变换光谱法，提出了利用一根光纤中多处相同中心波长弱光 栅实现光栅静态测量，取得了较好的效果。 。3 s ”( s m a r tm a t e r i a l s m a r ts t r u c t u r e ，s w a r ts k i n ) 系统意在把光 栅技术、光神经网络和光纤致动仪器融为一体，把它们复合到各种建筑、交通工 具、传力器件等载体中，对载体的湿度、应变、压力、老化和裂变等参数进行实 时跟踪和监控，可以及时处理突发事件，还能降低载体设计时的安全预留空间， 提高了设计的科学性、可靠性和经济性。 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。基础结构的状 态，力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关 2 光纤光传感技术的理论分析与实验探讨 重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器 既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构迸行实时测量。 监视结构缺陷的形成和生长另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对 结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因 此在民用工程中，光纤光栅传摩器成为结构监测的最重要手段。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用很多情 况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电 机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量，这些地方的测量需要传感器具有 很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行这些测 量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方如荒山野蛉、沙漠荒 原中的传输电缆和中继变电站，使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以 极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。 光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过倏逝场影响光栅的布喇格波长。利用 这一事实通过对光纤光栅进行特殊处理，可以制成探测各种化学物质的光纤光栅 化学传感器。1 9 9 6 年m e l t z 等人就报道了这种光纤光栅化学传感器。后来e c k e 等 人作了改进，他们采取抛光光纤侧面的方法制成光纤光栅化学传感器能够对诸 如石油工业中的碳氢化合物等化学物质进行快速在线测量。在纸浆制造过程中， 需要用碱性溶液将纤维素从木质素中分离出来，碱性溶液的配比对纸浆的质量是 非常重要的，瑞典斯德哥尔摩皇家技术院的a s s e h 等人用刻蚀方法制作的光纤光 栅化学传感器能对碱性溶液的优化配比进行监测。p e n g 等人在光纤光橱上镀钯， 制作出光纤光栅氢气传感器。因为钯能够可逆地与氢发生反应。形成氢化物氢化 物的变化反映了氢气浓度的变化，而氢化物的变化也会改变光纤镀钯层的折射率， 从而通过倏逝场影响光栅的布喇格波长。 石化工业属于易燃易爆的领域电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油 气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合 在石油化工领域里应用。