（检测技术与自动化装置专业论文）光纤光栅振动传感系统及其应用.pdf

摘要 光纤布拉格光栅( f b g ) 是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤光栅对特 定波长的光具有反射作用，反射光波的峰值波长随着温度、应力等物理量的变化而变化， 并具有优良的温度和应变响应特性：因此，光纤光栅在传感领域有着广泛的应用。 f b g 传感器是以光纤为载体实现物理量的测量和传输的新型传感器。它具有耐压 高、抗电磁场干扰、绝缘性好、体积小、重量轻、对环境变化不敏感，信噪比和灵敏度 高等优点，并可同时作为传感元件和传输媒介，容易实现分布式测量，便于实现远距离 传输。但光纤光栅传感技术是近几年才出现的一种新兴传感技术，许多方面还需要进一 步的研究和改进。 本文综述了近年来f b g 的研究成果，从光纤光栅的理论模型入手，围绕f b g 的成栅机 理、结构特点等对f b g 的光学特性、匹配光栅解调技术进行了具体分析，主要在f b g 的 振动传感原理、波长解调技术、数据处理以及传感器测量系统等方面进行了一定的研究。 利用光纤光栅振动传感机理，从匹配光栅解调系统构成的角度提出了f b g 振动传感和波 长解调的研究方案，为光纤光栅振动传感技术实现动态测量奠定了一定的理论基础，对 光纤光栅振动传感器的分析和应用具有一定的指导意义。 、 论文的主要研究内容如下： 1 简要分析了f b g 传感技术的基本原理、传感特性。对现有较为成熟和常见的光纤光 栅波长解调方法进行总结。 2 利用耦合模理论推导了光纤光栅反射和透射谱的数学模型以及其反射峰半波带宽的 表达式，以及光栅参数对其反射特性的影响。 3 根据光纤光栅反射光信号的特点，对光电二极管进行选型并设计光电转换电路。根 据光电二极管的特性分析了光电二极管转换的光功率与中心波长的关系及波长转换 的灵敏度。 4 使用v c 语言编程对a d l i n k 公司的d a q 2 0 0 5 数据采集卡进行初始化，并实现数据采 集和处理功能，测试该数据采集卡的精度能符合实验要求。 5 设计搭建光纤光栅振动传感实验系统，对系统各环节进行了理论上的模拟和计算， 利用反卷积理论进行仿真分析。 6 根据单点的f b g 振动传感解调实验原理进行实验。采用快速傅里叶变换( 蝶形变换) 对采集的实验数据进行处理，分析如加载振动信号的主要频率分量和幅值、相位特 往。实验结采与蕊真分季厅穗孝孥。 7 在实验结果的基础上总结该方案的忧缺点，并展耀其应用前景。 关键词：光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅振动传感嚣匹配光栅 波长解调反射落振动检测技术 l l a b s t r a c t a so n eo ft h em o s td e v e l o p e dp a s s i v ef i b e rd e v i c e s ，f i b e rg r a t i n gh a sf u n c t i o n o f r e f l e c t i o nt ov e r yw a v e l e n g t h ，a n di t sw a v e l e n g t hc h a n g e dw i t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i n ，a n d h a se x c e l l e n tf i l t e rp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr e s p o n s e ，w h i c hi sa n o v e lf i b e rp h o t o n i c d e v i c ew i t hr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h e s ey e a r sa n dh a sb r o a da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so ff i b e r c o m m u n i c a t i o na n df i b e rs e n s o r f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o ri san e wt y p eo fs e n s o r ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f r e s i s t a n c et oh i g hv o l t a g e ，l i g h t w e i g h t ，l o wl o s s ，n o n s e n s i t i v i t yt ot h ee n v i r o n m e n t ，s m a l l v o l u m e ，h i g hs i g n a l t o n o i s ea n dh i g hs e n s i t i v i t y ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i s m ，b e t t e ri n s u l a t i o n a n dl a r g eb a n d w i d t h ，b e i n gu s e da ss e n s o ra n dt r a n s m i t t i n gm e d i u ma tt h es a m et i m e ，a n d i ti s m o r ee a s yt or e a l i z em u l t i p o i n to rd i s t r i b u t e dm e a s u r e y e t ，t h en e wt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n b o r no n l yf e wy e a r s ，s ot h e ys h o u l db er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dm o r ed e e p l y i n t h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to ff b gt e c h n o l o g yi sd e s c r i b e da n dt h ea p p l i c a t i o n so f f b gi nf i b e rs e n s o rs y s t e m sa r es t u d i e d ad e t a i l e dd i s c u s s i o nb a s e do nt h ec o u p l e d w a v e t h e o r yw a sd e s c r i b e dt oe x p l a i nt h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n ds e n s o rp r i n c i p l eo ft h ef i b e r g r a t i n g ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no f f 3 gs e n s o rw e r en a r r a t e d f o c u s i n go nt h e p r i n c i p l eo ff b gf a b r i c a t i o n ，i t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i n gp r i n c i p l e ，d e e pr e s e a r c h h a sb e e nc a r r i e do u ti n t h i st h e s i s f u r t h e r m o r e ，t h e 、p a p e rh a sm a d es o m er e s e a r c hi nt h e f i e l d s s u c ha sf b gv i b r a t i o ns e n s o r ，w a v e l e n g t hd e m o d u l a t o r s ，a n dt h ea p p l i c a t i o n so ff b g s e n s o rs y s t e m s b yt h eu s eo ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nm e c h a n i s m so ff b gs e n s o r s ，t h en e w p r o j e c t so fv i b r a t i o ns e n s o r st e c h n o l o g ya r eb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c he s t a b l i s h e st h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rm e a s u r i n gv i b r a t i o nb yf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya n d h a sd e f i n i t e i n s t r u c t i o n a lm e a n i n gf o rd e s i g n i n gf i b e rb r a g gg r a t i n gv i b r a t i o ns e n s o r t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r e ： 1 o nb a s i so fa n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g y ，t h ee m p h a s i sw a sl a i do n t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf b gs e n s o r st om e a s u r ev i b r a t i o n s t h ed e s i g nf a c t o r so ff b g v i b r a t i o ns e n s o r sw e r ec o