（光学工程专业论文）新型光纤布拉格光栅动态应变解调系统研究.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 y 8 3 3 1 5 摘要 光纤布拉格光栅( f b g ) 传感器已成为光纤传感器中重要的一类。f b g 传感 器主要采用其谐振波长漂移进行精确测量。相比电子传感器，它具有电磁不敏感， 可分布远程监测等优点，因此在民用及工业等领域具有广泛的应用前景。 解调技术关系着传感器的工作方式、应用范围和性能，因此研究新型的解调 技术，并进一步设计高性能f b g 传感器，是一个非常重要的研究方向。 基于f b g 光谱定制能力，本文设计并制作出了一种f b g 三角形滤波器，并利用 该f b g 滤波器实现了一种新型的f b g 动态应变解调方案。实验中，f b g = 角形滤波 器通过引入周期啁啾和折射率调制变迹而实现。在用于解调另一个波长匹配的 f b g 传感器动态应变测量信号中，我们通过与应变片测量结果比较，验证了该系 统能有效实现动态应变测量。由于系统简单，无源，结构紧凑，可以制作成便携 式的解调模块，因此可望在动态测量中得到广泛的应用。 本文所作的主要工作包括： ( 1 ) 在简要总结了f b g 传感技术的基本原理后，对其传感特性及解调技术进行了 较为全面的分析； ( 2 ) 提出了一种基于f b g 三角形滤波器的新型解调方案，并对f b g 三角形滤波器的 设计进行了数值分析； ( 3 ) 研究了光纤光栅制作方法，并采用紫外扫描曝光法制作出了啁啾变迹f b g 三 角形滤波器： ( 4 ) 采用自制f b g 三角形滤波器及f b g 传感器，进行了悬臂梁动态应变测试实验； ( 5 ) 总结了实验结果，并对其应用前景进行了展望。 关键词：光纤布拉格光栅，三角形滤波器，信号解调技术，动态应变测量 浙江大学工程硕上学位论文 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r sh a v eb e c o m eo n et y p eo fm o s ti m p o r t a n t f i b e r - o p t i cs e n s o r s t h es e n s i n gm e c h a n i s mo faf b gs e n s o ri sa l w a y sb a s e do nt h e p r e c i s ed e t e c t i o no fi t s r e s o n a n tw a v e l e n g t h c o m p a r i n g 、v i t lt r a d i t i o n a le l e c t r o n i c t r a n s d u c e r s ，f b gs e n s o r sp o s s e s ss o m ei m p o r t a n ta d v a n t a g e s ，e g i m m u r i n gt o e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dr e m o t i n ga n dm u l t i p l e x i n gs e n s i n gc a p a b i l i t y ，a n dh a v ea w i d e l ya p p l i c a t i o n si nc i v i lo ri n d u s t r i a la r e a s s i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo fs e n s o rd e c i d e s t h ew o r km o d e ，s e n s i n g a p p l i c a t i o na n dp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct od e v e l o p n e ws i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dd e s i g nn e wt y p eo fh i g h - p e r f o r m a n c ef b g s e n s o r s b a s e do nt h ef b g ss p e c t r u mt a i l o r i n gc a p a b i l i t y ，w ed e v e l o paf b g b a s e d t r i a n g u l a rf i k e r ，a n de m p l o yt h i s f i l t e rt or e a l i z ean e wt y p eo ff b gb a s e d d y n a m i c - s t r a i ni n t e r r o g a t i o ns y s t e m i no u re x p e r i m e n t s ，af b gt r i a n g u l a rf i l t e ri s f a b r i c a t e db yi n t r o d u c i n gt h ec h i