永久连续的弗下传感有利于油田的管理、优化和发 展，目前只有少数的油井使用了永久连续井下油田监控系统。而且主要是电类传 感器，高温操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的使用。光纤光栅传感器 因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感，挪威 的o p t o p l a n 正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。“边钻边 测”系统对钻井作业是非常有利的，w e i s 等人用光纤光栅制成一个井下光纤光栅 调制器，用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。有人在海上钻井平台的复合材 料索链中安装光纤光栅传感器用来测试索链棒的强度和疲劳。 图1 1 至图1 4 给出了光纤光栅在工程的常见应用实例 3 光纤光揖传摩技术的理论分析与实验探讨 1 3 2 光栅在通信领域的应用 光纤光栅激光器是利用f b g 激光器中最直接的应用。一般有分布布拉格反射 ( d b r ) 光纤光栅激光器和分布反馈( d f b ) 光纤光栅激光器。图1 4 是d b r 光纤光 栅激光器基本结构，利用一段掺铒光纤和一对波长相等的f b g 构成谐振腔，通过 光栅的不断反射来选频。这种激光器的优点是：激光出射波长的线宽窄、可调谐、 与标准通信光纤兼容性好。高频率调制下的频率啁啾效应小、抗电磁干扰，温度 膨胀系数较半导体激光器要小。d f b 激光器是利用直接在掺铒光纤上写入光栅， 构成谐振腔，且有源区和反馈区同为一体的光纤激光器，级联式的d f b 激光器可 以实现多波长输出，如图1 5 所示。 图1 1 光纤光栅在桥梁安全和交 通信息管理中的应用 图1 2 安装了阵列f b g 温度传感器的发 电机定子 4 光纤光橱传感技术的理论分析与实验探讨 图1 3f b g 传感器航天飞行轻量抛物天 线反射器中的应用 图1 4 光纤光栅传感器对e 机b 行状态的 监控 普通的光纤放大器增益的不平坦导致各信道信号的严重失真。为了解决光纤 放大器的增益不平坦性，利用光纤光栅可进行增益均衡。1 9 9 3 年英国r k a s h y a p 首次利用闪耀光栅透射谱特性使增益平坦度达到0 5 扭。台湾交通大学研究人 员将不同中心波长的f b g 置于掺铒光纤的不同位置上，由于f b g 的选频特性，不同 波长的增益随泵效率变化，使光纤放大器在3 0 r i m 带宽内信号增益达2 0 9 d a ，增 益变化为0 i d a 。此外，光栅在抑制e d f a 的处发辐射噪声方面也有应用。 在光纤通信系统中，损耗和色散是限制系统性能的两大因素，其中色散更是 限制通信容量的关键。为了满足w d m 系统向多信道和宽带方向发展，目前提出解 决多信道色散补偿和色散斜率补偿用的两种啁啾光栅：一种是基于宽带超长连续 非线性喟啾光纤光栅，如图1 5 ，另一种是基于信道的取样啁啾光栅和超结构光 栅。在2 0 0 0 年，t e r a x i o n 公司在光纤通信国际会议上提出利用超结构光栅实现1 2 个信道的色散补偿和色散斜率补偿设想。 利用f b g 光栅优良的选频特性，可以对光纤透射谱中任一波长进行窄带输出， 因此f b g 可以制作成各种光滤波器和光插分复用器。波长变化器未来光网络中 5 光纤光橱传摩技术的理论分析与实验探讨 光路由和光交换的基础。图1 6 示出了利用x p m 光波长变换器原理图，它采用半导 体光放大器与f b c 相结合的构形。波长为 的输入泵溜光脉冲和波长为k 的连续 探测光信号注入到光放大器中，在脉冲前沿，载波密度和放大器增益迅速衰减 这种半导体光放大器的折射率的变化使连续光信号在延长波 方向产生啁啾。在 输入脉冲的后沿，相应的有向短波长a ：方向的啁啾。