n f i r m e da n dt h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o db r o u g h tf o r w a r d 2 a n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a lm e c h a n i s mo ff b gc o u p l e dm o d et h e o r yw a sg i v e n t h e r e r i e c r i o na n dt r a n s m i s s i o nf o r m u l a sw e r ed e d u c e d ，a sw e l la st h ee x p r e s s i o no ft h eh a l f i i i 出丕叁鲎亟圭堂燕迨塞 w i d t hf u l lm a x i m u mb a n d w i d t h ， 3 o nb a s i so f t h e 。h o t o d e t e c t o r sc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e nc i r c u i tw a sd e s i g n e d t h e w a v e l e n g t hc o n v e r s es e n s i t i v i t ya n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np o w e ra n dw a v e l e n g t hw e r e a n a l y s e d 4 u s i n gv cl a n g u a g et oi n i t i a l i z et h ed a q 一2 0 0 5m u l t i f u n c t i o n d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， a n dp e r f o r mt h ed a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n 5 ac o n f i g u r a t i o no ff i b e rg r a t i n gv i b r a t i o ns e n s o ri sp r o p o s e d 。t h ee x p e r i m e n tt od e t e c t s i n g l ev i b r a t i o ns i g n a lh a sb e e na c h i e v e d t h er e s u l t h a sb e e ns i m u l a t e dt h e o r e t i c a l l y s o m ee x p e r i m e n t sw e r es e tt ot e s tt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o da b o v e ，s o m ep r o b l e m e n c o u n t e r e da n ds o l v e d ，a sar e s u l tt h ep e r f o r m a n c eo fi n s t r u m e n tw a sp r a c t i c a l l yw e l l i m p r o v e d t h eo u t c o m eo fv i b r a t i o nt e s ti sg i v e n 6 t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) b a s e 一2a l g o r i t h m ，a n dv a r i o u sc o m p o n e n t so ft h e d i s t o r t e dw a v e f o r mt h r o u g hf o u r i e rd e c o m p o s i t i o nw e r ea n a l y s e d w eg e tt h es p e c t r u m o f v i b r a t i o ns i g n a lf r o mns a m p l e dd i s c r e t es i g n a l st h r o u g hd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 7 o nt h ef o u n d a t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n ga r e c o m m e n t a t e d ，t h eu s eo f t h i s a u t o m a t i cd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e i sb e e np r o s p e c t e d 。 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 e ro p t i c a lb r a g gv i b r a t i o ns e n s o r m a t c h i n g 。