r pi n 掣a t i n gp e r i o da n dt h ea p o d i z a t i o ni ni n d e x m o d u l a t i o n 1 1 1 i sf b gt r i a n g u l a rf i l t e rh a sb e e nu t i l i z e dt od e m o d u l a t et h e d y n a m i c s t r a i ns i g n a l o fa n o t h e r w a v e l e n g t h - m a t c h e df b gs e n s o r t h r o u g ha c o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sm e a s u r e db yt h es t r a i ng a u g e ，t h i ss y s t e me x h i b i t sag o o d p e r f o r m a n c ei nt h em e a s u r e m e n to fd y n a m i cs t r a i n t h es y s t e mi ss i m p l e c o m p a c t , p a s s i v e ，a n dc a nb ei n t e g r a t e da sap o t a b l ed e m o d u l a t i o nm o d u l e t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r e ： ( 1 ) a f t e rab r i e fs u m m a r yo ft h ep r i n c i p l e so ff b gs e n s o r s ，t h es e n s i n gf e a t u r e s a n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e so ff b gs e n s o r sh a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d ( 2 ) p r o p o s ean e wt y p eo fd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nf b gt r i a n g u l a rf i l t e r ， a n dn u m e r i c a l l ya n a l y z et h es p e c t r ao f f b gb a s e dt r i a n g u l a rf i l t e r ( 3 ) g i v eas u m m a r yo fg r a t i n gf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ，a n df a b r i c a t e dac h i r p e da n d a p o d i z e df b gt r i a n g u l a rf i l t e r sb a s e do nab e a ms c a n n i n gt e c h n i q u e s ( 4 ) b a s e do nt h ef a b r i c a t e df b gt r i a n g u l a rf i l t e r ，e x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo f m e a s u r e m e n to f d y n a m i cs t r a i n ( 5 ) s u m m a r i z ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n dp r o p o s es e v e r a lf u t u r ea p p l i c a t i o n s k e y w o r d ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，t r i a n g u l a rf i l t e r , s i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ， d y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m t n i i 浙江大学工程硕十学位论文 第1 章绪论 目前，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步 向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年 轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面 1 2 独一无二的优势，已 迅速成长为年成交额超过1 0 亿美金，并预计将于2 0 1 0 年拥有超过5 0 亿美金市 场的产业。