而连续光信号波长被调谐 到能够使f b g 光栅只允许连续光信号的红移啁啾分量或漂移啁啾分量输出，每一 种输出分量都会产生输入泵浦光在上的复制信号，由此实现了信号由波长九到波 长a ：的变换。 圈1 6 啊瞅光椐色敢补偿图 1 4 光纤光栅系统研究面临的问题和发展方向 虽然光纤光栅系统着其独特的优良性能和十分广泛的前景，但是目前也面临 不少需要解决好的问题： ( 1 ) 物理机制的研究：掺杂光纤中各种光效应，特别是光敏与增敏效应的 物理机制的研究是开发新型光纤光栅的基础。 ( 2 ) 最佳成栅工艺：包括各种光栅成栅技术的基础及最佳成栅条件与工艺 研究。 ( 3 ) 研究以光纤光栅为基础器件的光子线路，包括对无源光子线路研究 ( 如全波滤波器、色散补偿器等) 、对有源光子线路研究( 如全光纤 激光器、全光纤传感器) 、对光子线路的特殊功能研究( 如选频特性、 6 光纤光橱传摩技术的理论分析与实验探讨 调谐特性等) 。 ( 4 ) 光纤光栅的制备：虽然光栅商业化制造技术得到了很大提高，但是保 持光纤光栅时间上的稳定性还有待完善。在成本控制上还有待各类光 栅批量生产后的价格下调达到民用化和工业化能普遍接收的程度。 ( 5 ) 光纤光栅传器的封装新工艺的研究：绝多数时光栅不会直接用于工程 中，而是通过封装后进行测试的。封装时必须满足保证及提高光栅的 灵敏度和防止封装材料带来的损伤和附加噪声。 ( 6 ) 信息处理技术改进和研究：对于分布式光栅测量系统是工程应用的核 心，其中关键点之一是采用什么算法和光电信号解析技术对数据进行 融合和处理。要求能及时获取各种环境如动态测试或静态测试中有效 信息且能准确处理，从而实现实时观测和监控。 1 5 本文的主要内容和创新点 光纤光栅传感目前在国内的工程应用集中在对载体进行参数评估和状态测 试。在精确测量方面，国内总体处于实验阶段，本文正是立足于此进入相关理论 研究和实验探讨 本论文是在江西省科技厅省重点课题“利用光纤传感器阵列完成高速公路超 载超限计算机检测系统”支持下完成的，主要以光栅传感技术为基础，对光纤光 栅作了较全面的阐述，介绍了光栅制作技术，重点推导了光栅的波导特性，分析 了光栅传感原理，提出了光栅设计模型和温度补偿方法，详述了波长解调技术和 融入了单片机控制技术后设计了基于光栅传感器的称重系统且进行了相关实验。 7 光纤光栅传盛技未的理论分析与实验探讨 第二章光纤光栅的制作 自光纤光栅问世以来。已经历t 2 0 多年的历史，光纤光栅的制作技术也经历 了几次变革。目前光栅的制作技术取得了很大进展，制作工艺己基本趋于成熟， 特别是相位模板法等非干涉方法的出现，因为具有工艺简单、制作成本低廉、光 学稳定性好、便于批量生产等优点，已被广泛采用，使得光纤光栅的制造技术得 7 到重大发展，极大地推动了其在光纤通信系统中的应用。 2 1 光纤增敏坷乜1 1 光纤的光敏性强弱能影响光栅特性，因为它能直接导致光致折射率的变化 为了提高铡栅光纤光致折射率，主要有以下三种方法： ( 1 ) 焰刷法 将准备制栅的光纤在1 7 0 0 c 左右的氢焰上来回灼一段时间，进行焰刷处理， 使光纤在紫外光照射下能达到1 0 1 级的折射率变化。 ( 2 ) 高压载氢 把光纤放置到2 0 - 7 5 0 个大气压的容器中，在常温下进行高压渗氢，可使光 纤的最大折射率增至1 0 。数量级，采取退火处理可以消除光纤中残余氢的影响， 保持光栅的稳定性。 ( 3 ) 光纤共掺杂 在单模光纤中掺入锗、锡和硼等杂质。当紫外光作用时，掺杂光纤产生光致 应力驰豫现象，使光致折射率得到数倍提高。 表2 1 成栅光源性能表 【l v 激光器波长范围( 纳米)平均功率( w )写入技术成栅时间 准分子激光1 9 3 2 镐o 3 - 1 0 0 相移掩模法和逐点写短 器型入法 窄线宽准分1 9 3 - 2 4 82 - 1 0 全息写入法、相移掩短 子型 模法和逐点写入法 倍频氩离子2 4 4 - 2 5 7d 1 o 。