（通信与信息系统专业论文）红外ccd在光纤光栅解调系统中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 捅要 光纤布喇格光栅f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 传感器具有抗电磁干扰、抗腐 蚀、灵敏度高和小巧等特点，目前已被广泛应用于材料、建筑物、电力、医药 和化工等领域。尤其是在大型复合材料和混凝土建筑物的结构监测上，光纤光 栅传感器的作用越来越大。在光纤光栅的传感应用中，传感信号的解调是其重 点和难点之一。 本文首先回顾了光纤光栅传感器的研究情况，简单介绍了光栅的结构，以 及光纤光栅对温度、应变及压力的传感原理。并且对解调技术进行了介绍，列 举了几种较为常见的解调方法，如匹配光栅滤波法、非平衡扫描迈克儿逊干涉 仪法等。在上述研究的基础上，本文深入研究了光谱成像技术应用于光纤光栅 解调的原理与方法，并设计了一种基于红外线阵c c d 的光纤光栅解调系统。 为了建立此解调系统，本文首先研究了光谱成像的理论基础，然后从光栅 光谱仪器的基本组成和原理入手，分别介绍了光栅光谱仪的两个主要组成部分： 系统光学结构、系统的接收系统。在分析和对比了几个常用的光栅光谱结构后， 决定选用对称的切尔尼一特纳光路系统。为了使此光路更适合红外c c d 在解调 系统中的应用，我们合理选择了各光学元件。另外，为了进行光路的追迹测试 和优化整个系统的结构，我们运用z e m a x 软件，最终完成了整个解调系统的光 路设计。 论文中还对该解调系统的分辨率进行了分析，详细讨论了影响系统分辨率 的主要因素，提出了提高分辨率的方法。对光谱成像波长解调系统的标定方法 进行了详细的研究，提出了一种适合c c d 光谱成像波长解调系统的标定方法， 为这种光谱成像波长解调系统的实用化打下基础。 最后本文对温度进行了传感解调实验，并对实验数据进行了初步分析。分 析结果表明，该传感解调系统达到了预期的目标，其准确性和可靠性较好。 关键词：光纤光栅，光谱成像，红外c c d ，解调系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e r b r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n t i e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e ，t h er e s i s t a n c ec o r r o s i o n ，t h eh i g hs e n s i t i v i t ya n ds o o n ，s oi ti so n eo ft h ec u r r e n th o tr e s e a r c hf i e l d si nt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r t e c h n i q u ef i e l d s n o wi t i s w i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha st h es t r u c t u r e m o n i t o r i n g o ft h el a r g ec o m p o u n dm a t e r i a la n dt h ec o n c r e t e ，e l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y ，m e d i c i n e ，c h e m i c a le n g i n e e r i n ge t c f i r s t l y , t h er e c e n td e v e l o p m e n t si nt h ea r e ao fo p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r e r e v i e w e d t h em e t h o do ff i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o ni si n t r o d u c e db r i e f l y a n da l s o i n t r o d u c e sf b gd e m o d u l a t i o n m e t h o d s ，s u c h a s g r a t i n gm a t c h i n gm e t h o d ， n o n b a l a n c em a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rm e t h o d b a s e do na n a l y s i so fd o m e s t i c a n df o r e i g ns t u d ya c t u a l i t i e so nf b ga n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o rf b gi nt h e p a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do ft h es p e c t r u mi m a g e r yt e c h n o l o g yt ou s ei nt h e o p t i c a lf i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o na r ed e e p