（光学专业论文）光纤光栅传感阵列温度在线监测研究——光纤光栅传感系统关键技术研究.pdf

摘要 光纤光栅传感器除了具有传统电类传感器的功能外，还具有分布传 感，抗电磁干扰，精度高，长期稳定性好等优点。近年来，光纤光栅在 建筑和桥梁领域的应用显现出很大的潜力。 本论文主要研究内容如下： 1 从光纤光栅传感原理出发，提出了一种有效避免应变和温度交叉 敏感问题的方法，通过实验测试，实现了应变和温度同时测量。 2 运用相位掩模法刻蚀光纤光栅，该方法对光源的时间相干性和单 色性要求较低，工艺简单，成品率高。 3 通过对掺铒光纤放大自发辐射谱特性和l d 驱动电路的分析，最终 研制出用于光纤光栅传感系统的宽带光源。 4 匹配光纤光栅滤波解调方法( 反射方式) 具有结构简单、造价低 廉等诸多优点，运用m 8 t l a b 的s i m u l i n k 平台对这种解调方法进行了仿 真。 关键词：光纤光栅温度应力解调宽带光源 a b s t r a c t ba d d i t i o nt oh a v 协gt h es 锄e 铀c t i o n sa st h et r 2 商虹o n a ie l e c l r i c s 锄s o r s ，t h ef i b e r 擎a t i n gs e n s o ra l s oh a ss o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s d i s 砸b u 把ds e n s i n g ，r e s i s tt 0e l e c 蜘如啪罂瑶t i ci n t e r f e r e n c e ，h i g hp r c c i s i o n a r l d l o n g t e ms t 出i l i t y i nr e c e my e a r s ，f i b c r 鲫i n g sh a v cs h o w na i l 肌o m o u s p o t e 瓶a lo n 渊蕊n ga p p l i 锶t i o n s i ns m a r ts t r 咖s 姐dc 锄p o s i t e m a t e r i a l s i nt t l i sp a p e r t l l ec o n t e n t sa r cl i s t e da sf o l l o w s ： 1 as o l 丽o nh 觞b e e np r o p o s e df o ra v o i d i n gs 乜a i na n dt e i n p e r a 似r ec r o s s s e i l s i t i z a t i o na c c o r d i i l gt op d n c i p l eo f6 b e r 掣a t i n g s 打面n 锄dt e m p e r a t u r e i sm 朗s u r e db ye 噼) e r i m e n ta tt h es 锄et i m e 2 f m h e rg f a t i n gi sm a i i 畦蛐】r e db y 印p l i c a t i o no fp h 硒em a s km e 柚s ， w h i c hi so fl o wr e q l l i r e m a l to ft i m ec o h e r e n c e 锄dn l o n o c l l m m a t i c i t yf o r 】i 曲t s o u r c e ，s i m p l ec r a 最a n dh i 曲r a t eo f f i n i s h e dp m d u c t s 3 w ep r e p a r e db f o a d b 强ds o u r c eo ft r a l l s d u c e rs y s t e mi n 矗_ b e rg m t i n gb y a n a l y z i n gc h a r a c t c f i s t i c so f 锄p l i 6 c a t i o ns p o n t a l l e o u sr a d i a t i o ns p e c t r l 衄 a n d l d 越v c i n e r b i u m d 0 d e d f i b e l 4 t 1 l es o l u t i o no fm a t c l l i n gf i b e r 冒a t i l l gf i l 乜撕o nd e m o d u l a t i o nh 船m a i l y a d 咖g e ss u c ha ss i m p l ec o n 咖c t i o na 1 1 dc h e a pm a i l u f a c 州n g ，a i l dw e e m u l a t e dt l l i sd e i n o d u l a t i o nb yu s i n gs i m u l i n kp l a t f o 姗o f m a t l a b 量【e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r e s t r 叠i nd e m o d u l a t i o n b r o a d b 8 n dl i g h t - s o u r c e 1 1 弓l 言 第一章绪论 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k0 h i l l 等人首次观察到掺锗光纤 的光敏性，并用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅，由于这种 方法写入效率低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此当时并 未引起人们的广泛关注。