3 全息写入法、相移掩 长 型模法和逐点写入法 2 2 成栅光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在2 4 4 n m 紫外光的锗吸收峰附近， 因此除驻波法用4 8 8 n m 可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用 激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要目前，主要成栅 光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频矗r 离子激光器、倍频氩离子激 光器、倍频氲离子激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制 8 光纤光橱传痘技术的理论分析与实验探讨 作光纤光栅最为适宜的光源它可同时提供1 9 3 r i m 和2 4 4 n s 两种有效的写入波长 并有很高的单脉冲能量达l o k j c m 且有着良好的时间和空间的相干性，可在光敏 性较弱的光纤上写入光栅并实现光纤光栅在线制作。具体的光源性能比较见表 2 1 所示。 2 3 光栅的制作方法“町。咖 2 3 1 均匀光栅的制作 ( 1 ) 相位模衍射法 1 9 9 3 年k 0 h i l l 等人发明了相位模板法。相位模板法的提出，大大简化了光 纤光栅的制作难度，提高了研制效率。紫外光经过相位调制后衍射到光纤上，主 要由t l 级衍射条纹形成干涉条纹，在位于其后的光纤芯区内引起折射率调制， 实现b r a g g 光栅的写入。相位掩膜法因其制作光纤光栅的成品率高、重复性好及 使用方便可靠等优点，得到了广泛应用。该方法的主要不足是制作的光栅的周期 由模板周期决定，灵活性较差。图2 1 给出了相位掩模衍射相干法制作示意图。 相位掩模板设计是制作f b g 光栅的重要步骤，掩模板的设计包括板空间模量、 市制深度和占空比，具体要求见表2 2 ，表中a 。为掩模板周期，h 为调制深度 ( 零阶衍射为零时) ，对于均匀光栅，模板光栅尺寸为制作光栅周期，对于啁啾 光栅，其为各子栅的长度之和，但为了每一级频谱不重叠，空间逐级周期a 为 相邻子光栅的啁啾带宽。这种方法适用面非常广泛，不足之处是必须严格控制相 位掩模光栅的刻蚀深度和占空比在光栅相位掩模板制作好后，还应对扳进行如 下的清洗工作： 放到4 ：1 的硫酸与双氧水混合液在7 0 摄氏度环境下1 0 分钟 去离子水l o 分钟 放到7 5 摄氏度丙酮中5 分钟 重复第二步 放到异丙酮用2 0 0 w 高频超声波中1 0 分钟 用异丙酮冲洗 重复第二步 用氮气或干燥空气吹干 ( 2 ) 全息干涉法 全息法是横向写入f b g 的方法之一，图2 2 给出了示意图入射l n r 光经过分光镜分 成两束u v 光，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场形成正弦分布明暗相同的干 涉条纹，在光纤内部产生相同分布的折射率分布。干涉条纹间距由两束光夹角来 确定： d - a 2 s i a 0 9 光纤光橱传感技术的理论分析与实验探讨 式中，为u v 波长；为两束光夹角一半，通过调节角可以调节光栅的周期。但是， 该法对相干性要求很高，对光路调整要求非常苛刻和装置体积较大。 u v 光束 图2 1 相位掩模法制作光栅 u v 光柬 图2 2 全息法制作光栅 ( 3 ) 其它方法 制备光栅方法中逐入写入法是利用聚集激光照排束在光纤在移动曝光面形 成光栅的方法，如图2 3 所示。这种方法要求有带动光斑装置或者光纤移动的微 表2 2 制栅设计相关参数表 指标要求 空间常数 八九3 l n d 模板光栅尺寸 从- 钆一h 。 调制深度h b 【2 ( 1 ) 】 占空比 5 0 电机，电机第一步的步距等于制备光栅的栅距。