每年由美国光学工程师学会( 0 s a ) 主办的光纤传感国际会议( 0 f s ) 及 时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研 讨。 1 1 光纤光栅传感技术的发展现状 目前成熟的光纤光栅制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转 向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方 面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上 的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 利用光纤布拉格光栅对应变和温度测量的研究和应用已经取得了很大的进展，并 已经在工程中得到了广泛应用。 国外对光纤光栅传感器的研究已经基本实现了光纤光栅传感器的商品化，工 程化，如b l u er o a dr e s e a r c h 、c i d r a 、m o i 等。国内在光纤光栅传感器方面的 研究工作也取得了一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上海紫珊光电技术 有限公司，哈尔滨工业大学，南开大学及武汉理工大学等。各种成熟的产品已逐 渐推出，其中包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位 与温度测量系统，已经安装运行数年；中国计量学院研制的分布式光纤传感系 统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感 系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂家。 1 2 光纤光栅传感的技术特点 光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点以外，还有明显优于其 他传感器的地方，即它的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于 3 5 ： 1 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波 浙江大学工程硕士学位论文 长是一种绝对参量，它不受光源功率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，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部 构成所谓的智能材料或结构； 3 抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作； 4 可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式光纤传感网络。 另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大 范围的测量光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。因此自 从1 9 8 9 年m o r e y 首次报道光纤光栅传感 6 以来，受到了世界范围内的广泛重视。 并且已经取得了持续和快速的发展。 1 3 光纤光栅传感器的应用范围 f b g 是应用性很广的传感器，可用于测量很多参量，包括温度、应力、压力、 地震波以及声波。因为f b g 是通过紫外光刻写在光纤上，它们尺寸很小，可以镶 嵌在结构中，f b g 对远距离传感来说是非常理想的，因为它的可复用性，而且和 测量仪器之间可以相隔很远，将f b g 作为传感器的选择之一，很多领域已经开始 从中受益。其中包括电力工业，建筑工业，地质监测，海洋石油平台及油田等。 a 电力工业： 电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。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 时检测都要求绝缘性能好，体积小。光纤光栅具有的抗电磁干扰和它的安全性能 恰恰能满足在这种环境条件下使用。 b 建筑工业： 土木结构比如桥梁建筑隧道的应力的长期监测，可以早期检测结构中的腐蚀、 磨损，从而极大的减少维护费用。这些类型的土木结构将会极大的受益于基于 f b g 的光纤应力传感系统的应用。比如，光纤传感器网络可以安装在任何合成结 构中，可以为工作者提供即时的应力分析和长期的结构变化。监测结构应力的能 力对检查结构、证实其可靠性是非常重要的。 c 在海洋石油平台及油田等中的应用： 浙江大学工程硕士学位论文 海洋石油平台是海上石油资源开发的重大基础性设施，是海上生产作业和生 活的基础。海洋平台结构所处环境十分复杂、恶劣，在其影响下，海洋平台结构 的抗力衰减非常明显，而传统的电传感器只能进行单点测量，而且易受海水侵蚀 而失效。光纤光栅传感器对电磁场及电流免疫，而且可以构成分布传感网络，因 此它可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域，如油田、天然气田及煤 田等，用于探测储量及地层状况等。 