直到1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中 心的g m e l t z 等人，用2 4 4 n m 紫外光双光束全息曝光法成功她研制了光 纤光栅，克服了驻波干涉法的缺点，从而在世界范围内掀起了光纤光栅 的研究高潮“1 。此后不久又出现了更加有效的相位掩模复制法和准分子 激光单脉冲在线写入法。光纤光栅研制方法的成熟极大的推动了光纤光 栅应用技术的发展。使得光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具代表 性的光纤无源器件之一。 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率成周期性调制的一种光纤无 源器件，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤光器 或反射镜“1 。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期 以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响到光纤光栅的折 射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的 变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。因此，温度和应变是光纤 光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物 理量的基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应变和温度传感 为基础间接衍生出来的。 随着光通信技术的发展，光通信中的一些技术逐渐为传感领域中的 应用提供了技术平台，以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器已成为 传感领域中的又一大热门m ，。 同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非 常明显的技术优势： 1 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纾光栅对被感测的信息用波长 编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率的波动以及光纤弯曲等 因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性 和稳定性。 2 传感头结构简单、尺寸小，适用于各种应用场合，尤其适合于埋 入材料内部形成所谓的智能材料。 3 抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作。 4 可复用性强，可以采用密集波长复用技术，实现光纤光栅传感阵 列多点或分布式检测。 目前，光纤光栅写入技术的发展，己能够在一根光纤上写入多个不 同波长的光栅制成光栅串。由于光纤光栅轻巧并可以制成光栅串，故可 根据不同的需求，构建点阵、面阵和体阵等多种拓扑结构及传感网络系 统。 光纤光栅的周期和折射率调制深度决定了光纤光栅的光谱特性，从 而制作出不同结构的光纤光栅，由此形成不同的光纤器件。经过多年的 研究，光纤光栅的制作工艺已经成熟，易于形成规模生产，并且成本低。 因此，它具有良好的实用性，它的优越性是其它许多器件无法替代的。 正是基于这些独特的优点，所以研究光纤光栅传感阵列在线监测系统有 着重要的意义和价值。光纤光栅传感阵列在线监测有几部分组成，我们 研究了其中的部分工作：光纤光栅应变和温度同时测量，运用相位掩模 法自行制备光纤光栅，光纤光栅传感系统中的宽带光源和仿真光纤光栅 解调系统等。 1 2 光纤光栅传感的研究现状 近年来，国内外对光纤光栅传感器和各种应用的研究作了大量的工 作”1 ：美国海军研究实验室( a dk e r s e y ) ，多伦多大学航天工程系( p r o f m e a s u r e s ) 和美国b l u er o a dr e s e a r c h ( d r e r i cu d d ) 。他们早在1 9 9 5 年到1 9 9 8 年将光纤光栅埋入桥梁，建筑物甚至飞机的机翼内部来检测内 部结构的应力分布和健康状态。美国国家宇航局( n a s a ) 也计划采用光纤 布拉格光栅传感监测用石墨环氧树脂复合材料制作航天器液体燃料箱 的结构完整性，并已进行了初步实验“1 。美国在波音7 7 7 跟踪复合材料的 温度、应力、应变等物理量变化的实验中，应用光纤布拉格光栅技术取 得了显著成果，这项技术大大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。 