g r a t i n g d e m o d u l a t i o ns y s t e m r e f l e c t i o ns p e c t r o g r a m v i b r a t i o nt e s t i n gt e c h n o l o g y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒越 日期： 边! ：望 关于学位论文使用授权的声明 、 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垒丝导师签名：王盘孟笠。日期：兰掣 第一章绪论 1 1课题的提出与意义 光纤传感技术是7 0 年代中期发展起来的一门新技术。它是伴随着光纤及光通信技术 的发展而逐步形成的。光纤光栅传感器是在光纤光栅的基础上发展起来的一种波长调 制型光学传感器，包含对被测量的探测和传输两种功能2 1 。它以光纤为传输介质，当光 纤光栅所在环境参数发生变化时，光波的传输特性会随之改变 3 】，利用光纤光栅的这一 特性可以实现对温度、应力、振动、湿度等参数的测量。光纤光栅传感器与传统的电子 类传感器相比具有耐高温高压、抗腐蚀、体积小、重量轻，易于集成和埋覆测量、本质 防爆、抗电磁干扰等优点【4 】。利用光纤光栅的波分复用( d w d m ) 、时分复用( o t d m ) 等技 术还可以实现对多种工业参数的准分布式测量。 近几年来，随着光纤光栅制备工艺的日益成熟，人们对其在光传感方面的研究变得 更为广泛和深入。光纤传感已成为现代化传感领域的一个重要研究方向，在大型建筑、 航空、船舶、电力、煤矿和石油等领域的安全健康监测方面有着广阔的应用前景。与此 同时，波长解调技术也随之迅速发展。目前，出现了各种各样的波长检测方法，包括光 谱仪检测法、匹配光栅法、可调谐法布里一帕罗( f a b r y - p e r o t ) 法、非平衡马赫一曾德尔 、： ( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪跟踪法、可调谐光源法等等【5 】。 传统的传感器难于绝缘处理，易发生爆炸，难以达到安全生产的目的。光纤安全 性好、电气绝缘性能、无电感，不会引起电网谐振、无电容，消耗能量小、耐过压和过 流能力强、体积小、重量轻、监测频率范围宽，特别适合在恶劣环境中使用。 应用光纤光栅传感器来实现系统的动态监测更是克服了传统电子灵敏度低，可靠性 差、使用有效期短，抗潮湿与腐蚀能力差，维护费用较高等缺点。光纤光栅传感器的应 用将会给实际工程的安全生产带来显著的实用价值以及巨大的社会和经济效益。但是， 要使其成为实用化产品，仍有许多问题需要解决。例如：稳定度、线性度、精度、测量 电流的动态范围等。 1 2 国内外研究现状 目前测量振动的主要方法有机械式测量、电气式测量、光学式测量三类。 1 机械式的测量方法是利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来。这种方法抗干扰能 力强，但测量的频率范围及动态、线形范围窄，精度也不高；适用于低频大振幅振动 和扭振的测量。 2 电测方法是将振动参数转换成电信号，然后用电量测试仪表进行测量。这是目前应用 得较为广泛的测量方法。它的技术比较成熟，灵敏度高；但难于绝缘处理，易受电磁 场干扰，难以达到安全生产的目的； 3 光学式的测量方法是将振动参数转换为光学信号后进行测量。这种方法精度高、频率 范围广、电气绝缘、不会引起电网谐振，与机械式和电气式相比具有以下优点： ( 1 )具有较高的灵敏度和分辫率，测量频带较宽，响应速度快。 ( 2 )具有较大的动态测量范围。 ( 3 )振动传感器可以做得很小，以减小传感器对被测对象的附加影响，适于对质量小、 不易安装传感器件的试件作非接触式测量。 ( 4 )能进行远距离测量，可根据不同被测参数选择不同的振动传感器，适合多点测量。 光纤光栅的种类很多，因其应用领域广泛，成为目前研究的热点。目前，国内外许 多的研究机构正积极从事于光纤光栅及相关器件的研究，其中有代表性的研究单位包括： 加拿大渥太华通信研究中心、加拿大t e r a x i o n 公司、澳大利亚r e d f e m 光器件公司、美国 斯坦福大学海军研究室、南加利福尼亚大学光子学中心、f i b e r d y n a m i c s 公司以及英国 s o u t h a m p t o n 大学光电子研究中心等。国内光纤光栅传感器的研发相对国外落后一些，在 、 光纤传感器的基础技术、生产装备技术、中间试验技术方面尤为突出。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光纤光栅解调等相关设备，加快了我国在此领域的 研究步伐。 上世纪九十年代初期，国内的中科院半导体研究所、清华大学、北京大学、北京邮 电大学、浙江大学、武汉理工大学、上海光机所等众多研究单位对光纤光栅器件进行了 大量的理论和实验研究。现阶段，国内大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室 内，但总的来说，经过十多年的研究和开发，我国的光纤光栅传感技术已取得丰硕的成 果，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 方面取得了很大的进步，其主要技术指标已达到国际先进水平。