1 4 本论文研究的主要内容和意义 本文基于f b g 三角形滤波器，提出了一种新型的光纤光栅传感信号解调方 案，并设计了悬臂梁振动实验用于验证解调系统的性能。 研究了光纤光栅的传感特性和光纤光栅传感系统的构成，然后对现有的光纤 光栅传感信号的解调方案进行了总结和分析。 提出了一种新的光纤光栅传感信号的解调方案，研究了啁啾变迹f b g 的制 作方法，设计并制作出了用于实验的f b g 和f b g 三角形滤波器。 设计了悬臂梁实验，用于验证所提出的解调方案的性能，并给出了实验结果。 光纤光栅传感在工程等领域有着越来越广泛的应用，而光栅传感信号的解调 是光纤光栅传感系统的核心。本文正是研究并提出了一种简单，无源的解调方案， 在实际中将有着广泛的应用前景。 浙江大学工程硕士学位论文 第2 章f b g 传盛特性及传感系统 2 1f 陆的传感特性 f b g 传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量 发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化7 ，从而产生布拉格波k 漂移五。通过检测布拉格波长的漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况。 当宽带光源照射光纤时，由于光栅的作用在布拉格波长处的一个窄带光谱部分将 会被反射回来，其余的透射光波几乎不受影响，反射信弓的带宽和几个参数有关， 典型的光栅反射带宽是0 0 5 0 5 n m 。 布拉格波长由下式决定： 1 如= 2 ”w a ( 2 1 ) 。是纤芯的有效折射率，a 是光栅的周期。通过检测布拉格波长的漂移， 即可获得待测温度，应力的变化情况。布拉格波长的漂移可写成： 如= 2 a 血彬- i - 2 n ya a ( 2 2 ) 布拉格波长的漂移与光纤纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关。当光纤 光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响叫， 。，和a 都会发牛变化。应力作用 r 的光弹性效应导致折射率变化，形变使光栅周期变化；温度导致的光热效应使 有效折射率改变，而热膨胀系数使光栅周期改变。由弹性力学可知，光纤光栅中 心波长丑。陡温度和轴向应力的变化可表示为： 吣厶( - 一降卜础m ：，卜如灿 s ， 式中。为轴向应变，鼻，e ：为光纤材料的光弹性系数，卢为光纤材料的泊 松比，a 为光纤的热膨胀系数；f 为热光系数，a t 为温度变化量。 松比，a 为光纤的热膨胀系数；掌为热光系数，a t 为温度变化量。 浙江大学工程硕士学位论文 2 1 1f 陷的温度特性 当温度发生变化时，一方面由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而使光栅周期发 生变化，可以表示成 8 ： 一a a ：a a t ( 2 4 ) 式中口为材料的热膨胀系数。对于锗硅光纤，口= 5 5 1 0 7 c 。另一方面 由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示为： 鲁- - _ 1 霉万d v n 丁 (2-5)eff c l v 聆够 d 式中矿为光纤的归一化频率。温度变化而引起的光纤光栅波长漂移主要取决 于热光效应，其占热漂移的9 5 左右，可以表示成： 掌：一士堕坐 (26)dvd t 7 ”“7 f 是光纤的热光系数。对于硅纤善= 6 6 7 1 0 。c 。所以温度对光栅光纤波长 漂移的总影响为： 全堡：( 口+ f ) r ( 2 7 ) 2 1 2f i r e 的轴向应力特性 当轴向应力作用于光纤光栅上时，光纤光栅因被机械性拉伸而改变其光栅周 期，可以表示为 8 ： _ a s k ：s 。 ( 2 8 ) 百2 s z ( 2 8 j 其中s 。为考察点处轴向应变，同时弹光效应使得光纤光栅折射率发生变化： ：鲨睦掣巳 ( 2 9 ) 两端同时除以”玎可得： 浙江大学工程硕士学位论文 a n 够一聍盯2 e l ：一 ( e l l ，+ e ：) 】 n e f f 2 p o c k e l 系数，矿是p o i s s o n 比，定义有效弹光系数只 只：n e f f2 p 1 2 v ( e l 。+ e l ：) 】 ( 2 1 0 ) 其中己( ，= 1 ，2 ) 为 ( 2 1 1 ) 石英光纤中= 0 2 2 ，所以式( 3 1 0 ) 可以表示为： 一a n e f f 只q ( 2 1 2 ) n e f f 返阴柙思明页献为： 警：( 1 一只) q ( 2 1 3 ) 如、 。 对于石英光纤， 孥：o 7 8 t ( 2 1 4 ) l 口 由如可很方便的求出外界轴向应变s ，。实际应用中，t 是很小的量，可 以引入应变量1 1 0 4 即a g 作为应变量的度量单位。 2 1 3 嗽的横向应力特性 当横向应力变化时，光栅光栅的反射波长也会发生变化，可表示为 8 ： 又因为： 垒筮：l 土0 a + 上鱼i a p 厶l aa p na 尸j a a 一( 1 2 v ) k 8 pe 墨：堑( 1 砌) ( 2 e l ：+ e l 。) 