l ys t u d i e d a n ds e tu pas y s t e mo fo p t i c a l f i b e rg r a t i n gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ne s t a b l i s h e db yu s i n gt h el i n e a ri n f r a r e dc c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) b a s e do na n a l y s i so ft h e s p e c t r a li m a g i n gt h e o r y , o nt h eb a s i so f t h e c o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l e so fd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r , i n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t so f d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e rs u c ha sd i s p e r s i v es y s t e m ，i m a g i n gs y s t e ma n dr e c e i v i n g s y s t e ma sw e l la sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r o nt h eb a s i s o f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w e c h o o s et h es y m m e t r i c a lc z e r n y - t u r n e ro p t i c a lp a t hs y s t e m ，a n de a c ho p t i c se l e m e n t o ft h es p e c t r a li m a g i n gs y s t e mi sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oc c d a p p l i c a t i o ni nt h e m i c r oo p t i c a lf i b e rs p e c t r o m e t e r ，b ys e l e c t i n gt h ed i s p e r s i o ne l e m e n tp r o p e r l y ，o n e k i n do fm i n i a t u r i z e ds t r u c t u r es p e c t r u md e m o d u l a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h er a y t r a c i n ga n dt e s ta r er e a l i z e dw i t hz e m a xs o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e c o n c l u s i o n ，t h ep a r a m e t e r so fo p t i c se l e m e n tf i t t i n gt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n g d e m o d u l a t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d i nt h e p a p e rt h er e s o l v i n gp o w e ro ft h ew a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mi s a n a l y s i s ，t h ep r i m a r yf a c t o r sa f f e c t i n gt h er e s o l v i n gp o w e ro ft h ei n s t r u m e n th a v e b e e nd i s c u s s e dd e t a i l e d ，a n dt h em e t h o do fe n h a n c i n gt h er e s o l v i n gp o w e ri s p r o p o s e d ，t o o t h r o u g hs t u d y i n gt h ed e m a r c a t i n gm e t h o do ft h es y s t e mo fs p e c t r a l i m a g e r yw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ，ad e m a r c a t i n gm e t h o dw h i c hs u i t st ot h es y s t e m o f s p e c t r a li m a g e r yw a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o ni s g i v e n t h u st h ep r a c t i c a