国内对光纤光栅的研究也非常活跃，清华大学电子工程系，南开大 学的现代光学研究所，上海光机所，西安光机所等单位对各种不同的光 纤光栅传感器( 温度、形变、压力和振动等) 作了许多研究。通过十多 年的研究和开发，光纤光栅传感技术己取得快速的发展，特别是在光纤 光栅传感机理，光纤光栅制备技术，解调技术，信号检测与处理技术方 面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。2 0 0 3 年以来，哈尔滨 工业大学，北京和上海两家公司也已经开始将光纤光栅应变传感器安装 在大型的桥梁和建筑物内。 目前有些学校和研究所正在进行光纤布拉格光栅传感实用系统 技术研究，但是有一些关键技术问题还有待突破。从大量的文献资料”1 分析可以看出，当前光纤光栅传感器的发展趋势及实际应用中还存在着 些需要解决的问题，它们主要表现在下面几点： 1 光源：光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源。目前 一般采用的侧面发光二极管( e l e d ) 功率较低，而激光二极管( l d ) 的带宽 则较窄。 2 信号解调：实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积也 大，尤其是不能输出与被测物理量成正比的电信号，因此在实用中必须 开发出高效低成本的信号解调系统。 3 光纤光栅基本性质的研究：包括光纤材料光敏本质的机理：光纤 光栅灵敏度、动态范围的提高途径；光纤光栅增敏和去敏的可能方式： 交叉敏感问题的解决途径。 4 波分复用、时分复用的多路传感阵列研究，实现多参数、多变 量同时测量的智能化遥测是发展的重点。 5 进一步完善现有光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法， 尤其是啁啾光栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命。 1 3 论文研究目的和内容 本课题是广东省科技计划项目“高压电力设备光纤光栅传感阵列温 度在线监测和报警系统”( 项目编号2 0 0 4 8 1 6 0 0 1 2 3 0 ) 的一部分，本课题 的研究采取与实际工程应用相结合的研究方法。依托新诺科技( 中山) 有限公司和暨南大学的有关试验条件，开展了一些试验研究，解决该项 目在实际工程应用中的一些基本问题。 本论文的主要研究内容如下： 1 首先分析了光纤光栅光谱特性，从光纤光栅传感原理出发，提出 了一种有效避免应变和温度交叉敏感问题的方法，实现了应变和温度同 时测量。通过实验测试，光纤布拉格光栅应力在o 一6 0 0ue 范围，温度 在2 0 一8 0 范围内，实验结果和理论分析基本一致，并且光纤布拉格 光栅在这个范围内具有很好的线性。初步证明了光纤布拉格光栅温度和 应力同时测量方法的可行性。 2 运用相位掩模法刻制光纤光栅，这种方法的最大优点是写入布拉 格光栅的周期仅由相位光栅掩模的周期和写入光束的方向决定，而与写 入光的波长无关。对光源的时间相干性和单色性要求较低，工艺简单， 重复性好，成品率高，便于大规模生产。 3 分析掺铒光纤的放大自发辐射谱的特性，可以得出当泵浦功率一 定时，存在一个最佳光纤长度，此时a s e 谱的增益最大。对l d 的驱动 电路( 光能量控制电路和温度控制电路) 进行分析，并在此基础上研制 出用于光纤光栅传感系统的宽带光源。这种宽带光源采用双泵浦l d 激 发掺铒光纤，与单泵浦l d 激发掺铒光纤相比，提高了泵浦源的输出功 率，使得e d f 都得到了充分的放大，最终获得高达2 0 6 m w 的输出功率。 同时优化光纤参数与光纤长度，光谱具有较好的平坦度，带宽达到3 0 n m 。 4 分析干涉法和滤波法两种解调技术，讲解各种解调方法的同时， 对各自特性进行了比较，从而得出匹配光纤光栅滤波解调方法( 反射方 式) 具有结构简单、造价低廉等诸多优点，所以我们运用m a t l a b 的 s i m u l i n k 平台，对这种解调方法进行仿真，并且对仿真结果进行了细致 的分析。 4 第二章光纤光栅理论与温度传感实验 2 1 光纤光栅的结构和传感原理 光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传 输的特定频率的光波，从原来前向传输限定在纤芯中的模式，耦合到前 向或后向传输限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射或反射 光谱特性嘲。 光纤光栅可分为两大类：一类是光纤布拉格光栅( f b g ) ，也称为反 射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数量级。光纤布拉格光栅 的作用，相当于一种波长可以选择和带宽可以调节的窄带反射元件。另 一类为光纤透射光栅，也称为长周期光纤光栅，光纤透射光栅的周期约 为几百微米，其主要作用相当于一个透射特性( 透射翠、带宽、形状) 可以调节的滤波元件。本文所研究的光纤光栅均为光纤布拉格光栅。 