聆d 卯 2 e 、 “ 6 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 浙江大学工程硕士学位论文 将上两式代入( 3 1 5 ) 中可得： 等2 卜半噜( 1 - 2 v ) ( 2 p u + p h ) j p 汜 应变和温度引起的光纤光栅反射波长变化的典型值分别为：1 1 5 p m p z 和 大约1 3 p r o 。c ，而横向压力引起的波长漂移典型值为3 1 3 p r o m p 。可见光纤光 栅传感器对横向压力不是很敏感。 2 2f b g 传感系统及解调方案 光纤光栅传感器以及系统的基本构成由两大部分组成 9 ：传感光栅和解调 系统。光纤光栅传感器示意图如图2 1 所示。待测量加在传感光栅上，b r a g g 反 射光波的中心波长产生漂移，并在解调仪中可检测出，从而确定待测量。 图2 一l 光纤b r a g g 光栅传感系统的构成 对于一个完整的f b g 传感系统来说，很重要的一个部分是它所采用的解调技 术，可以说，采用什么样的解调方法，将决定它的性能及应用范围。我们将结合 应变测量和实际工程中的需要和特点，来研究光纤光栅传感器解调技术，并致力 于提出新的的解调技术。 光纤光栅传感器的解调就是精确测量波长漂移。而传感系统中被测物理量所 引起的波长漂移通常作为整个光纤光栅传感系统的信号输入，因而如何精确测量 f b g 的波长变化就成为整个光纤光栅传感系统的关键。显而易见，解调技术的提 高将给整个光纤光栅传感器的性能提高提供坚实的基础。对f b g 波长编码的解调 过程，传统手段为使用光谱仪等仪器，但这些仪器非常昂贵且不易携带，为此， 人们发展了多种技术用于波长编码的解调。现阶段解调技术的分类方法很多。下 面我们按将波长变化转换为相应的强度变化和相位变化来分别论述。 浙江大学工程硕上学位论文 2 2 1 基于强度的解调方案 基于强度检测的滤波检测技术是常用的光纤光栅传感解调技术，其基本原理 是；将从f b g 反射回来的传感信号输入滤波器，在滤波器的输出端检测光强， 将布拉格波长的变化转变为易检测的量( 如电压) 的变化。可以描述如下：滤波 器的透过率是布拉格波长厶的函数。布拉格波长的变化通过滤波器转变为光强 的变化，进而转变为电压的变化，从而实现信号的解调。 根据滤波器透过率函数r ( 五) 的不同类型，我们可以把光纤光栅滤波检测技 术分为类万函数解调，线性函数解调等。 a 艿函数解调方法 l 基本原理 类艿函数解调方法的基本原理如图2 - 2 所示，当光纤光栅反射波长以与解 调制函数的名一致时，滤波器输出的光强最强。 1 i 二职b g 反射光谱 其中r 一为最大反射率，九为布拉格波长，如为反射光谱宽度。 对于类j 函数解调滤波器的透过率函数也可以理想的用高斯函数来表示 浙江人学工程硕士学位论文 “。2 f ! 二生1 2 丁( 五) = l 。f l6 砷j ( 2 2 0 ) 其中丁k 为最大反射率，鼻为中心波长，厶为透过率谱宽。 f b g 反射光经过解调滤波器后被探测的光功率为： p ( 。) ： rr ( 五，。) ，( 五) da ：欣r 一。一4 h2 考璐 其中，k 为光电转换系数，可以看到，被探测功率尸是高斯函数，其宽度 为镌+ 鸳。当f b g 反射波长如与解调滤波器光谱中心波长如一致时，被 探测光功率p 为最大值。则通过检测光功率p 和调谐解调滤波器中心波长矗， 则可以解调f b g 反射谱携带的传感量。 此方法的物理意义简单明确，传感精度取决于f b g 反射光谱和解调制滤波 器透射光谱与d 函数的近似程度，具有较高的精度。 实际的解调方案 a 窄带激光扫描法 1 0 ，1 1 】 此类系统通过调谐窄线宽激光源的波长来主动扫描传感f b g 反射谱，当激光 波长调谐至f b g 反射峰值波长时，在探测器处接收的反射信号光强最大。如果用 锯齿波驱动激光器来进行波长的线性调谐，则由电压一波长关系可得到传感f b g 的中心反射波长。 h 匹配光栅法 1 2 ，1 3 】 其工作方式有两种，一是反射方式，即信号光经过传感光栅反射进入与传感 光栅参数完全相同的匹配f b g 后检测反射光强，通过调节匹配f b g 的反射中心 波长使接收光强最大，从而获得传感光栅的中心反射波长。二是透射方式，类似 的检测透射光强，当达到最小值时获得传感光栅的中心反射波长。 b 线性滤波解调法 i 基本原理 线性滤波解调法的基本原理如图2 5 所示： 9 浙江大学工程硕士学位论文 图2 - 5 线性函数解调制方 去的基本原理不意图 滤波曲线的传输方程可以表示为： z 以) = 。，舰，( f - l ，2 ) 其中t 为滤波曲线斜率，a 1 日：为输出为零的波长。光纤布拉格光栅的反射 光谱可以看作高斯分布g 以) ，可以表示为： g 协脚卜掣 以为f b g 的中心反射波长，砧为反射谱的3 d b 带宽，r 为f b g 的峰值反射 率。光源的带宽远大于f b g 的3 d b 带宽，所以光源谱可以表示为s ( 2 ) = 只。探 测器探测到的f b g 的反射光功率为： m 只= a 。j _ 。s ( 丑) g ( 五) f 。( 2 ) a 2 其中a 为由于耦合器等原因引起的光功率损失。应力或温度引起的波长漂 移兄引起被探测到的光功率的变化，可以表示为： 够一1 6 4 、”l n _ 2p o r 蚴a 。 1 6 、l n 2 。 