这种方法通常用于制各长周期光 栅，因为很难把u v 光斑聚集到1 n n 以下晶体分波面干涉法光路较全息法简易 得多如图2 4 所示两分波面上产生干涉条纹，其条纹间距为光栅栅距可表示为： a - a 2 s i n 口厨i 再二忑 式中口为晶体入射角，口为入射角与水平法线间的夹角该法对空间的相干性要 求很高，0 1 度入射角的偏差可引发商达6 纳米的偏差 光纤光疆传摩技术的理论分析与实验探讨 u v 光柬 l 聚焦光学系统 c = = = = = = = = = = = = = = d 图2 3 逐点写入法制作光栅 图2 4 晶体分波面干涉法制作光栅 图2 j 光纤弯曲法制作光栅 2 3 2 非均匀光栅的制作“町相1 ( 1 ) 啁啾光栅的制作 对于连续啁啾光栅的制作，可以直接侧面曝光光制备啁啾光栅。一束平行u v 光经分光镜等分后，再经过焦距不等的两个柱面镜合聚，在空间具有啁啾性质干 涉条纹。通过第三个术面镜的会聚后，在光纤的横向侧面上就会形成强度较大的 啁啾干涉条纹，从而在光敏感的光纤内部写入啁啾光栅 此方法的优点就是通过调节透镜的位置来改变啁啾量的大小，从而得到任意 带宽啁啾光栅。不足之处是对干涉条件要求很高，任何微小的外部扰动都有可能 破坏光的干涉条件，故该方法的重复性差。此外，通过对光敏包层的特种光纤进 行光纤弯曲法也可以制备的光栅呈较好的啁啾性中间过程要采用双曝光法，如 图2 5 ，圈中 5 为干涉条纹周期， 占为u v 光等间距干涉条纹周期和夹角口存在以下关系： 加一 g s 岱，r ) 。式中s 为口光纤弧长。锥形纤芯法、在线应力释放法和锥形光 纤应力释放法在制备啁啾光栅时也有一定的应用 1 1 光纤光栅传感技术的理论分析与实验探讨 对于阶跃啁啾光栅制备而言，利用电子全息技术制备出阶跃啁啾相位掩模 板，再用这个阶跃啁啾的相位掩模板去u v 曝光光敏感光纤，便可直接在光纤上 制备出阶跃啁啾光栅。透镜调节法是用u v 法按步扫描等周期掩模板时，每扫描 一步就调节一次柱面透镜与掩模板间距，改变u v 光的会聚程度，使u v 光每扫描 一步都会得到周期不同的光栅，最终形成所需的光栅。还可通过掩模板的级联来 制备出超长型啁瞅光纤光栅。 ( 2 ) 变迹光栅的制作 变迹光栅是指折射率强度调制沿光纤光栅长度方向按一定规律变化所特种 光栅。实际制作中可用两次曝光法和扫描相位掩模法来制备。前者是由单元u v 光通过啁啾相位掩模板直接聚焦于光敏光纤芯处，写入第一个啁啾光栅之后轻微 拉伸光纤，尔后在同一位置写入第二个啁啾光栅，由于光纤光栅的拉伸作用，两 次写入的光栅周期略有差别，因些极易形成m o i r e 型光纤光栅。后者是用u v 光束 匀速缓慢地扫描固定的逐段啁啾相位掩模，在其下面的光纤对称地固定在两压电 传动器上，加上振荡电压后使得光纤向两个相反方向拉伸，如果振荡时光栅拉伸 为三有函数变化则对长度为l 的光栅位于z 轴处的折射率调制为s i n 2 位上) 。也 可以固定写入光束，让光纤相对掩模匀速缓慢移动。然后在光纤运动上附加一个 线性抖动，光栅中心抖动为0 ，而两边抖动最大，这样可以形成余弦迹 ( 3 ) 长周期光栅的制作 长周期光栅的制作主要有三种方法包括刻槽加热法、电极打火法和弹光效应 法。前两种方法的基本原理一样，都是在光纤芯引入周期性的非对称形变，从而 使光纤芯的折射率发生周期性变化。不同之处，刻槽加热法是用精密切割机在光 纤包层单侧切割出等间距的v 型槽，然后剥去涂层，对v 进行清洗后置于加热工作 台上，v 面对氢气连续或间隔地加热，当光谱仪跟踪到光栅的光谱特性后，加热 完毕用石英封装。电极法则把光纤固定在v 的平面上，通过打火时引入非对称性， 过程中要保持整电极与光纤垂直。由于弹光效应法制备的光栅插入损耗很大所 以一般不用此法 光纤光栅传感技术的理论分析与实验探讨 第三章光纤光栅波导性能分析 光纤光栅是一种参数周期性交化的光波导，其性能分析常用到波导光学中的 耦合模法和分层处理的矩阵法。前者处理模式之间的耦合相当有效，适用性强。 后者计算方便且物理意义更加清晰。 3 1 耦合模理论分析法啪冲” 3 1 1 模式耦合 均匀介质的圆形光波导中不同的的模式之间满足正交关系，而正交归一化的 本征解所描述的光波场分布称为光波导的本征模。