光纤布拉格光栅( f b g ) 是利用掺杂光纤的光敏性，通过某种工艺 方法使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率 沿纤轴方向周期性( 或非周期性) 地永久性变化，在纤芯内形成空间相 位光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布拉格光 栅效应，如图2 1 所示： 薰酶一、， 反射光xbi h 图2 1 光纤光栅结构示意图 光纤光栅必须满足相位匹配条件： 筇= 届一反= 兰 ( 2 1 ) 、 其中人为光栅周期，属、厦为耦合模的传播常数，前向传播为正， 后向传播为负，为耦合模之间的传播常数差。 根据光栅周期a 的长短不同，周期性的光纤光栅分为短周期和长周 期光纤光栅两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波( 宽带) 在其中 传播时，两个反向传播的芯模( 导模) 上昂。之间产生能量耦合，形成特 定波长如的反射波，前向传播的城。模届= 属，后向传播的三r ，模 崩一反，两耦合模的传播常数差筇= 2 岛较大。根据相位匹配条件 ( 2 1 ) 式可知，这时光栅周期a 很小，一般小于1 册。这种光栅称为 布拉格光栅，反射光的中心波长厶称为特征波长，f b g 的反射光波中心 波长为： 厶= 2 a ( 2 2 ) 式中7 谤为纤芯的有效折射率，当b r a g g 光纤光栅只反射满足b r a g g 条件波长光，其余波长的光可以无损耗的透过。 f b g 的传输特性如图2 2 所示： 输入谱。f b g 透射谱 ( a ) x 。 b r a g g 波长的反射光带宽( 半峰值宽度) 为： 吣钳2 槲| l 2 b r a g g 波长的反射率为： 月。一2 吲 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 中为光栅长度；血为纤芯折射率变化幅值，强 为纤芯折射率。 由式( 2 2 ) 知光纤光栅的布拉格中心波长，对式( 2 2 ) 求导可得： 塑：生+ 坐( 2 5 ) ah人 由式( 2 5 ) 可见，布拉格波长随有效折射率嘎，和光栅周期a 的变 化而变化，而折射率和光栅周期的改变与温度和应力有关。应力和温度 分别通过弹光效应与热光效应影响折射率，通过长度改变和热膨胀效应 影响光栅周期，进而使光栅布拉格波长发生移动“”。 折射率和应变、温度的关系为： 鲁= 一导一2 【( 1 - ) e ：一朋。】s + 弘r = 一只+ 弘丁 ( 2 6 ) 式中为泊松比；最，为光弹性张量的酱克尔压电系数：只为有效 弹光系数；f 为热光系数，它们是与光纤材料有关的常数。 光栅周期和应变、温度的关系为： 坠：+ t( 2 7 ) a 式中n 为热膨胀系数，是一个与光纤材料有关的常数。 由式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可知布拉格波长与应变和温度的 关系为： 竺娑= ( 1 一p ) + ( + ) t ( 2 8 ) 由此可见，光纤光栅传感器一直存在着应变和温度交叉敏感问题。 2 2 光纤光栅应力和温度同时测量 本文根据光纤光栅传感原理，提出了一种有效避免应变和温度交叉 敏感问题，实现应变和温度同时测量的方法。采用线型阵列，选择弹性梁 作为衬底材料，将其中一个光纤光栅阵列的两端用环氧树脂牢牢粘在弹 性梁上，使其只受温度的影响，免受任何外界应力的影响。将另个光纤 光栅阵列处于自由状态，当给光纤光栅阵列施加应力时，它将同时感测 应力和温度的影响。将两个光纤光栅阵列靠的非常近，使其可以反映同 一被测点的应变和温度。 2 2 1 系统的组成 本系统主要由宽带光源、1 2 光开关、待测光纤光栅阵列、温度控 制箱、应力计数器和光谱仪等六部分组成，系统如图2 3 所示： 图2 3 传感阵列温度和应变i 霹时测量 光纤光栅调谐滤波原理：光纤光栅在温度和应力作用下，其反射率 和栅格周期将发生变化，导致光纤光栅的反射峰值波长( 或透射峰值波 长) 发生移动。这种光纤光栅的反射峰值波长( 或透射波长) 随外界物理 量变化而移动的现象可应用于传感领域。同理，主动地改变外界条件以 控制光纤光栅反射波长的做法称为光纤光栅的调谐。 选择弹性梁作为衬底材料，将光纤光栅阵列f b g l 的两端用环氧树 脂牢牢粘在弹性梁上，使其只受温度的影响，免受任何外界应力的影响。 将光纤光栅阵列f b g 2 处于自由状态，当给光纤光栅串施加应力时，它将 同时感测应力和温度的影响。将两个光纤光栅串靠的非常近，使其可以 反映同一点的被测应变和温度。应力对光纤光栅的影响是由于栅格周期 的变化以及弹光效应造成的，温度对光纤光栅的影响是由于热膨胀效应 和热光效应引起的。假设热效应与应力导致的应变对光纤光栅的影响是 独立的，则光纤光栅波长变化与温度及应变满足以下线性关系： 如l = 坼l r 厶2 = 耳2 r + 2 根据式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 变化量分别为： r ：鲺 k r l ：垒生二! 堡21 生l2 垒叠 疋： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ，可以测得被测温度变化量和轴向应变 ( 2 1 1 ) ( 2 12 ) 2 2 i2 系统测试和实验分析 从实际现有的实验条件出发，根据图2 3 结构搭建实验测试系统。 实验系统各光路器件均通过f c p c 专用光纤连接器连接，系统温度调节 范围为2 0 一8 0 。将两个传感光纤光栅阵列置于温度场中，传感光纤 光栅阵列f b g 2 的一端固定在梁上，另一端连接在拉力计数器上，通过 拉力计来改变光纤光栅应力的大小。 