于是： 叩：等：口+ 肛 玎= l 1 = 口+ 廖丑 只+ 只 其中，口：盟，：旦 q + ( - 2q + a 2 l o 浙江大学工程硕士学位论文 因此通过测量r 即可得到光纤布拉格波长的变化。 i i 实际的解调方案 a 由长周期光纤光栅构成 1 4 ：长周期光纤光栅具有一定范围的准线性透射谱， 可以用来实现线性函数解调制。 b 波分复用( w d m ) 光纤耦器的准线性滤波范围可以用来进行线性滤波解调制 1 5 ，1 6 。 c 由线性啁啾光纤光栅构成。利用线性啁啾光纤光栅光谱的线性部分，可以有 效的实现线性函数解调制 1 7 2 2 2 基于相位的解调方案 布拉格波长的变化同样可以转化为相位的变化，通过适当的变换，则可以 得到波长变化与相位变化的相应关系。 1 ) 典型的基于相位调制方法如图2 8 所示 1 8 ，传感f b g l 的反射光通过3 d b 耦合器c 1 进入匹配光栅f b g 2 f b g 2 的输出被光电探测器所探测。频率为3 h z 。 振幅为1 5m 8 的锯齿波被应用于调谐处理光纤光栅f b g 2 ，使f b g 2 与f b g l 的布拉格波长周期性的匹配和不匹配，从而产生与应用的锯齿波频率相同的 波形。f b g l 和f b g 2 之间的微小的结构性不匹配与它们的卷积曲线的可见结 构相关。应力的变化将导致输出载波的相位变化。相位的变化可以用锁相环 检测。将锯齿波的一阶谐波作为参考信号。如图2 9 所示锁相环的输出载波 的相位变化正比与传感光栅的波长变化。 图2 - 8 实验配置图 浙江大学工程硕士学位论文 一_ 图2 - 9l o o k - f r o 输出载波的相位变化 由此可以探测相应的应力的变化。该解调方法的最大的优点可以不受光源 波动的影响，可以达到较高的探测精度。 2 ) 马赫一曾德干涉计法 1 9 传感光栅的反射光通过耦合器进入马赫曾德干涉计。马赫一曾德干涉计的两 臂长不相等，由此产生相位差，可以表示为： ：婴 其中三为干涉计的光程差。布拉格波长的变化将导致相位的变化。 如图2 1 0 所示，两路光在3 3 耦合器处发生干涉，其输出分别被三个光电 探测器所探测。 图2 - 1 0 马赫曾德干涉计法配置图 3 d b 耦合器的三个端l z l 输出的相位分别为：岛= 0 ，岛= 2 n - 3 ，0 3 = 一2 n 3 ， 则三个端口的输出电压k ，巧分别为： 霈 帅 钧 j l*ov#_ 浙江大学工程硕士学位论文 k = q ( 1 + y c o s ) k 刈。卜。s ( + 剀 懒卜。恤一等) j 以用r 式计舁： = 等一1 燕v 2v 3 嵩z v b 十一 l 彤切和阮的关系可以表示为： = 希一百2 t d , 一衰一筹砜 则波长的变化被转化为相位的变化，通过计算相位的变化则可以得出布拉格 浦长的蛮仳 浙江大学工程硕士学位论文 第3 章基于啁瞅变迹f b i i 的新型解调方案 在第2 章，我们总结了f b g 传感信号的两大类，多种解调方案。在本章，根 据线性边带滤波法的原理，提出了一种新的f b g 传感信号的解调方案。啁啾变迹 f b g 作为解调滤波器来解调波长匹配的f b g 的传感信号。并介绍了啁啾变迹f b g 的设计和制作。 3 1 新型解调方案的基本原理 如图3 1 所示， w h 叫舯口m 图3 1 新型解调方案示意图 由应力引起的传感f b g 的反射波长的变化通过啁啾变迹f b g 被转化为光 强的变化。通过光电探测器，最终应力的变化被转化为电压的变化。 透过光功率和布拉格波长的关系可表示为： e=eo+ko 兄口( 3 1 ) 式中，为滤波曲线的斜率，e 。为常数。由此可知光的功率差a e 与波长位 移 。成正比，即有： e=k o a b( 3 2 ) 这种解调方法简单，直接。传感f b g 反射波长的变化通过f b g 三角形滤波 器反映为光强的变化。通过检测光强的变化即可得到布拉格波长的变化量。 3 2 f b g 三角形滤波器的设计 该解调方案中最为关键的元件就是f b g 三角形滤波器，设计合理制作优良 的光纤可以有效的提高整个系统的性能。该f b g 三角性滤波器可以通过在线性 誊，零譬e主医 浙江大学工程硕士学位论文 啁啾光纤光栅中引入折射率线性调制而得到。 3 2 1 f 髓耦合模理论 线性啁啾光纤光栅在光纤光栅技术中扮演着非常重要的角色，在色散补偿 2 0 - 2 4 1 ，传感应用 2 5 ，2 6 ，滤波器【2 7 2 9 ，激光器【3 0 一3 1 1 等领域有着广泛的应用。 光纤光栅是在光纤的纤芯中引入了折射率的周期性调制。宽带光源光进入f b g 中，窄带光将被反射回来。窄带光的中心波长由厶= 2 n a 决定，a 为光栅的周 期。 是纤芯的有效折射率，a 为光栅周期。线性啁啾光纤光栅可以看作各个波 长在不同的位置被反射的f b g 。要想获得所需要的线性啁啾光纤光栅，就必须 选取合适的参数。其中包括啁啾光栅的光栅长度及其啁啾系数和耦合系数沿光栅 的分布等。 f b g 纤芯中的有效折射率分布可以表示为： 吲垆礤) 1 + u c o s 隆州z ， 。， 式中，西磅是光栅内折射率的微扰，即平均折射率的变化；u 为平均折射率 变化的条纹可见度；a 为光栅的平均周期；表示光栅啁啾，对于线性啁啾f b g 有 = 唰r 。 在f b g 中，模式耦合主要发生在2 个传输方向相反的模式之间。