这些本征模在传输过程相互独 立，可以线性叠加。在成栅过程中，曝光破坏了光纤的介质的均匀性，产生了微扰 区，使其间的传导模发生振幅的或位相的扰动，发生模式耦合，即本征模之间会 发生能量的转换。在扰动较微弱时，通过“线性叠加”和“慢变近似”处理，可 将光波导的二阶微分方程简化为关于模场振幅变化的一阶微分方程，即耦模方 程考虑到耦合模与微扰源之间的相互作用应满足“谐振”要求，在藕合模方程 中提取出谐振的“两个耦合模式”的一阶微分方程组，再根据边界条件得解析解。 光纤光栅模式耦合主要发生在正( 前) 向基模和反( 后) 向基模之间，其它模式的耦 合忽略不计。以上是耦合模理论分析法的出发点 。 3 1 2 耦合模分析法 ， 如果光波在介电常数( 折射率) 弱微扰的波导中传输，则电极化强度p 由无 微扰项晶和微扰项兄构成，即： 一 p - 晶+ 兄 3 1 ) 式中，昂- e o x e ，t 表示横向，在此光波导中传输的光波电场的波动方程为： v 2 云嗍s 。争怫警 2 ， 联立( 3 1 ) 和( 3 2 ) 式可得： v 2 e - w ，等+ h 等 3 ， 利肘叫苦机2 乱鳓等，- j - 得： v 2 三一v ，2 三矿鳓争 磐鳓孥 ( 3 4 ) 万。鳓节 3 “ 光纤光栅传盛技术的理论分析与实验探讨 由3 1 1 知，微犹，r 庾甲，光坡场的本征模保持不变，任何在光泼导中传输的光 波的横向场都可正交化线性处理，可视成一系列模式场之和且这些模式场都具有 相同的横向场分布，因此可把( 3 3 ) 写在前向和后向导波模及辐射模叠加，前者 用累加，后者必须用积分： e ，仁。y ，：) - 心o ) e x “。饵：) + b 乜) e x p ( + p p ：) + 】岛，o ，y ) e x p ( - i w ) 中一脚【f 和p t - - ，p z 肿 3 上式e t p 和；。分别是l p 导波模和辐射模，p 为第几个本征模，4 0 ) 、彤0 ) 分别是前后向模的振幅，见o ) 是对应辐射模振幅。把( 3 5 ) 代入( 3 4 ) 中， 辐射模传输中损耗很大，所以省略有： 荟【譬笋p ( 哪) + 譬笋脚卜弛掣e x p ( - i p , z ) + 互以! 竽e x 砸岛z ) + 4 ( z 嗨) 2 “p ( - i p , z ) + b q 鹇) 2 e x p ( i ，p 硼z 以州4 吖) = 岛争 鉴于振幅和相位是慢变化即： 尘叁望。兰攀生，尘叁望。掣，忽略相位高次项后有： z 广言乏广言忍瞄捌位丙茯坝庙伺： 荟【哪鼍笋e x p ( - p ，z ) + 辑竺字“脚) + c 】蕊) ，) 一吖) = 一争 ( 3 6 ) 两边同时乘上本征模的复共轭有： 荟【啦警唰嘲加狮掣c x p ( i p ，) + c 】。“一吖) = 鳓争) 。 ( 3 7 ) 当光波导中出现介电微扰f 仁，y ，z ) 时，即出现激励源时，模式之间将产生耦合 并相百奁换熊量e 式右边就是耦合瀣励源当另一模式如第k 模式通过微j ：1 3 ： 1 4 光纤光橱传摩技术的理论分析与实验探讨 匹叼柄苗王u 弟p 俣a 碹苗牟位俣删l b 父任，坷由迈瓦- - y 仕敬寻俣颈圆上皿积积 分，可以求出其它模式是如何通过微扰区和第p 模式的共轭本征模耦合到第p 模式 上的。如图3 1 ，则： 一查字强p ( 嵋加丝字e x 嗍分c 州吖) 茜殍孤蛐 = 一去 户z 加) 锄 c 。8 ， y x z 田3 1 截曲积分圈 出于此物理意义，由( 3 5 ) 式写出第k 个本征模的正向与反向线性叠加形式： e 啦仁，y ，z ) - 芝阮( 力p 啦( b ) r ) e 硪屏：) + 风乜) e 啦o ，y ) e x p ( i p , z ) 坯“一i a h t ) ( 3 9 ) 铺 元f y ，：) 云a g o y ：) 瓦 ( 3 1 0 ) 由( 3 8 ) ，( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 联立得出耦合模方程： 一些字吲哪) + 竺字“脚) c 】叩( 哪) = 一荟乙。