实验时，先将温控箱的温度稳定在室温2 0 ，传感光纤光栅阵列 f b g 2 处于自由状态，此时拉力计的读数为零。通过调节温控箱的温度 控制系统，使温度缓慢上升到8 0 ，温度每升高5 的同时，光纤光栅 阵列f b g 2 增加5 0 ue 的应力。然后使温度从8 0 缓慢下降到2 0 ， 温度每下降5 的同时，光纤光栅阵列f b g 2 减少5 0 u 的应力，即温 度每升高或者降低5 的同时，拉力计的读数就增加或者减少5 0 i le 。 整个测试中温度的测试范围是从2 0 到8 0 ，应力测试的范围是从 o 一6 0 0ue 。记录测试系统显示的数值，经过多次从复测试，并且对测得 的数据取平均值。实验中我们以1 5 4 8 1 0 0 n m 的光纤光栅作为代表来分 析它的温度和应力特性，实验数据如表】和表2 所示。 实验数据 9 袭2 光簿毙攘庭力交纯锲l 量篷 通过数据分析，图2 4 中光纤布拉格光栅( 简称为光纤光栅) 的波长 漂移量与濑度的关系为“”； 五篇o 9 9 l 1 0 _ 2 r o 2 1 4 ( 2 1 3 ) 图2 4 光纤光栅温度和波长变化的关系 通过数据分析，图2 5 中光纤稚拉格光掇的波长漂移熬与拉应力的 关系为“8 ： 丑= 1 0 1 3 l o 一3 窖一5 8 5 9 】o 一3 ( 2 1 4 ) l o 纛亨_ 广_ = 一_ _ _ 一 匿整墅受銮勰胖 离藜勰f 蕊i 麟签。一“ 疑母毋毋毋 应力 图2 5 光纤光栅应力和波长变化的关系 2 3 小结 通过对光纤光栅光谱特性分析，从光纤光栅传感原理出发，提出一 种有效避免应变和温度交叉敏感问题的方法，设计光纤布拉格光栅应变 和温度同时测量的实验模型，并且进行测试。通过实验测试，光纤布拉 格光栅应力在o 一6 0 0 | l 范围，温度在2 0 一8 0 范围内，实验结果和 理论分析基本一致，光纤布拉格光栅在这个范围内具有很好的线性，初 步证明了光纤布拉格光栅温度和应力同时测量方法的可行性。光纤光栅 温度和应力同时测量方法的可行性，为光纤布拉格光栅传感技术提供了 基本的研究思路，并为其深入研究和实用化奠定了一定的实验基础。 o o o o 0 o o 信cv罩制半嚣 第三章光纤光栅的制备 3 1 光纤光栅的刻制方法 目前普遍采用的光纤光栅的刻制方法是横向写入法，光从光纤侧面 照射来改变光纤的折射率分布，这种方法增加了光栅写入的自由度，可 以制作成不同周期、不同长度、不同位置及不同形状的光栅。具体的刻 制方法主要有纵向驻波干涉法、双光束干涉法、逐点写入法、相位掩模 法“州。 3 1 1 纵向驻波干涉法 加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人首次发现光纤光敏性的方 法。它利用注入光纤的入射光和从光纤另端面返回的反射光在光纤内 形成驻波，经过一定时间曝光后光纤芯的折射率形成周期性分布而制成 光纤光栅。 l 羹篙耥卜n ( 圃圃吁j 渺t l 竺竺竺! i u 嚣裟一l q l 匡h 掣 如图3 1 所示，入射的u v 光经分光镜分为两束光，经反射镜后相交 于光纤上，产生干涉条纹。由于光纤经一定时间的照射，在光纤纤芯内引 起与干涉条纹相同分布的折射率变化，从而在光纤上写出正弦分布的体 光栅干涉条纹间距d 由两柬光的夹角决定： d ：墨( 3 1 ) 式中x 为照射的u v 光波长，e 为两束光夹角的1 2 ，通过调整e 角可以得到任意的d 。也就是说，通过调整e 角可以得到任意纤芯上的 2 党凝蠲蒴。姣& 鑫鬈g 方程弼褥瑟： 旯。苎2 h 八 ( 3 2 ) 式中气为b r a g g 光栅的中心反射波长，n 为纤芯的折射率。 驻波予涉法刽俸兜纤光楗戆像点是装鬟较箍肇，缺点楚8 r a g g 反射 波长仪由麓入光波长决定，而且写入效率低，光棰搬长疆i l l 的实验中光 栅长度为米) 。 3 1 2 双光束全息干涉横向写入法 如图3 2 所示，这种方法是l 8 9 年美国东哈特福联龠技术研究中 心的g m e l t z 等人首先实现的。将一小段掺锗光敏裸光纤谯两束相千紫 势必束交爨区域掰形残魏于涉场孛瀑竞，弓；踅绎芯辑射搴戆震蘩棱镜动， 从懈形成光栅。 痰镀疆巍好显徽糖镜 援3 2 双巍衮全爨干涉横岛写入法装爨 紫外光源由工作波长范围为4 8 6 5 0 0 n m 的可调谐准分子泵浦染料 激光器经倍频得到，其输出波长正好位于2 4 4 衄的锗硅玻璃缺氧缺陷带， 莠其毒足够豹柽予长度。紫终宠窳被努寨镶分为强度稻等豹话柬，然嚣 再经两个反射镜后相互交爨，形成疆直于光纤轴向的干涉条纹。与纵向 驻波干涉法相比，紫岁 双光荣全息予涉攮两写入法豹写入效率大大提毫， 并甑可以遴过改交两个干涉光束之闻静夹筠来调熬光襁的躅麓，翁于获 得所希望的b r a g g 反射波长。这大大促进了对光纤光栅的研究并在世 爨菠爱痰熬起了熬绥走掇鹃磅究嶷澎。毽这耱方法邈套葵缺点：一是薅 光源的相干性要求较高，二是对系统的稳定性要求较高。 3 1 3 点光源写入法 这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等间距的曝光，使光纤 芯的折射率形成周期性分布而形成光纤光栅。1 9 9 0 年加拿大通信研究 中心的k 0 h i l l 等人采用2 4 8 n m 的k r f 准分子激光在光纤中逐点写入 栅距为5 9 0 微米的光栅，该光栅可以将光纤中传输的基模耦合到高阶 模。