耦合模方 程可以简化为 3 2 】： = i c r r ( ：) + f 心( z ) d = 一i a s ( z ) 一f r r ( z ) ( 3 4 ) 其中，振幅r 和s 分别为： r ( z ) = a ( z ) e x p ( i & 一声2 ) s ( z ) = b ( z ) e x p ( 一f 拓+ 妒2 ) a ( z ) ，b ( z ) 是逆向传播的2 个本征模的缓变振幅；盯是平均自耦合系数， 盯= 万+ 盯一( 1 1 2 ) ( d 庐d z ) ，占= 2 n n 盯( 1 1 2 一l 如) 为失谐量，盯为平均耦合系数； 浙江大学工程硕士学位论文 r 是互耦合系数。对于普通单模f b g 有： 2 z 二 盯2 撕 r = 盯= 了u h 盯 如果光栅沿z 轴为均匀的，即均匀光栅，贝l j n e o 为常数，d 纥= o ，那么r ，盯 和盯均为常数。对于非均匀光栅，可以将光栅分割成许多小段，每一段都看作长 度为a z 的均匀光栅，可用2 x 2 的矩阵来等价： s r , fi 艮r , _ 。i s ， 整个非均匀光栅即可等价为一系列2 2 矩阵的乘积： 剐兰f 网 。， f = 一l e e 对于f b g ，其传输矩阵为 3 2 ： c o s h ( 7 b 止) 一f 旦s i l l l l ( y 口止) y 8 f 羔s i n h ( 如止) ，8 一f 羔s i n h ( z ) c o s h ( 7 日a z ) + i 昙s i n h ( 7 口a z ) 日 ( 3 7 ) 其中：a z 是第f 段均匀光栅的长度，有： yb ：瓦： 对于光纤布拉格光栅，初始条件是r o = r ( l 2 ) = 1 和s 。= s ( l 2 ) = 0 ，计算 有：r ( 一l 2 ) = r m 和s ( 一l 2 ) = s 。，可得到反射系数和反射率分别为 p = s ( - l 2 ) r ( 一蚴，= 1 4 2 。 3 2 2f 陷光谱计算与分析 f b g 三角形滤波器可通过在线性啁啾光纤光栅中引入折射率线性调制而得 到。在f b g 三角形滤波器的设计中，为了控制光栅的谱形，光纤光栅的啁啾量 浙江大学工程硕士学位论文 和折射率调制是必须予以考虑的。啁啾量决定光栅的带宽，折射率线性调制决定 光栅谱形斜边的斜率。为了设计出相应的三角形滤波器，对不同的啁啾和折射率 调制参数进行了数值模拟。 a 啁啾f b g 光谱特性 下图3 2 是不同啁啾量的f b g 的反射谱的数值模拟，可见随着啁啾量从0 1 增 加到o 3 ，光栅的带宽逐渐增加，但相应的峰值反射率却逐渐减小。可见带宽的增 加是以反射率的减小为代价的。 w a y e l _ e n g t h ! n m 图不同啁啾量的光纤光栅的反射谱的3-2数值模拟 ( c ：啁啾量) b 啊啾变迹珊g 光谱特性 通过折射率线性调制，可以使光栅各反射波长的反射率成线性增加，从而获 得不同斜率的f b g 三角形滤波器。图3 - 3 是不同调制量的f b g 反射谱的数值模 拟。可见随着折射率调制参数的增加，斜边的斜率反而减小，但斜边对应的带宽 却增大。由此可以看出，啁啾变迹f b g 作为滤波器有着显著的优点： 可通过改变光栅周期、折射率调制，较自由的定制滤波器。 该f b g 滤波器所占用带宽相对独立，可实现多个滤波器的复用。 扫一警oq窑口世 浙江大学工程硕士学位论文 w a v e l e n g t l v n m 图3 - 3 不同变迹量的啦反射谱的数值模拟 ( a ：折射率调制参数) 3 2 3 系统响应模拟计算 作为传感器的f b g ，其布拉格波长要与f b g z 角形滤波器的斜边波长相匹 配。则解调系统的输出为： p ( s ) = tf 2r 。( 五，s ) r 。一。( 五) d 名 ( 3 8 ) 由此可以看出，作为传感器的f b g 对于系统的输出同样有着重要的影响。f b g 的长度变化对其反射谱的变化可以图3 4 看出，随着f b g 长度的增加，其峰值反 射率逐渐增加，而其反射谱谱宽逐渐减小。 篡0一-length=1scrn 图3 - 4 不同长度的珊g 的反射谱变化 1 8 扫三_。ec口芷 jjl芑譬比 浙江大学工程硕士学位论文 从图3 3 可以看出，啁啾变迹f b g 的反射谱带有明显的波纹，但根据公式( 3 - 8 ) 由于传感f b g 本身反射谱具有一定的宽度，对波纹会产生平抑作用。图3 5 a ，b ，c 为图3 - 3 的啁啾变迹f b g ( b ) 与图3 - 4 中长度分别为o 5 c m ，1 0 e r a ，1 5 c m 的f b g 积 分的模拟结果，可以看出，系统的输出显示出了良好的线性，其波纹被明显的平 抑。 = 包 = o 图3 _ 5 不同长度的珊i g 与啁啾变迹皿g 的积分 图3 - 4 中长度为1 0 c m 的f b g 与图3 3 中的3 个啁啾变迹f b g ( a ) ，( b ) ，( c ) 的积分 的结果如图3 - 6 ( a ) ，c o ) ，( c ) 所示。 ： 丘 j o w a v e l e n g t h n m 图3 - 6 不同折射率调制参数的啁嗷变迹珊| g 与玎i g 的积分 1 9 浙江大学工程硕士学位论文 第4 章啁啾变迹f b g 实体制作 4 1 光纤光栅制作技术 4 1 1 光纤载氢处理 光纤的光敏特性是指光纤的折射率在某些波长的光的照射下，随光强发生变 化的特性 3 3 3 5 。