浙江大学信息与电子工 程学系对干涉型光纤传感器的相位载波调制解调技术进行了研究，在实验室中用相位载 波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号：清华大学精仪系精密测试技术及仪器国 家重点实验室对干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术进行了研究，通过测量传感 f b g 与参考f b g 相比的方法消除系统热扰动的影响；北京理工大学光电工程系在进行 出壅丕堂亟主堂焦迨塞 m a c h ，z e h n d e 干涉型光纤水听器研究中指出采用3 x 3 耦合器解涮技术是构成全光纤干涉型 水听器系统的优选方案：武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地己研制出 了光纤光栅应力、温度、振动、加速度、化学等多种传感器，并已研制出解调频率达5 k h z ， 带宽lo n m 的基于边缘滤波器的光纤光栅高速解调器，多路复用光纤光栅动态解调的技术 框架基本形成。 光纤光栅是通过改变光纤折射率，产生小的周期性调制形成的。光纤光栅传感系统 的核一t 2 , 部分是传感信号的解调技术。传感过程中光纤光栅的传感信息以波长编码的形式 被解调系统接收，通过波长解调得到传感信号。对于光纤布拉格光栅的理论分析和实验 研究 6 】表明：光纤布拉格光栅的温度和应变灵敏度很小，因此，波长漂移量的测量精度 直接限制了整个系统的检测精度。如何检测光栅中心波长的漂移量是这类传感器实用化 面临的技术关键。 进入9 0 年代以来，国内外许多研究机构围绕这一关键技术开展了大量的研究工作， 并且从不同的角度提出了许多解调方案。不同方案所采用的技术手段、实验方法也各不 相同，使解调技术的发展取得了令人注目的成果。从系统结构和检测手段来考虑，现有 的解调技术可以归纳为三种类型： 1 窄带激光扫描系统：主要包括两种方法：一种是调节窄带激光源的波长来主动扫描 和跟踪传感光栅的反射谱峰值波长：另一种是构造工作波长可调的激光腔，由传感 光栅的反射信号光来激发激光，从而获取其峰值波长信息。 2 宽带光源配合窄带滤波扫描系统：调节窄带滤波器来对传感信号光进行滤波扫描， 分析谱特性或锁定信号光的中心波长。 3 参量转化解调系统：将信号光的绝对波长或波长漂移量转化为易于探测的光信号参 量( 如强度、相位或偏振态) 来进行检测。 1 3 光纤光栅传感解调技术的主要特点及存在问题 将现有比较常见的几种解调技术进行对比分析，总结各种方案的主要特点如下 7 。3 】： 1 可调谐窄带激光器扫描法：此类系统解调速度较慢，适用于测量静态或准静态测量； 虽然光功率较高，但是光功率越强，激光器的起振模式越多，会引入多纵模模式噪 声，影响系统的可靠性，并且此类系统价格比较昂贵。 2 窄带激光激射法：窄带激光激射法的应力分辨率较低，适用于波分复用传感阵列的 解调。 3 匹配布拉格光栅解调法：此方案具有全光纤设计、精度较高、价格低廉、易于实现 1 等优点，并且信号光功率利用率较高。 4 滤波线性函数法：这种方法消除了光源波动的影响，鼠体积可以做得很小，但是它 的分辨率不离，而且滤波曲线的近似也造成一定的误差。 5 髑嗷毙掇检测法：该方法不受光派波动于挠，系统成本鞠对较燕，有利于维广蕈l 雳； 僵一个瞬嗽光襁只能解调一个f b g 传感器，虽f b g 的发射谱宽丽使系统分辨率不高。 6 光谱仪检测法：光谱分析仪结构复杂，价格昂贵，体积庞大，由此构成的系统不适 合在实际现场使用。 1 4 论文主要研究内容 本文通过对域祷解调方案的分析对院，结合实验室条件，选择匹配光纤光槠解调法， 基于光纤光栅传感原理、光电信号转换以及光信号解调等理论和实验知识，搭建了匹配 光纤光栅振动传感系统。 论文兹主要内容： 1 简要分辑了f b g 侮藩技术的基本蘸穗、传感特性。总镶零凳豹毙纤免秘波长解调方案 的特点。 2 利用耦合模理论推导了光纤光栅反射和透射谱的数学模型、其反射峰半波带宽的表达 式窝光援参数辩其反射特性的影响。 、 3 稷摇竞纾麦撩爱瓣党售号熬特点，对光毫二较营进行逡鍪并设诗竞毫转换泡鼹。攫据 光电二极管的特性分析了光电二极篱转换的光功率与中心波长的关系以及波长转换的 灵敏度。 4 使用v c 语言编穰对a d l i n k 公司的d a q 2 0 0 5 数据采集卡进行初始化，并实现数据采集 秘楚理臻笼，测试该数据采集卡瓣麓菝能符合实验要求。 5 设计搭建光纾光褥振动传感实验系统，进行单点静光纤光秘振动信号测量实验，对系 统各环节进行了理论上和实验上的模拟和计算，利用反漤积理论进行仿真分析。 6 采用快速傅里叶变换( 蝶形变换) 对采集的数据进行处理，分析出加载振幼信号的主 要频率分量程蠛俊、援位特性。实验结果与仿真分手厅榴耱。 7 。在实验绪莱戆蒸萋窭上总结该方案静饶缺点，著震望箕癍臻髓景。 4 第二章光纤光栅传感技术概述 2 1 引言 在低损耗光纤问世后不久的9 0 年代中期就出现了光纤传感器【”】。随着光纤光栅传 感器的发展，从2 0 世纪6 0 年代末至今的3 0 多年时间里光纤传感技术以惊人的速度发 展成为前沿高新技术。光纤传感技术是利用光纤作为光波的载体和调制光的调制器，被 测物理量的变化会引起光的某一性质变化，从而检测出被测物理量的变化。 般的光纤传感系统由光源、光缆、传感器件、光电转换及信号处理四部分组成。 