1 9 9 3 年，该研究组又制成了栅距为1 5 9 微米的光栅，并在1 5 0 0 n m 处观察到三阶b r a g g 衍射，实验装置如图3 3 所示。 图3 3 点光源写入法装置 由k r f 准分子激光器发出的高功率2 4 8 n m 紫外激光脉冲垂直照射在 缝宽为1 5 微米的狭缝光阑上，个透镜( n a o 2 5 ，f = 1 5 咖) 将狭缝光阑 成像在光敏光纤上，引起光致折射率变化，从而形成光栅的一个单元，每 个单元的宽度约为o 7 微米。在写入一个光栅单元后，借助于一个由干 涉仪铡控的精细平移微调架，将光敏光纤沿平行于光纤轴向移动长度等 于光栅周期的一段距离，然后写入另一个光栅单元。通过重复平移和曝 光过程就可以在光纤中逐点写入光栅。整个写入过程，包括准分子激光 器的触发和光纤平移都是在微机控制下自动完成的。最后，又报道了采 用l o 6 微米自由空间波长c 0 2 激光脉冲在光敏光纤中逐点写入长周期光 栅的实验结果，不需价格较贵的准分子激光器，使光纤光栅的写入更加 方便。逐点写入的优点是灵活性高，周期容易控制，对光源的相干没有要 求；缺点是需要亚微米间隔的精确控制，难度较大，受光点几何尺寸限制， 光栅周期不能太小，适于写入长周期光栅。 3 1 4 相位掩模复制法 这种方法是将光敏光纤贴近相位光栅掩模，利用相位光栅掩模近场 衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性扰动，从而形成光 纤光栅。 3 1 4 1 方波型相位光栅掩模的近场衍射特性 。+ a 。、lk 2 图3 4 允许通过相位光栅掩模时产生的相位延迟 如图3 4 所示，设相位掩模前表面1 的光场是单位振幅、相位为零 的平面波，掩模对光强的吸收忽略不计，假定掩模板的透过率函数为： 式中j = o ，l ，2 ；识，仍分别为光波经过相位掩模的齿和 槽时产生的位相延迟，a ，为相位掩模的周期。 诌= 兰 ( d + ) c o s 研 ( 3 4 ) 仍；等吣。s 6 l + 缸概日 ( 3 5 ) 式中是相位光栅掩模材料的折射率，q 为入射角，叫为折射角，d 为掩模厚度，h 为齿高。 相位光栅掩模后表面2 的光波场可表示为： e ( z ) = e x p ( f 兰三x s i n f ( x )( 3 6 ) 式中相因子e x p ( f 兰xs i n a ) 是平面光波以岛角入射到相位光栅掩 ” 孚 噼竽 卜州 栅 魄 州 嘣 ，、，【 l f 力以 模上形成的相位分布。将相位光栅掩模后的光波场用傅立叶级数展开： 粥= 础等滴p ) 霎c _ 哪等x ) 慨， 其中展开系数： 苎 g 2 击一上m 删一若舳 慨8 ， 积分后得到： c 0 = 寺【c x p ( 确) + e x p ( 识) 】 巳= 掣【e x p ( 娩) 一e x 砸吼) 】妊l ，2 ) 于是可知零级衍射光波和m 级衍射光波的相对光强分别为： 厶= | c o l 2 = 寺f 1 + c o s 渤一吃) 】 ( 3 9 ) ；蚶= 警【1 _ c 。s ( 纯刊】( m = + l ，2 ) ( 3 1 0 ) 由( 3 1 0 ) 式可知，相位掩模的高级衍射波强度较弱，通常只需考 虑零级和1 级衍射波，而且l 级衍射波的强度相等。 相位光栅的第m 级衍射光波的衍射角可由下面的光栅方程决定： s i n 巩_ s i n q ：m 之 ( m - o ，+ l ，2 ) ( 3 1 1 ) 式中已为第m 级衍射光波的衍射角，由( 3 1 1 ) 式可以确定一定 入射角下相位光栅的最高级衍射级次。 3 1 4 2 写入光正入射 当 p m 九时，正入射才会产生高级衍射光，且正、负级衍射光 相对于入射线左右对称，如图3 5 所示。 爨3 ，5 爱波遴过程位巍攘掩摸赫发生餐射( 正a 蘩 仍然只考虑零级和出1 级衍射波，设这三列平面波猩相位光栅后表 霹2 的复振幅分别为： 为 蕊( x ) = 4 量l ( x ) = 建1e x p ( i 莪s i n 篷l x ) ( 3 1 2 ) ( 3 i 3 ) 墨l ( x = l l e x p ( i k 8 i n 敛l x ) ( 3 1 4 ) 三列波的叠加为： e ( x ) = 或( x ) + 墨l x ) + 曩l ( x ) = a 十以l e x p ( i k s i n 舅t x ) + 4 t e x p ( i k s i n 眭l x ) ( 3 1 5 ) 干涉场的强度分布为； 疆磅= 星o ) 霆( x ) = ( 名+ 2 露) + 4 珠4c o s ( 七s i n 最) + 2 彳c o s ( 2 七s i n 妒耳) ( 3 1 6 ) 式( 3 i 6 ) 第二项袭示零缀和l 缀衍射波的干涉，干涉条纹周期 枷= 2 簧【l + e o s f 2 老s i n 龟x 瓣= ， o ) ，就有净增益。因此。 对于一定的功率，当掺铒光纤长度l 满足笔笋吒( v f ) 一( v f ) = o 时，应 存在个最佳长度。 掺铒光纤净增益系数g ( v ，l ) 是对( 4 8 ) 式沿光纤长度的积分； g。一，上，：r岛。叩，一!掣出 。