l i t y f o u n d a t i o n o ft h es y s t e mo fs p e c t r a l i m a g e r yw a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o ni s e s t a b l i s h e d a tl a s t ，t e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n ti sd o n et ov a l i d a t et h i ss o l u t i o n t h et e s t si n d i c a t et h a tt h ew h o l es y s t e mh a sa ne x c e l l e n ta c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y k e y - w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，s p e c t r u mi m a g e r y , i n f r a r e dc c d ， d e m o d u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一年新签 氇鹚 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早 三百下匕 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 和他的同事首先发现光纤光敏性， 并且采用驻波写入法获得自感应光栅。1 9 8 9 年g m e l t z 等人发展了紫外光侧面 写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化。到1 9 9 3 年光纤敏化 技术的进步和相位掩模板的使用使光纤光栅实现批量生产n 2 3 。 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传感的基础，其它各种物理量的传感都是以 光纤光栅的应变、温度传感为基础间接衍生出来的。 与强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，光纤光栅传感器是波长调制 型的，因而具有许多独特的优点口，4 | ： 1 传感元件结构简单、体积小、重量轻、外形可变、适合进入大型结构中， 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好； 2 与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好； 3 具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、搞电磁干扰的特点， 适合在恶劣环境中工作； 4 可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复 用系统相结合，实现分布式传感； 5 测量信息为波长编码，使得光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤 连接及耦合损耗以及光波偏振态的变化等因素影响； 6 高灵敏度、高分辨率。 正是由于光纤光栅传感器比传统的传感器有诸多优点，可以解决许多传统 传感器无法解决问题，从它问世以来，世界各地掀起了对光纤光栅的研究热潮。 现在，无论在光栅的制造、性能研究以及推广应用等方面均已获得长足进步。 光栅的制造技术已成熟到可批量生产，有商品出售，使用寿命预计在1 0 年以上。 武汉理工大学硕士学位论文 光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域的应用研究也成果不断。 由于光纤光栅传感器可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域， 光纤光栅传感器的应用前景也十分广阔畸1 ，如油田、天然气田及煤田等，用于 探测储量及地层状况等。另外，光纤光栅传感器还提供了一种用于公路及桥梁、 建筑、堤坝的健康监测的方法，而且也可以为监测交通工具的速度、载重及种 类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很 好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入可以监测整个桥梁或建筑物的 健康状况，从而防止工程及交通事故的发生。 1 2 光纤光栅传感解调技术 1 2 1 光纤光栅传感解调技术简介 光纤光栅传感器的信号解调是光纤光栅传感系统真正的核心部分呻1 。传感 过程中光纤光栅的传感信息以波长编码的形式被解调制系统接收，通过波长解 调制得到传感信号的变化情况。因而传感光栅中心反射波长的跟踪分析又是解 调系统的核心部分，很大程度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本。进 入9 0 年代以来，人们提出了多种光纤光栅传感解调制方案，不同方案所采用的 技术手段、实验方法也各不相同。 滤波解调制技术是比较主要的技术方案口8 9 1 ，它包括多种方式来解调制光 纤光栅，所采用的滤波器包括传统的体滤波器、可调声光滤波器、光纤光栅滤 波器、可调光纤f a b r y p e r o t ( f p 、) 滤波器等。滤波解调制技术的特点是实验装置 简单，操作方便，其测量分辨率主要取决于滤波器的性能。