，) ) 既幄z ) + 皿仁) 乙o ，y ) c 硎隅列。e x p 一哗) 。墨， ( 3 1 1 ) 热噩，钷卸删；础y ) ；y ) 蛐 ( 3 1 2 ) 为第k ，p 两个本征模之间的耦合系数。上式的右边是驱动前向和后向波的激励 源一个时间和空间周期性变化的激励源作用于一个光波时。两者之间必须具 光纤光栅传摩技术的理论分析与实验探讨 有相同的时同和空同的数翠。 3 。1 3 光栅的耦合模分析 对于均匀的b r a g g 光栅而言，其折射率微扰量为： l m ( z ) - ，i o + a n 翮喀：) ( 3 z 3 ) 为折射率平均变化量。厶( z ) 为折射率调制幅度，a 为光栅周期而相对介电 常数 a e 似y ，：) 一a e ( z ) - 2 ，l 细( z ) ( 3 1 4 ) 由单模光纤制成的光栅主要是正反向传输的两基模间发生耦合，用a 和b 表示振 幅，则由( 3 1 1 ) 可得出其耦合方程： 一掣面诅z ) + 掣e x p ( i p + 矿 篮盘 一1 a ( z ) c x p ( 一目) + 曰( z ) e x 蝴z ) 口墨 ( 3 i s ) 由( 3 1 4 ) 和( 3 1 5 ) 式联立。结合上述基模耦合意义可以推导出 警训z ) e x p i ( 2 a 霹z ) k ( 3 1 6 ) 警- 一a ( z ) e x p f ( - 2 a s z ) k ， ( 3 1 7 ) 根据相位匹配条件，只有相互同步的两个模式间才会发生有效耦合，任意两模式 k 和p 之间的相位匹配条件为： 几- 所+ 珏- “2 - ( 3 i s ) 对于布拉格光栅，模式耦合主要发生在正反向两基模上，故反+ 尻- 2 6 芦，声为 失谐量。 令尺= 彳e x p ( - i a p z ) ，s - b e x p ( i 华z ) 则- r e x p ( i a p z ) ，口- s e x p ( - i a 犀) 代 入( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) 可得； 垒掣= 一i a p r ( z ) + 西d ) 墨， ( 3 1 9 ) d s 如( z ) = j 厣( 力一氓( z ) e ( 3 2 0 ) 把( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) 代入( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) 微分式中可得： 1 d z r r ( z ) = 暇_ 2 一筇2 皿。) ( 3 2 1 ) 争= 雠2 一举2 m ( 3 2 2 ) 光纤光橱传感技术的理论分析与实验探讨 式中，k - 型! 半考虑到边界条件r ( o ) - l 和s ( 工) - o ，l 为光栅长度，再 对上面两方程进行求解得到光栅振幅反射系数和强度反射率如下： 一i k + s i n h v k2 一a 占2 l - - - + , - -y + , - - - r - - p 五面司莓鬲雨瓦不面五丽 即卜萄器 嘲h 2 ( k ，2 一筇2 工) 一言 图3 2 用m a t l a b 分析出光栅的反射谱和透射谱。 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 3 2 光纤光栅波导参数 利用耦合模理论可以较清楚地反映光栅的波导过程，下面以均匀光栅为例说明光 纤光栅几种常用参数。所用的光栅的工艺参数为设均匀f 8 g 长度l = ic m ，有效折射 率为1 4 4 6 ，光栅b r a g g 波长值1 5 5 0 n t o ，分别取折射率调制( z ) 为o o 0 0