， z “ 利用已有的掺铒光纤各波长的吸收、发射截面的参数，并使用掺铒 光纤的一般阈值彬= 5 埘矽，将( 4 9 ) 式进一步简化为： 啪棚= f 型筹出 根据此式，对1 5 5 0 n m 通信窗口具有代表性的几个波长进行了归一 化模拟计算，得到5 m 和9 m 长的掺铒光纤在不同功率下的g 值，如表 4 1 所示( 表中所列数据为归一化后的g 值，所做曲线体现a s e 谱的变 五( 啪) 1 5 2 71 5 3 21 5 3 61 5 4 31 5 6 01 5 7 0 l m2 巴 4 78 35 _ 35 24 73 7 l 一。z | | a 1i 涵9们2舵8 ，1 8，1 7 弓 肋 1 01 4 o- 1 1 o7 25 7- 2 23 o 2 0 一7 o 1 2- 1 o o 1 32 5】1 3 00 39 25 76 47 65 3 5 4 0 7 01 9 11 2 1 1 2 4 1 2 ，5 9 4 5 01 3 ，22 7 21 7 31 7 41 6 51 2 7 6 01 6 93 2 42 0 62 0 s1 9 11 4 8 2 02 5 6- 2 0 4一1 3 61 0 94 5- 5 6 3 01 7 8- 9 56 54 20 91 1 4 0一9 5 2 10 9 2 8 6 63 6 9 5 01 11 3 98 59 91 2 48 4 6 07 3 2 5 71 6 2”21 8 31 3 3 7 01 5 63 6 4 2 3 7 2 4 2 2 4 01 8 1 表4 1 不同长度的掺铒光纤在不同泵浦功率下的规范化增益系数 在得到上面的结果时，采用了r l o u d o n 剜的假设( 即或( z ) 大于2 倍的p ：时，取线性衰减，当p 。( z ) 小于2 倍的以时，取指数衰减) 。图 4 3 的结果表明，泵浦光功率较小时( 如图4 3 中1 0 m w ) 吸收大于增益， 1 5 3 0 n m 的吸收大于较长波长的吸收，而1 5 6 0 n m 附近的吸收最小，所以 1 5 6 0 衄处的增益大于1 5 3 0 n m 的增益：随着泵浦光功率的逐渐加大，谱 线在1 5 3 2 n m 附近出现峰值，但小于1 5 6 0 n m 附近的峰值，在1 5 3 6 珊附 近形成一个低谷，1 5 3 2 姗处峰值随泵浦光功率的增长速度远大于 1 5 6 0 n m 附近峰值的增长速度。假设泵浦功率固定在5 5 m w ，考虑不同长 度的掺铒光纤的荧光特性，分别在图4 4 和图4 5 以及表4 1 中显示。 从中可以看出：对于同一波长，相同的泵浦功率下，不同长度的掺铒光 纤输出的a s e 谱功率差别很大，一般要随掺铒光纤长度的增加而增加。 增加到某一长度达到最大( 定义此长度为定功率下此波长的最佳长 度) ，此后，随光纤长度的继续增加，a s e 谱的输出功率开始下降。存 在这种现象是因为随掺铒光纤长度的增加，泵浦功率一直在减小。在最 佳长度时，泵浦功率所能带来的增益恰好等于掺铒光纤的损耗，大于最 佳长度时，掺铒光纤的吸收损耗大于增益，所以a s e 荧光功率开始减小。 从表4 1 中可以看到，1 5 3 2 唧处的吸收系数明显大于其它波长的吸收 系数，所以图4 4 中它的衰减最大。 1 5 l s 3 0 1 5 4 0 1 5 5 01 5 6 0 l 0l s 图4 35 米e d f 在不同的泵浦功率下的归化a s e 谱理论曲线 图4 4 不同长度的光纤的a s e 谱图4 5 用不同波长激发不同长度 的光纤的 s e 谱 表4 1 给出了在相同的泵浦光功率下，增益、光纤长度、波长的关 系。从中发现相同的泵浦功率下，同一根掺铒光纤在不同波长上的最佳 长度也是不同的。 m o m 隐 煞 4 2l d 特性及其驱动电路的分析 l d ( 激光二极管) 是一种能使电信号转换成光信号的高效转换设备， 在激光二极管中，激活区的宽带非常窄，这导致了很高的电流强度，大 量的电子被射入一个很窄的区域导致了粒子数反转和受激辐射，当增益 超过损耗时，单色的具有相干性的激光就产生了。激光二极管的输入是 正向( 驱动) 电流输出是光功率。当正向电流较小时，激光二极管象普 通乙e d 一样工作，但是当正向电流达到阈值时，粒子数反转产生，阈值 电流是激光二极管的一个关键特性。激光二极管的输入一输出特性曲线 如图4 6 所示： g 褂 雷 丑 集 阈值电流正向电流m a 图4 6l d 的输入一输出特性曲线 该图的曲线斜率表明l d 的另一个关键特性：斜率效率表示激光二 极管将输入电流转换为输出光功率的效率，对于最好的l d 这个值可以 达到o 1 w i i l a 。然而，这个斜率效率也与温度有关，为了控制激光二极 管的特性随温度的变化用一个热电冷却器使l d 的温度几乎保持不变。 l d 驱动电路有两个部分，一部分是能量控制电路，由于激光二极管 是电流驱动器件，将外加电压转换为驱动激光器所需的恒定电流。另一 部分是温度控制电路，对激光二极管提供恒温控制。 4 2 1 光麓量控制电路 为了传输正确的指令，精确的控制l d 的光输出能量是必要的。光 能量控制电路的功能是维持极电流在适当的水平，使用一个闭环反馈电 路来控制极电流，从而维持l d 输出能量稳定连续，l d 的光能控制电路 如图4 7 所示。 图4 7 电路器件功能分析： 互导放大器( u l a ) 把监测的激光二极管的电流转变成电压。r 3 、 c r l 和v r l 产生一个可调的参考电压，积分放大器u l b 将参考电压与监测 电压进行对比，并且输出电压差。u l c 、q l 和电阻r 5 一r 1 0 形成电压流转 环，供应给激光二极管负极，集成放大器调节激光二极管负极使得监测 电压等于参考电压。