采用体滤波器的光 纤光栅传感解调制方法的应变测量范围为5 5 0 0 肛e + 5 5 0 0 f i e ，静态应变分辨率 为3 7 5 z e 。d a v i s 和z h a n g 等人用波长依赖的波分复用器( w d m ) 取代大块的体滤 波器，将应变分辨率提高到5 占，温度分辨率达0 5 0 c 。r i b e f i o 和c o r o y 则 分别利用双锥状( b i c o n i c a l ) 的光纤滤波器和量子阱电子吸收滤波器取代体滤波 器进行传感测量。可调声光滤波器的解调制方法有很宽的调谐范围，比较适合 于动态或准静态应变传感以及复用传感系统。x u 等人采用可调声光滤波器对 f b g 的透射谱进行滤波，研究f b g 的温度传感特性。匹配光栅滤波器解调制方 法利用光纤光栅匹配滤波检测技术。使用两两相同的光纤光栅，其一作为传感 2 武汉理工大学硕士学位论文 器，另一个作为解调制滤波器，这种方法的应变测量分辨率可达4 1 2 “e 。而后， d a v i s 改用匹配光栅串对传感光栅串滤波，通过测量透射光谱，实现波长检测。 利用可调谐f - p 腔滤波器解调制技术在四个光栅组成的阵列探测中，可得瓤e 的应变分辨率，只有一个光栅时，其最小分辨率小于0 3 # e 。d a v i s 等人对该技 术进行了改进，使这一技术更加实用化。这种解调制方案的关键是高性能的f - p 腔解调制滤波器，其性能高低直接决定了传感系统的分辨率。此外，d a v i s 等 人提出了利用傅立叶变换光谱技术进行传感波长解调制的方法，而c h a n 等人则 将时域反射技术与调谐滤波器相结合实现波长解调制。 可调谐光源解调制法也在被广泛的研究n 0 “12 | 。b a l l 等人利用定标后的可调 激光器作为f b g 传感器光源，当光源的输出波长与某一f b g 布喇格波长相等时， 探测器上会接收到对应波长强烈的反射信号，从而实现波长检测。这一技术的 波长分辨率可达2 3 p m ，温度分辨率可达0 2 。c 。缺点是激光器工作的稳定性不 理想，在一定程度上限制了该方案朝实用化发展。s e o kh y 等人也提出了利用 扫描光纤激光器解调制光纤光栅传感器阵列的技术，所用光纤激光器波长扫描 范围为2 8n m ，得到应变测量分辨率为0 4 7 e r m s ，其中取样频率2 5 0 h z 。l i s s a k b 等人和p u t n a mm a 等人采用锁模光纤激光器作为光纤光栅传感器光源，在3 k h z 频率下，动态应力测量的灵敏度为4 5p e 舷。 在现有的各种解调制技术中，干涉检测技术的波长分辨率最高n 3 1 钔。k e r s e y 等人用非平衡马赫一曾德尔( m - z ) 光纤干涉仪作波长检测器，对传感光栅发生的 波长漂移进行解调制。这一技术具有极高的波长分辨率，在频率为5 0 0h z 的动 态情形下应变分辨率为0 6 n s t r a m 舷，时分复用传感的应变分辨率为 2 n s 护a m 4 h z ( 1 0 h z 的动态情况下) ，采用相同实验装置的光纤光栅激光传感 器在7k h z 的频率下可以达到0 6 1 0 巧g e 舷的应变分辨率，可以用于高灵 敏度的声压检测。但该方法仅局限于测量动态应变，不适用于对绝对应变的测 量。k e r s e y 等人还加入参考光栅( 处于恒温状态下) ，参考信道与探测信道( 传 感光栅的反射光中用来与参考信号干涉的信道) 构成m z 干涉仪的两臂。该系统 在微扰频率为1h z 时的应变分辨率为6 1 0 舷。d a v i s 等人则采用 m i c h e l s o n 光纤干涉仪配置，利用快速傅立叶变换来分析各传感元的光谱变化， 得到的波长分辨率为0 0 1 5n m 。 此外，y h u 等人采用色散成像法检测光纤光栅的波长。在色散光栅后的固 定位置用电荷耦合器件( c c d ) 作为探测元件，衍射光栅作为分光元件而组成的一 3 武汉理工大学硕士学位论文 种测谱仪。光纤光栅反射回来的光经准直后照射在衍射光栅上，经衍射光栅色 散后的光束被成像到线阵c c d 上。每个光纤光栅反射回来的波长对应线阵c c d 上一个亮斑，波长变化时，光斑中心发生移动，通过检测光斑移动位置的大小， 得到波长变化值。这一方案特别廉价，可以复用多只光纤光栅，光能利用率高， 可以用于反射率只有1 一4 的光纤光栅阵列。c c d 能实现高速扫描，因此既可 以测量动态应变，也可以测量静态应变。同时其小巧的结构非常适合工程的实 地测量。而且是一种比较经济的光纤光栅解调仪，具有广阔的应用前景。 1 2 2 基于c o d 的光纤光栅解调技术发展现状 国外在基于c c d 的光纤光栅解调器的研究上发展比较迅速，已经出现很多 商品化的基于c c d 的光纤光栅解调器，如美国o c e a no p t i c s 公司和荷兰a v a n t e s 公司都已经实现了系列化的产品。并且目前商品化的基于红外c c d 的光纤光栅 解调器大多数都是基于平面反射式光栅分光原理n5 j 。基于反射式光栅的光谱仪 系统工作原理是平行光入射到光栅上色散，经色散后的光经成像物镜成像得到 测量光谱。这类光学系统结构简单，所需光学元器件少，利于集成，元器件制 作工艺成熟价格低廉，是目前基于c c d 的光纤光栅解调器发展的主要趋势n 剐。 海洋光学的u s b 4 0 0 0 型号使用的c c d 探测器有3 6 4 9 个像元n7 1 ，具有很高 的信噪比和更快的积分时间( 带电子快门) 。该产品采用最新的u s b 2 0 接口，可 直接接入计算机，也可通过串行口与电脑或掌上电脑相连，不需外部供电，光 源和样品池等可直接连接到u s b 4 0 0 0 的接口上。内置了先进的探测器和强大的 高速电路系统。u s b 4 0 0 0 的特点在于具有1 6 位a d 转换，4 种触发模式，根 据温度变化的暗噪声校正和2 2 针的连接口( 包括8 个用户可编程g p i o 端口) 。 