光波作为载波经入射光纤传输到传感头，待测物理量的变化引起光波的某些特征参量在 传感器内发生改变，含有被调制信息的光经光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得 到被测物理量的大小和状态。 与传统的机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、几何形状可 塑、抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、传输损耗小、传输容量大、测量范围广等独 特优势 1 5 - 1 7 】。 2 2 光纤光栅概述 ， 2 2 1 光纤光栅的发展 。 r 早在1 9 世纪人们就认识到光在光导纤维中传播遵从的基本原理是全内反射，它是现 代光学研究领域中光纤研究的基础理论之一。虽然早在1 9 3 0 年就已经成功研制了无包层 的玻璃纤维，但是直到几十年后人们才注意到在光纤外附着一层折射率稍小的材料可以 对光束在光纤中的传播起到约束作用，显著地改善光纤的光学性能，并能够对光导纤维 进行保护。这种附着的材料称为包层，被包层覆盖的光纤称为纤芯。包层和纤芯一般为 同种材料，折射率的差别是通过掺杂浓度的不同实现的。为了增加光纤的机械性能，通 常包层外还有层被称作涂覆层的支撑结构。这便是现在普通光纤，其结构如图( 2 1 ) 所示： 图( 2 1 ) 光纤光栅结构示意图 随着光纤结构的完善以及对其光学性能的迸一步研究，在传统的光学领域中也开辟 了光纤光学这一毅分支，莠虽发展卡分逐速。 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人首次在实验中观察到了掺锗光纤中的光致光栅效应。 他们把4 8 8 n m 氯离子激光入射到掺锗光纤中，发现入射光与从光纤另一端面返回的反射 光在党纾中形残夔驻波予涉条纹能够逡残纾芯摄麓搴浍辘交款髑絮分毒，瑟形成瘊谗瓣 “h i l l 光栅”。但由于其写入效率低并且反射波长受激光写入波长等因素的艰制，这项技 术一直进展缓慢。 1 9 8 9 年，美鏊茨g + m e l t z 等人发镄了紫终裁写入技零，蘧嚣j 嚣鼷嚣柬稳二 ：紫努光簌 光纤的侧面写入光栅。这项技术不仅大大提高了光栅写入效率，而且可以通过改变两束 相干光的夹角来改变布拉格波长。紫外侧写入技术问世后，世界各国对光纤光栅及其应 蠲懿骚究遮逡开震起来，毙纾麦援的铡雩# 鞋及竞纾敏纯技本餐蘩了缀大发震。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人提出了相位掩膜写入技术f 1 8 1 。利用紫外光经过相位掩模衍射 后的士l 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光，写入光纤光栅。这项技术的提出降低了对 写入竞滚程予往嚣要求，经先纾竞撩静巷l 睾更麴客荔，著铰竞纾光耱夔援量生产残为可 能。同年，p j l e m a i r e 等人提出了一种提高光纤光敏性的有效方法，即低温高压载氢技 术1 9 】。这种方法不但可以使光纤光敏性提高近两个量级而且极大地降低了光栅制作成本。 遮羞毙纾党援写入技术豹逐滚完善和发展，雪淘岁 援筵了巍纾光掇鼓东静辑究蒸濑。 各种基于光纤光栅的有源、无源器件不断涌现，光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤 传感辜口光信息处理等各个领域。 2 2 2 光纤光栅的分类 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光予器件。根据物理机制 熬不蘑，竞纾光援虿分为辑曩孝率蠲裁懿程位竞秘窝缓翔蠢撵两类。蓠者主要在纾芯孛影 成折射率的周期分布；后者在光纤结构中形成明显的物理刻痕。通常所说的光纤光栅指 的是折射率调制的相位光栅。根据周期性结构不同，光纤光栅可以分为规则周期光栅( 均 匀光撵) 窝变溺麓竞援( 辈筠匀竞援) 嚣大类。燕粼溺麓竞疆愚豢竞疆豹光学蠲矮潼光 栅轴向保挣不变的光栅，它具有接近于l 的峰值反射率和很窄的半波带宽。这类光栅主要 包括布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅；变周期光纤光栅是指光栅的光学周期沿光栅轴 商交纯豹一类毙稼，它熬反骛重谱一簸览较宽。疆弱期变纯方式弱不嗣，胃戳产生不司豹 反射和透射波形。变周期光栅光纤主要觐括相移光纤光栅( p s f g ) 、取样光纤光栅( s f b g ) ， 超结构光纤光栅( s s f b g ) 和t a p e r e d 光纤光栅等。 6 出丕盔堂亟堂焦迨塞 1 根据光纤光栅成栅机制与光敏机理的不同，结合热稳定性、传输损耗、材料构成、掺 杂浓度等因素考虑光栅可以分为三种：i 型、i i 型矛d i i i 型光纤光栅20 1 。 ( 1 ) i 型光纤光栅：它是由连续的或者能量较弱的多个脉冲激光在掺锗浓度较低的光 敏光纤中产生局部缺陷，引起折射率变化而形成的。它有较理想的透射谱，满足 布拉格条件时短波一侧没有明显的耦合损耗。但热稳定性差，超过3 0 0 时可导 致光栅擦除。 ( 2 ) i i 型光纤光栅：用单脉冲激光成栅时，在不断提高脉冲能量的过程中发现存在一 个取决于光纤中锗浓度的阀值，低于该阀值时形成的光栅均为i 型光栅，高于该 阀值时写入光栅的调制度变得非常大，此时的光栅称为i i 型光栅。