这样就形成了一个功率控制电路，对l d 的输出功率 进行控制。 r l 4 2 2 温度控糊电路 图4 7 光能控制电路圈 激光二极管l d 的温度控制电路包括一个热电冷却器( t e c ) ，它是 一种将热量从一个地方传到另一个地方的热泵，它的功能是保持激光二 极管的正常工作温度。当l d 工作时，自身总会发热，温度不断升高， 这对l d 的稳定工作不利，热泵可将器件的热传给散热片，降低自身的 温度。对热泵散热能力的控制必须要外加自动温度控制电路，这个温度 控制电路调节热电冷却器来维持适合l d 工作的温度。激光= 极管l d 的 温度控制电路如图4 8 所示。 图4 8 电路器件功能分析： r l 、r 2 、r 6 、r 7 、d 1 和u l c 产生一个参考电压用于电路的其它部 分。r 2 和激光电热调节形成电压隔离。u 1 a 对这个电压进行缓冲并且对 比u l b 终端的参考电压，这个参考电压是由r 3 和r 5 产生。参考电压和 缓冲电热调节电压驱动集成放大器u l b ，u 1 b 的输出电压驱动一个双极 的变压器u 2 a ，u 2 b 的输出电压受到t e c 的控制。连接t e + 和t e 一，当电 流从t e + 流到t e 这样就是实现了对l d 芯片的降温。 图4 8 温度控制电路图 4 3 宽带光源的研制 4 3 1 实验装置 实验采用如图4 9 所示装置，用两个9 8 0 i i i n 激光二极管( l d ) 作泵浦 源，中心波长为9 7 9 0 4n l l l ，阈值电流为2 7 8 i i i a 。激光二极管尾纤输出光 功率随电流( 从阈值电流点起) 基本上呈线性关系。掺铒光纤为武汉烽 火通信科技股份有限公司生产，所用e d f 的长度选择为2 5 m ，掺铒浓度大 于9 术1 0 一，光纤数值孔径为：n a = o 2 0 ，外径：d = 1 2 5 口m ，模场直径为 6 8 肌，截止波长为9 6 0 n m ，9 8 0 n m 峰值吸收为8 6 d b m ，1 5 3 0 n i i l 附近峰值 吸收为1 4 2 d b 。所用的光纤反射镜是由根端面镀膜的光纤构成，反 射率为6 0 ，其作用是反射前向荧光：耦合器的插入损耗小于o 1 d b ： 光隔离器的插入损耗约o 5 d b ，隔离度大于5 0 d b 。两个泵浦光直接激励 e d f ，实验中工作电流为1 3 0 i i l a ，其荧光谱经过一个与偏振无关的宽带光 隔离器后，由光谱仪检测。光隔离器的作用是防止信号光的自激振荡及 传输光路中的光反馈。 回 图4 9 双泵浦结构宽带光源结构示意图 4 。3 2 实验分析和结论 提高整个装置的输出功率有以下几个途径：( 1 ) 增加泵浦源的输 出功率；( 2 ) 提高反射镜面的反射率；( 3 ) 减小光路的连接损耗；( 4 ) 优化e d f 的长度。 若采用单泵浦l d 激发e d f ，当e d f 的长度达到某个临界值时，其 输出功率达到最大。超过这个临界长度后，其输出功率随着e d f 长度的 增加没有明显变化，这主要是由泵浦源的有限功率造成的。由于泵浦源 功率有限，当e d f 较长时，只有靠近泵浦源的e d f 起到放大作用，远离 泵浦源的e d f 即不起放大作用，也不起衰减作用。采用双泵浦l d 激发 e d f ，提高了泵浦源的输出功率，使得e d f 都得到了充分的放大，最终 获得高达2 0 6 m w 的输出功率。通过比较显然使用双泵浦l d 激发e d f ， 可以获得更高的输出功率。 由于e d f 在1 5 3 l n m 和1 5 5 0 n m 附近有两个吸收峰，当e d f 的长度为 定值的时候，起初泵浦功率较小的时候，粒子数反转不充分，输出的 a s e 光谱主要集中在长波长范围( 1 5 5 0 咖附近) 。主要是由于当泵浦功 率较小时，短波长范围内的a s e 光被铒离子重新吸收，成为二次泵浦源。 随着泵涌光功率的增加，粒子逐渐得以反转，输出光偏向于短波长方向， 主要特征为1 5 3 1 n m 附近的光具有相对较强的吸收能力，出现一个较为 明显的峰值，且峰值处的增长速度远远高于其它处波长。由于在1 5 3 1 n m 处出现吸收峰，使得光谱的强度差降低，形成3 d b 带宽的展宽。通过选 取合适的掺铒光纤长度，就可以使e d f 的吸收和放大作用达到平衡，使 3 d b 带宽达到最优值。实验中，优化光纤参数与光纤长度，所得3 d b 带 宽达到3 0 n m ( 波长范围1 5 3 0 n m 到1 5 6 0 n m ) 。 图4 1 0 宽带光源输出光谱图 测试结果如图4 1 0 所示，宽带光源的功率达到2 0 6 m w ，3 d b 带宽 达到3 0 n i n ，宽带光源的实物图如图4 1 l 所示。 图4 1 l 宽带光源实物图 4 4 小结 本节在速率方程的基础上，推导了描述a s e 谱的净增益系数的表达 式，得到了长度不同的掺铒光纤在不同泵浦功率下的净增益系数和理论 曲线。证明当泵浦功率一定时，存在一个最佳光纤长度，此时a s e 谱的 增益最大。对l d 的驱动电路( 光能量控制电路和温度控制电路) 进行 分析，并在此基础上研制出用于光纤光栅传感系统的宽带光源。这种宽 带光源采用双泵浦l d 激发掺铒光纤，与单泵浦l d 激发掺铒光纤相比， 提高了泵浦源的输出功率，使得e d f 都得到了充分的放大，最终获得高