模块化的u s b 4 0 0 0 光谱仪可以响应从2 0 0 到1 1 0 0 n m 的光谱范围，可以跟海洋 光学生产的各种光学平台组件、光源和采样光纤配合，为上千种吸收、反射和 发射测量应用搭建各具特色的系统。 4 武汉理j 人学硕上学位论文 图1 - 1 海洋光学u s b 4 0 0 0 型号微型光谱仪 a v a n t e s 公司的a v a s p e c 系列光谱仪采用对称式c z e m y t u r n e r 光学结构 设计。入射光由一个标准的s m a 9 0 5 接口进入光学平台，经一个球面镜准直， 然后由一平面光栅分光，经由第二块球面镜聚焦到一维线性探测器阵列上。 图1 - 2a v a n t e s 公司光谱仪 基于平面光栅技术的光纤光谱仪是现在的主流，它的元器件制作工艺比较 成熟，产品化也已经比较长时间，产品性能也相对比较高。随着光栅和阵列光 电探测器技术的不断发展，该类光谱仪会向着高性能和高智能化发展。但是此 类国外产品价格比较昂贵。 国内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初期， 清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤光栅的研究。 尽管进行了大量理论和试验研究，现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局 限在实验室范围，但总的来说，通过十多年的研究和开发，光纤光栅传感技术 武汉理1 二大学硕士学位论文 已得到快速的发展，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。 为了加快我国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技术国家 重点工业试验基地 项目的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅 解调等相关设备，使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的 物质技术基础，加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。特别是在光纤光栅 制备技术的研究方面，已取得重要进展，其主要技术指标达到国际先进水平。 在光纤光栅设备方面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置，但是能应 用于商用的解调仪目前国内还是一项空白。 1 3 选题意义及研究内容 1 3 1 选题意义 近年来，光纤布喇格光栅f b g 在传感领域的应用越来越引起人们的重视。 对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感应用的关键技术之 一。而高精度、高分辨率、动态和静态参量结合、多点复用检测和低成本是光 纤光栅解调技术发展的趋势。 本文设计的解调系统用红外c c d 光谱成像技术对光纤光栅进行解调，其工 作原理为：一束光经过准直打到衍射光栅上，利用平面衍射光栅的分光作用， 即不同波长的光经同一衍射光栅衍射后在空间传播时具有不同的衍射角，然后 经成像到红外c c d 像元上。当从光纤光栅反射回来的光发生漂移时，经过衍射 光栅后的光衍射角就会随着变化，成像到后面红外c c d 上的位置也会随之变 化，它们之间呈线性关系。通过测量光斑在红外c c d 上的不同成像位置，可检 测出b r a g g 中心波长的移动情况，即a 的大小，从而对光纤光栅进行解调。 通过对这种解调方法的深入研究，来实现一种集成化、低成本、高分辨率 和高精度的解调系统。该解调系统具有以下优点： 1 该解调系统易于实现模块化，如果该解调系统可以达到在实验室内使用 仪器的性能，则其应用潜力巨大，因为光谱仪器的应用几乎无所不至，包括从 石化生产、环境监测、工业流程控制、气体分析和工业安全监测、汽车和轮船 发动机的尾气分析到室内空气质量分析； 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 采用新型光电接收器件，配合适当的光学系统，可获得很高的空间分辨 率，并且可以进行实时及多通道分析，因而具有现场应用价值； 3 系统中采用凹面反射镜代替凸透镜进行准直和成像，对光学结构重新调 整，减小了解调系统的尺寸。 4 由于成像系统是用图像传感器各像元分别获取光波长的信息，因而将测 量光波长的问题简化成了判断光斑所在像元位置的问题，提高了系统的稳定性 与可靠性。 从目前的发展状况来看，国外产业化的基于c c d 的光纤光谱仪一般是通用 性产品，其性能指标并不是很好而且成本较高。而且针对红外波段如本课题中 工作波长在1 3 0 0 n m 左右的产品很少。在国内基本上都还处于研究所或大学研 制的原理样机，还无法成为实用化的产品。为了使得这种具有潜力的解调系统 真正走向实用化，还有很多研究工作需要继续进行下去。 1 3 2 本文研究内容 第一章介绍光纤光栅传感器的特点，简述了基于c c d 的光纤光栅传感解调 技术的发展现状。 第二章阐明光纤光栅的传感原理，并详细介绍几种分别基于不同的解调技 术的光纤光栅的解调方案。 第三章详细介绍了基于红外c c d 的光纤光栅解调系统的总体设计，介绍了 该解调系统的光学结构及光电接收系统的设计与选择。 第四章主要对各光学元件参数及光路结构的参数进行了具体的设计，并对 解调系统的分辨率进行了整体分析。 第五章进行相关的波长标定、温度测量及准确性的实验分析。 