它具有很强的 包层或辐射模损耗。与i 型光栅不同的是折射率变化量达l o 3 数量级，热稳定性很 高，可达8 0 0 。i i 型光纤光栅对蓝、绿光不敏感，满足布拉格条件时反射谱短波 一侧有很强的传输损耗。 ( 3 ) i i i 型光纤光栅：对i 型光栅进行过量曝光发现了i i i 型光栅。曝光开始时出现i 型光 栅，随着曝光的继续进行，光栅变得越来越弱，以至消失或只剩下一部分。接着 出现第二个光栅，其反射率可达1 0 0 。i i i 型光栅温度稳定性介于i i 型光栅与i 型 光栅之间，在5 0 0 。c 内稳定性较好。与i 型和i i 型光栅不同的是随着曝光量的增加 折射率呈负增长趋势。 2 根据折射率变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是 否均匀，可将光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型。均匀光纤 光栅的栅格周期与折射率调制深度均为常数：非均匀光纤采用特定形式的函数对光纤 光栅的栅格周期或折射率调制深度进行调制。这种分类方式侧重光纤光栅写入的结 果，主要用于光纤光栅有源与无源器件的设计和研发实用领域。 ( 1 ) 均匀光纤光栅 ( a ) 均匀周期光纤布拉格光栅( p e r i o d i cf i b e rb r a g gg r a t i n g ) ：均匀周期光纤布拉格光栅 是最早发展起来的一种光栅，其栅格周期与折射率调制深度均为常数2 “。折射率调 制深度一般为l o 一1 0 一。它的半波带宽和反射率可以通过改变写入条件灵活地调节。 光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅都属于此类。目前在光纤通信和 光纤传感领域应用极其广泛。 ( b ) 长周期光纤光栅( l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ) 1 2 2 1 ：长周期光纤光栅周期远大于一般的 光纤光栅，可达到几百微米。它将光波中某频段的光耦合到包层中损耗掉，而不是 出丕盔堂亟堂焦途塞 反射回去。长周期光纤光栅除具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能 优良的波长选择性损耗元件。与普通f b g 榧i 比，它对环境的变化反应更加灵敏。因 此，长周期光栅是e d f a 增益平坦和光纤传感的理想元件。 ( c ) 闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) ：在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤纤芯 不严格垂直，而是有一个小角度( 闪耀角) ，这样写入的光栅称为闪耀光纤光栅 2 3 。 在光栅传输曲线上，布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带，其强度随闪耀角 大小而变化，且与基模和反向传输的其它导模之间的耦合程度相对应。它不但能引 起反向导模的耦合，而且还能将基模耦合到包层中辐射掉。 ( 2 ) 非均匀光纤光栅 ( a ) 啁啾光纤光栅( c h i r pg r a t i n g ) ：栅格间距不等的光栅通常称为啁啾光纤光栅。线性 啁啾光纤光栅纤芯的折射率在整个区域内沿轴向呈单调、连续、准周期线性的变化； 分段啁啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内呈单调、连续和准周期的线 性变化。反射型啁啾光栅反射带宽最宽可达几十纳米，远远大于均匀周期光栅的带 宽。啁啾光纤光栅应用很广泛，主要用来做光纤放大器的增益平坦、色散补偿和光 纤激光器的性能优化等。 ( b ) t a p e r e d 光纤光栅：这种光栅的耦合系数不是常数。t 印e r e d 光纤光栅的折射率沿 光栅轴向被特定的函数( 如正弦或余弦函数的平方) 调制，但其栅格周期保持不变。 通过改变调制函数及有关参数可以改变其反射谱的形状。常见的有高斯分布型及正 弦调制型。高斯分布的t a p e r e d 光栅能够抑制光栅反射谱的旁瓣，得到更好的色散补 偿效果；正弦调制的t a p e r e d 光纤光栅具有多个反射峰，能同时输出多个波长，可在 光纤环形腔激光器中使用。 ( c ) 相移光纤光栅( p h a s e s h i n e d f i b e rg r a t i n g ) ：相移光纤光栅 2 5 】可视为光纤布拉格光栅、 长周期光纤光栅或啁啾光纤光栅的栅格周期被函数调制的结果。它的主要特点是可 以在周期性光栅光谱阻带中打开透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高 的选择性。利用相移型光纤布拉格光栅可以构造多通道滤波器件，用于e d f a 的增 益平坦。相移光纤光栅在光通信及光谱分析等研究领域具有很高的应用价值。 ( d ) 摩尔光纤光栅( m o i r ef i b e rg r a t i n g ) ：利用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤 同一位置进行二次曝光所得到的光栅称为摩尔光纤光栅。它可视为光纤光栅( 布拉 格或啁啾光纤光栅) 的栅格周期与折射率调制深度被特定函数( 如正弦或余弦函数) 共同调制的结果。