掺锗以及其它掺纤具有光敏性，但标准单模光纤的含锗量低， 因此光敏性小。为了提高光纤的光敏性，必须对光纤进行增敏处理，以满足人们 对光纤光敏性的特定需求 光纤的载氢增敏方法 增强光敏性的一种有效方法是对光纤进行室温高压氢载处理，即把光纤置于 常温、高气压的氢气中约1 5 天时间，使氢气填充到光纤中 3 6 ，3 7 。当紫外光照 射光纤时，能大大提高光纤折射率的调制深度( 比未经氢载处理的光纤提高两个 数量级) 。经室温高压氢载处理后的光纤制成光栅，稳定性变得较差，其折射率 将会随时间而发生变化，引起布拉格波长的漂移，因此必须对光栅进行加速老化 处理，即采用热处理的方法来增加其波长稳定性。增强光敏性的另一种有效方法 是火焰灼烧法。即把光纤放在1 7 0 04 c 左右的氢氧陷下灼烧，将使光纤在2 4 0 n m 处 的吸收增加，用u v 照射灼烧后的光纤，可得到大于1 0 3 的折射率的变化，比标准 光纤增加了一个数量级。用此方法增强光纤的光敏性，其最大优点是所制作的光 纤光栅不会产生布拉格中心波长的漂移。 b 实验室所用载氢方法 我们改善了上面所述的载氢方法，对光纤进行高温高压氢载处理，即把光纤 置于高温，高气压的氢气中，有效的改善了载氢效果，减少了载氢所需要的时间。 实验中制作光纤布拉格光栅所用的光敏光纤为在气压为8 5 9 m p a ，温度为 11 0 0 c 的密闭容器中载氢4 8 小时获得。 4 1 2 特殊f 阴制作技术 a 两次曝光法 3 8 ，3 9 1 图4 1 是用两次曝光法制作线性啁啾光纤光栅的示意图。第一次曝光，通过 浙江大学工程硕士学位论文 控制掩模板以固定的速度移动，使得光纤上获得的紫外曝光量成线性增加，从而 产生线性变化的有效折射率。第二次曝光，利用零级抑制的均匀相位掩模版在同 一段光纤上产生周期均匀的布拉格光栅。由于写入光纤的有效折射率是线性变化 的，于是第二次曝光后就得到了线性啁啾光纤光栅 p 嘁m 酶露霸四丽舞霹晰i o 蛹嘲 ：一= 。；，。婆 嘞l，、 十l 础r1o 蜘 ( 。竺竺竺羔篓， 渤铀瀚愀腓州姊椭弛 妇蹦喇碍星耐嘛馏黼 。 。一2 一 图4 - 1 两次曝光法示惹图 b 线性阶跃啁啾法 4 0 ，4 1 利用电子束刻蚀设备制作阶跃啁啾相位掩模版或许多周期几乎接近的相位 掩模版，然后利用相位掩模技术直接在光敏光纤上写入线性阶跃啁嗽光纤光栅或 级联而成的阶跃线性啁啾光纤光栅，如图4 - 2 所示。这种制作技术的缺点是啁啾 光纤光栅的啁啾系数不是连续变化的，因而这种方法制作的啁啾光纤光栅的时延 线性度不好。 卜6 i 卜卜6 l 扣卜6 l 叫卜g 1 叫 p e r i o d = i a 2a ， 卜 k 一 图4 _ 2 线性阶跃啁啾法示意图 c 纵向应力梯度法 4 2 ，4 5 先将写入光纤用特殊方法( 如h f 溶液腐蚀) 作成梯形，然后在光敏光纤纤 芯受到纵向线性应力时写入均匀周期光纤光栅，最后释放应力即可得到线性啁啾 光纤光栅，如图4 3 所示。另外，也可先行写入均匀光纤光栅，然后通过线性应 力调节而得到线性啁啾光纤光栅。也可将光纤纤芯作成锥形，则锥形纤芯会影响 导模的有效折射率，即行。，是随光纤的长度而变化，这样写入几何周期均匀的光 浙江大学工程硕士学位论文 栅便实质上得到了线性啁啾光纤光栅。 f o f 厂f o r c e 一= = 匕工# j = 匕r = = = = = = 图4 _ 3 纵向应力梯度法示意图 4 2f b g 实验制作与结果 4 2 1 实验室f b g 镧作方法 用扫描曝光法 4 6 4 9 制作啁啾变迹f b g 的光路图原理如图4 4 所示。当扫 描紫外光束随着由线性步进平台，反射镜和柱面镜构成的扫描平台缓慢运动，在 光敏光纤上就可得到折射率的规律性分布。通过控制扫描平台的扫描速度，即可 控制光敏光纤不同位置的曝光量，易于实现光栅的折射率调制。利用扫描曝光法 制作折射率调制的f b g 有很高的灵活性和优越性，可以制作较长的光纤光栅和复 杂的光纤光栅。为了及时监控光纤光栅的制作质量和光栅参数，必须对光栅的生 长全过程包括光栅的透射形状的变化，中心反射波长，透射率等参数进行监控 图4 _ 4 扫描曝光法示意图 浙江大学工程硕士学位论文 4 2 2 实验室光纤光橱制作平台 实验室制作光纤光栅所采用的紫外曝光光路系统如图4 5 所示。为了有效 的增加光纤的曝光量，提高光栅的制作效率，节省激光器的能耗，准分子激光器 输出的紫外光脉冲在经过柱面透镜会聚后照射在光敏光纤上。柱面透镜的轴线与 光纤的方向一致，这样紫外光会聚后被压扁成线状照射在光纤上。在不改变准分 子激光器设置的情况下，可以通过调节柱面镜与光敏光纤之间的距离来改变入射 到光敏光纤上的紫外光能量密度。实验中，随着由步进电机，反射镜，柱面镜构 成的扫描平台的移动，紫外光脉冲便扫描照射整个相位掩模板的光敏光纤长度 由于单脉冲的能量是相同的，因此可以通过控制扫描平台的扫描速度来控制光纤 的曝光量，从而可以方便的实现光纤光栅的折射率线性调制。 图4 - 5 光纤光橱制作平台照片 光纤光栅制作系统主要由紫外光源，宽带光源，线性步进平台等构成，现分 别描述。 准分子激光器 大量的实验研究工作表明，采用适当的光源对写入高质量的光纤光栅至关重 要。根据实验中的实际使用情况和使用范围来看，窄线宽准分子