第六章总结和展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤光栅的传感原理及解调方法 光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 作为非常重要的现代光纤无源器件之 一，在近年得到了非常迅速的发展。世界上第一只光纤光栅是在1 9 7 8 年由 k o h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成的，其原理在于：光纤光 栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射 率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成 一个窄带的( 透射或反射) 滤波镜或反射镜。利用这一特性可以构成许多性能 独特的光纤无源器件n 副。 光纤光栅具有许多独特的优点，例如：抗干扰性( 如电磁场、湿度、化学 腐蚀等) 强、寿命长、复用性好( 如w d m 与t d m ) 等n9 1 。因而在光纤激光器、 光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。随着光纤光栅制 造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前 途、最具有代表性的光纤无源器件之一。由于光纤光栅的出现，使得许多复杂 的全光纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。由于光 纤光栅传感器具有其他传感器无法比拟的优点，光纤光栅在传感器领域中的应 用近年来引起了人们的极大兴趣，这种用紫外光在光敏光纤纤芯中制作的光栅 不仅具有易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等特点，而且作为传 感元件，他有一个最为突出的优点：即感应的信息用波长编码，而波长这个绝 对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响，传感信号可长距离传输 且不受电磁信号的干扰瞳引。特别地，还很容易在一根光纤上连续制作多个光栅， 所制得的光栅阵列轻巧柔软，与时分复用和波分复用技术相结合，很适合于作 为分布式传感元件埋入材料或结构内部，还可以贴装在其表面，这对于目前国 际上热门研究的智能材料、灵巧结构有着非常重要的意义。 2 1 光纤光栅的结构 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。h i l l 的早期光 纤是采用4 8 8 n m 可见光波长的所氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯 8 武汉理工大学硕士学位论文 中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来m e l t z 等人利用高强度紫外光源所 形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位 光栅，1 9 8 9 年，第一支b r a g g 波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。近年来， 随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，它的制作 主要需要考虑如下一些因素瞳1 2 2 l ： 1 光敏光纤的制备 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的 写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光 强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下 来，就成为光纤光栅。 2 成栅的紫外光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在2 4 4 n m 紫外光的错吸收峰附近， 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，主要的 成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频a r 离子激光器、倍频染 料激光器、倍频o p o 激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用 来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供1 9 3 n m 和2 4 4 n m 两种有效的写 入波长并有很高的单脉冲能量，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。 3 成栅方法 光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品 率低，使用受到限制。目前主要的成栅方法针对不同种类的光栅有所不同，其中 短周期光栅常用的方法有内部写入法( 又称驻波法) 、相位掩膜法等等。长周期 光纤光栅的制作则经常使用掩膜法、逐点写人法等等。c h i r p 光纤光栅的制作则 用到两次曝光法、光纤弯曲法、锥形光纤法、应力梯度法、复合c h i r p 光栅法等 多种方法。而近年来更是有了很多种新的成栅方法，包括直接写入法、在线成栅 法、光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列法、；用聚焦二氧化碳激光器写入l p g 、移动平 台法、 用聚焦离子束写入光纤光栅等等。