摩尔光纤光栅的光谱特征是在反射带中开一个很窄的透射窗口， 出丕盔堂亟堂焦诠塞 实际上相当于一个a 4 棚移光纤光栅。因此，摩尔光纤光栅在滤波器、色散补偿及 通道选择器等方面具有良好地应用前景。 ( e )超结构光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rg r a t i n g ) ：超结构光纤光栅就是利用方波函数 对光纤布拉格光栅或啁啾光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅。超结构光纤光 栅的反射谱具有一组分立的反射峰，并且波长间隔相等，用一根超结构光纤光栅可 实现多信道的同时色散补偿。超结构光纤光栅可用于梳状滤波器、多波长光纤激光 器等领域。由啁啾光纤光栅调制而成的超结构光纤光栅，在波分复用系统中的色散 补偿方面具有潜在的应用价值。 2 2 3 光纤光栅的写入技术 1 9 7 8 年，h i l l 研究光纤的非线性时发现透射光强随曝光时间增加而迅速减弱，而反射 光强随之增加，导致光纤的折射率周期性变化，于是就产生了世界上第一根光纤光栅。 此后，光纤光栅的制作技术取得了很大的发展。采用适当的光源和光纤增敏技术，几乎 可以在所有种类的光纤上写入光栅。目前，光纤光栅的写入方法主要可分为下列几种： 1 短周期光纤光栅的制作 ( 1 ) 内部写入法 2 6 1 ：早期的光栅是利用4 8 8 n m 可见光的氢离子激光器，通过延长注入光 f 纤芯中的光辐射时间的方法在纤芯中形成的。来自氢离子激光器的光经分光器后注 入到一段短光纤中，反射回来的光再经过分光器，从前端注入到光纤中的激光光束 与反向传输的光发生干涉，在光纤芯中形成一个弱的驻波强度分布。由于光纤纤芯 对光子敏感，所以在干涉区内光强的位置改变更多。这样，折射率的扰动就形成了， 且光纤光栅周期与干涉光的空间周期相同。该方法要求光纤的锗含量高，芯径小， 并且只能够制作与写入光波长相同的光纤光栅，目前很少被采用。 ( 2 ) 全息成栅法 2 7 】：1 9 8 9 年，g m e l t z 等人利用高强度紫外光源形成的全息干涉条纹进行 侧面横向曝光来产生光纤芯的折射率调制，即光纤横向曝光。这种方法采用2 4 4 n m 紫 外光辐射，利用单光子实现光致折变。这种光栅写入过程与可见激光相比，光敏性增 加了百万倍。此外，横向曝光技术可以通过改变两光束的夹角，在光纤的任何位置上 制作出任意周期的布拉格光纤光栅。横向写入光栅技术正以其高精度、低成本逐渐受 到人们的青睐。 2 目前紫外写入光纤光栅的方法大体有如下三种方法： ( 1 ) 全息曝光法【2 8 ：全息曝光法制作光纤光栅是人们较早采用的一种工艺。它首先通过 分束器将光源分成两束等强度光，再经过相同的光程照射在光纤上，形成强度周期 9 出壅盔堂亟主堂筮逾塞 性变化的干涉条纹。光纤的折射率也随之发生周期性的变化，这便形成了光纤光栅。 全息曝光法嚣主要钱患楚光糍裁佟爝袈调谤方馁灵活，改变入射光素款夹热印可改 变光纤光栅的周期；缺点是对光源时间相干性癸求较高，且温度变化以及振动都会 对制作产生不良的影响。 f 2 ) 稳位楚模法2 9 l ：摄爨薄淫尔透场分蛮计算可瓤：疆予毙源经过蒸有一定空瓣舞絮分 布的相德光栅后可形成0 级与1 级的簿高阶衍射；利用其中的任意两束部可以在光栅 附近的近场范围内形成干涉条纹。相位掩模法利用特殊的相位掩模( 即相位光栅) ， 结合不澍入菇角，毒强簿翻其中较瀑显又不霰簧蕊翡_ ! l 于寒，馨下嚣令等强渡汝较强 衍射束，获得对比度较高的干涉条纹。相位掩模法制作优点猩于对入射光空间相干 性要求较低，且光束周期与入射光波长无关，对光路稳定性要求也较低，最重要的 是巅予大蹴量生产；缺点是走摇翻佟中瘸裳哥谈瞧鞍差，透露来说一个稳僮楚模器 只适合于一种空间周期光纤光栅的制作。 ( 3 ) 逐点写入法【3 0 1 ：逐点写入法是利用离精度步进电机带动光纤，每隔一定距离在极窄 蕊激光寒下瀑光一次，在竞纾上形藏瘸赣瀑竞点疆形成光强；它有两静写入方式： 种是步进电机每步一停，激光器发出一个激光脉冲，光纤光栅的制作精度取决于 电机定位的精度；另靴方法是电机连续拖动光纾，激光器以一定的速率避续发射 、 激竞繇冲，毙纾毙褥黪麓俸精度取次子逄辊转逮帮激光熬 孛瓣蕊静均匀疆爱。逐点 写入法的优点是制作程序灵活可变，但是对电机控制的精确度骚求很高。 ( 4 ) 移动平台法：实验结构的主体包括蹰个移动平台，掘位掩模与光纤固定在一起，可 戳移动。稍两一个溺麓不变匏糖佼掩模，改变磷令透镜之淘瓣距离就可以笃入不嗣 波长的光纤布拉格光栅，通过改变光束的聚焦，还可以写x c h i r p 光栅。控制每个基 本光栅的曝光时间可羧制切趾光栅剐薤，这对于抑制反射谱申旁瓣的影响舆有十分 重要的爨义。 ( 5 ) c 0 2 激光写入法：通过计算机控制平移台，实现光纤的准直和固定及曝光间距的控制， 采用1 0 6 1 k i n 自由空闻二氧化碳激光嚣对光纤直接曝光，可以翳入不同周期的长周甥 光裰。该方法无须采麓綮外光，不麓载氢处理，肖缀爵豹应麓蓊景。 2 2 4 光纤光栅的应用 竞纾竞稀霹将竞纾中转播豹光波扶一耱模式藕合翻另努一耱与入菇竞波不阏豹转摇 模式上。反射波长的测量可以通过对栅格间光程的测爨来实现，该光程是温度和应变的 涵数，因此光纡光栅可用以来直接检测濑度和应变这鼹个物理量。其它物理量( 如位移、 1 0 由东大学硬士学整论文 灞度、压