在不同的应用领域和不同的制备条件下，这些 方法有着各自的用途。而计算机科学的发展给光栅制作也带来了方便，某些公司 开发了光纤光栅设计软件和光栅制作控制程序，设计出独特的检测方案，用于光 9 武汉理工大学硕士学位论文 纤光栅传感器的检测系统，检测精度高，稳定性好；具有成熟的光纤光栅实用化、 工业化封装技术。 光纤光栅结构如图2 1 所示。将纤芯掺锗的单模光纤放在紫外激光干涉场 中曝光，就可激起纤芯折射率周期性的非均匀分布，形成体全息光栅。 x n l n 2 人 图2 - 1 光纤光栅的结构图 z 设在均匀纤芯中的折射率为，l ，引起折射率非均匀分布后成为1 1 ( x ，y ，z ) ， 折射率峰谷差为n ( x ，y ) ，非均匀分布区间长l ，并且认为纤芯折射率非均匀分 布为正弦分布，则纤芯折射率可表示为： ，l ，y ，z ) = n ( x ，y ) + a n ，y ) c o s ( 0 z ) ( 2 1 ) 其中0 = 2 p a ，0 是光栅的空间频率，a 是折射率非均匀分布周期。由于纤芯 折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时，忽略 偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起模式泄漏，则非均匀波导中的场 f ( x ，y ，z ) 满足标量波动方程： f v 2 + k 0 2 n 2 力+ 吾卜力一” ( 2 2 ) 其中k o = 2 p l ，九是自由空间的光波长， v , 2 西：! 票+ 害+ 窖 ( 2 3 ) ra r 8 r 2 r 2 a r 、 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波 导中的场可以表示为均匀波导束缚模式、i ，( x ，y ) 之和： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 西o ，y ，z ) 一4 q ) 妒， ，y ) = 口，( z ) e x p ( 一i f l z ) + a l ( z ) e x p g 膨) ， ，y ) ( 2 - 4 ) a l ( z ) 表示了与、i ，l ( x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，而a l ( x ，y ) 和a 1 ( x ，y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对结论无影响 的e x p ( i t ) 因子。 其中，1 , l ，y ) 满足方程： 、 如，2 + 七；i ，y ) 一扣， ，y ) ；0 将西一罗彳f 妒z 代入( 2 3 ) 式，结合( 2 5 ) ， j _ ( 2 5 ) 并按模式耦合理论的一般方法进行处理， 化简时略去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合 方程： d a i 。一i c 口一fe x p ( 2 a f l z ) d z 一 d _ a _ l ；一i c 口fe x p ( 一i 2 a f l z ) a z ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) a l 和如分别是1 个模的正向和反向传输幅度，a b = 1 3 - p 瓜，b = k0n 是该模的传播常 数，实际上i 就是该模在纤芯中的有效折射率n 谢，c 是耦合系数： c _ 竽z 脚，p 2 姒2 叩 ( 2 - 8 ) 这里， ，7 。p2 d a p 2 d a ( 2 - 9 ) 是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近 似代替，代入( 2 - 9 ) 式： ，7 。1 一二v 2 ( 2 1 0 ) 在光栅入光端，l - 0 处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件： a 0 ) = 1 ，a 1 ( l ) = 0 利用此边界条件可解出： 口，q ) 2 面面- 面e x p 而( a f l 硐z ) 伽s 叫s ( z 一轴给c o s h 一枷( 2 _ 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 以一，。) 2 万面c 面 e x p i ( - i a 丽f l z ) 网。s i i l l l b ( z 一三) 】 其中s2 = c2 b 2 由( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 式，可求出光纤光栅的透射率t 和反射率r ： m 一一铡2 r ( a ，l ) 一 ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 鬲五面c 2 s 再i n h ( 再s l ) 而 ( 2 1 i4 ) 昌一 i - s i n h 2 ( 乩) + s 2c o s h 2 ( 乩) 、7 当a b = 0 时，即l = 2 n a ，满足相位匹配条件，( 2 1 4 ) 式化简为： 尺一犯) = t a n h 2 ( c l ) ( 2 - 1 5 ) 反射率是光纤光栅的一个重要参数。( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 式直接描述了反射率r 与 光栅长l 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的反射率。 折射率峰谷差n 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达1 0 0 。光纤光栅的 另一个重要特性是谱线宽度。取半峰谱线宽度为光栅线宽九。n 的变化对九 的影响是一线性关系，折射率峰谷差大会加宽谱线宽度。光栅的谱线宽度九还 与光栅长度l 有关系。 由于周期的折射率扰动仅会对很窄小的一段光谱产生影响，因此如果宽带光 波在光栅中传输时，入射光将在相应的频率被反射回来，其余的透射光谱则不受 影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解 释。首先由威廉布喇格爵士提出。因而这种光栅被称为布喇格( b r a g g ) 光栅，反 射条件就称为布喇格条件。在布喇格光栅中，反射波长由下式确定： a x b = 2 n 。u a a ( 2 16 ) 这里n e f f 是光纤芯区的有效折射率。光栅的栅距可以通过改变两相干紫外光 束的相对角度而得以调整，如( 2 1 7 ) 式所示，通过这种方法，就可以制作出不同 反射波长的布喇格光栅。 a = ) , u v 2 s i n ( 0 2 )( 2 1 7 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 光纤光栅的传感理论 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，满足b r a g g 条件的 光被反射，如图2 2 所示。而光纤b r a g g 光栅的反射或透射波长光谱主要取决 于光栅周期人和反向耦合模的有效折射率n 。行，任何两个使这两个参量发生改 变的物理过程都将引起光栅b r a g g 波长的漂移。例如当f b g 上受到的一个振动 的微扰时，那么它会产生周期性的应变，于是这个f b g 的中心反射波长将产生 周期性漂移。检测这个周期性漂移的信号就可以获取振动的信息。 i n p u ts p e c t r u m t r a n s m i t t e ds p e c t r u m 透射光谱 r e f l e c t e ds p e c t r u m 反射光谱 入 入 图2 - 2 光纤布喇格光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其 他代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，从而产生 光栅b r a g g 信号的波长位移九，通过检测b r a g g 波长的位移情况，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b r a g g 波长 处的一个窄带光谱部分将会被反射回来。反射信号的带宽和几个参数有关，特 别是与光栅长度有关，在多参数传感器应用中，典型的光栅反射带宽是0 0 5 - 0 5 n m 。 式( 2 1 8 ) 中人为光栅周期，刀析为有效折射率，当a 和，l 析受到外界环 境的影响( 温度、应力、压力) 而发生变化时，导致符合b r a g g 条件的波长发 生漂移a 。，由b r a g g 条件可得： a z , = 2 a n e 饪人+ 2 n e 行a ( 2 1 8 ) 该式表明反射波长偏移与光纤芯的有效折射率和光栅常数的变化有关n 9 j 。 当光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，以够和a 都会发生变化。应 力作用下的光弹效应导致折射率变化，形变使光栅常数变化；温度导致的光热效 武汉理工大学硕士学位论文 应使有效折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。先忽略温度和应力的 交叉敏感，分别考察仅在单一的轴向应力或温度作用下的传感特性。 2 2 1 光纤光栅的温度特性 当温度发生变化( t ) 时， 其光栅周期乜引，可以表示成： h a ，。a a t a 一方面由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改变 式中口为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，口取值5 5 1 0 刀c 。 另一方面由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示成： ( 2 1 9 ) 一a n e g ；一土堕里z ( 2 - 2 0 ) n e l ln e g d vd t 式中v 为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决 于热光效应，它占热漂移的9 5 左右，可以表示成： 亭= 一i 1 万d n o r 万d v ，l 啊d y d l ( 2 2 1 ) 宇称之为热光系数。硅纤中亭= 6 6 7 1 0 石c 一。所以温度对光纤光栅波长漂移 总的影响为： 兰学! 芝；( 口+ 亭) z ( 2 2 2 ) 2 2 2 光纤光栅的轴向应力特性 当外界轴向应力作用于光纤光栅上时， 而改变其光栅常数，可以表示为： a a 2 占z 1 4 一方面使光纤光栅被机械性的拉长 ( 2 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 化： 其中，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 血够：盟譬笋型巳 对式( 2 2 4 ) 两端同时除以甩啊可得： 鲁一尘掣q ，l 玎 z ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 其中p i