（光学专业论文）光纤布拉格光栅传感系统的波长解调技术的研究.pdf

摘要 摘要 光纤布拉格光栅( f b g ) 自1 9 7 8 年出现以来，由于其良好的滤波特性和灵 敏的温度、应变响应，已经在光纤通信、传感、测量等领域取得了广泛应用。光 纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器的优点外，其突出特性是：被测信号是波 长编码的，并且方便利用时分、波分复用技术实现对多种传感量( 应力、温度、 强磁场等) 的准分布式多点测量。如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调是实 现光纤光栅传感器应用的关键技术之一。 本文首先概括介绍了光纤光栅的诞生与发展、光纤光栅传感器的原理与应 用、光纤布拉格光栅传感解调的国内外现状。概述了光纤光栅的分类与制作方法， 分析了光纤光栅的折射率分布特性及其耦合波方程。在此基础上，分析了光纤光 栅温度和应变传感机理。 接着，对目前国内外已经研究过的光纤光栅传感系统波长解调方法进行了简 单的归纳和分析，并对高双折射光纤环镜波长解调技术进行了系统的理论分析和 实验研究。用高双折射光纤长度分别为o 0 2 m 、o 1 m 、3 0 m 和2 0 0 m 组成的s a 弘a c 光纤环镜进行了实验。通过分析，导出了光透过率与光波长之间的关系式，得出 光透过率随波长变化的频率大体不变，且光透过率变化的频率与环镜中高双折射 光纤的长度近似成正比的结论。通过实验与理论结合，提出了一种新型的波长解 调技术计数波长解调技术。这种技术是通过记录透过率变化的周期数，来判 断波长的变化量，从而推出待测物理量的微小变化。 其次，对这种新型计数波长解调技术进行了进一步的实验探索，用运算放大 器c a 3 1 3 0 制作了差分放大器。设计并制作了1 0 m h b f 环镜和双高双折射环镜计 数波长解调系统，并采用伟福s 5 1 单片机p 8 7 c 5 2 ( p m l i p s ) 和模数转换芯片 a d c 0 8 0 9 设计a d 转换电路，实现了光纤布拉格光栅传感系统波长信号的解调。 该技术完全避开了通过测量信号的幅度变化来测量波长的变化，具有抗干扰能力 强、测量精度高、结构简单、价格低廉和使用方便的优点，对f b g 传感器的使 用和推广具有重要的实际意义。 关键词光纤光栅传感系统；波长解调；高双折射光纤环镜；计数方法 a b s 仃a c t a b s t r a c t s i n c e 舫e rb r a g gg r a t i n ga p p e 蹦捆i n19 7 8 ，i th 嬲o b t 痂e da b r o a da p p l i c a t i o n b e c a u s eo fi t sg o o df i l t 嘶n gc h a r a c t e ra 1 1 ds e l l s i t i v et ot 既1 p e r 狐鹏锄ds 仃a i nr e s p o n s e i nt h ef i e l do ff i b e rc o m 删c a t i o i l ，s e n s e ，m e a s u r e ，e t c f i b e rb r a g g 刚i n gs e n s o r s h a v em em e r i t sw 1 1 i c h 也ec o m m o nf i b e rs e n s o r sh a v e f 试h e r m o r e ，廿l e i rp r o m i n e n t c h a r a c t e ri st h a tm em e 踟d n gs i 伊a li sw a v e l e l l g t l le n c o d i n g t h e yc a l lr e a l i z e 也e d i 蛐b u t e dm u l t i p l e p o i n tm e a s u r e i i l e n t t h e ya r ec o n v 砸e n tt om e a s u r em a n yk 血d s o fs e i l s i r 培p h y s i c a lq u 觚t i t y ( s t r e s s ，t e m p e r a t u r e ，s t r o n gm a g n e t i cf i e l d ，e t c ) u s i n g t i m ea n dw a v e l e i l g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c m q u e s h o wt od e m o d u l a t em e w a v e l e n g me n c o d i n gs i 弘a li so n eo ft l l ek e yt e c l l l l 0 1 0 西e sf o rm ea p p l i c a 土i o no ff i b e r 伊a t i n gs e n s o r s f i r s tt 1 1 en a i s s a n c ea n dd e v e l o p m e n to ff i b e r 黟a t i i l g ，m e p 而i p l e a r l d 印p l i c a t i o no f 助e r 黟a t i i l gs e n s o r s ，m ea c t i l a l i t yo fw a v e l e i l g t hd e m o d u l a t i o ni no u r c o u 工l t r ya n da n yo m e rc o u n t r i e 8a r eo u t l i i l e di 1 1m ep a p 既a n dm es o r ta n dm e f a b r i c a t i o pm e t h o d so ff i b e r 咎a t m ga r e 幽d u e e d i ta n a l y z e st h er e 丘a 确v ei n d e x p r o f i l ec h a r a c t 嘶s t i ca n dt l l ec o u p l e dw a v ee q u a t i o n t h e i l 戗l ete m p e r a t u r ea n d s t r a i ns e n s i n gm e c h a n i s mi sa n a b ，z e d 1 1 1 钮m em e 也o d so fw a v e l 鼬d 锄。叫a t i o no ff b g s e i l s i n gs y s t 锄讹c h h a v eb e e i lr e s e 踟h e da r er e v i e w e d i t s y s t e i i l i c a l l ya n a l y z e s t l l ed e m o d u l a t i o n t e c m 0 1 0 9 yl 】s i n gm eh i 啦b i r e 伍n g e n tf i b e rl o o pn l i r r o ra n dm a n ye ) 【p e r i = m e n t sh a v e b e e i ld o n eo ni t w ec a n yo u t 廿l ee x p 耐m e n to nf o u rk i n d so fh b fs a 弘a c1 0 0 p m i r r o rf i l t 旺t h el 衄g mo f h b fi s0 0 2 ，o 1 ，3 0a n d2 0 0m e t f r o m 1 i sw ee d u c em e r e l a t i o n s l l i pb e t w e e no p 石c a l 订a i l s m i s s i b i l i 够a i l do p t i c a lw a v e l e n g m ，a 1 1 dm a ：k ea c o n c l u s i o nm a tm e 丘e q u e n c yo fo p t i c a lt r a n s n l i s s i b i l i t y 埘1 1n o tc h a 工l g ef o l l o w i n gm e w a v e l e i l g mc h a n g e ，a 1 1 di ti sd 沁c tr a t i ot o l ei e l l 拙o fm eh b f i i lm e1 0 0 pi i l i 仃o r 1 1 h e i lw ep r e s e n tan e wt y p eo fw a v e l 髓g md e m o d u l a t i o nt e c m q u e c o u l l t i n g w a v e l e i l g md e m o d u l a t i o n n o u g l l 1 er e c o r d c dn 1 1 1 1 1 b e ro fc h a i l g e dp 砸o d so ft 1 1 e 0 p t i c a l 仃a i l s m i s s i b i h 饥m ew a v e l e n g t hv 碰a t i o nc 觚b ej u d g e d w ec a nk n o wt h e m i n u t ec h a n g eo fm ep h y s i c 2 l 1q u a m 时w h i c hn e e d st ob em e a l s u r e d n e x t ，协o r d e rt o 向r t b e re x p l o r em en e wt y p ew a v e l e n 础d 锄o d u l a t i o nm e m o d a 1 1 dv 耐矽i t sf c a s i b i l i 坝w ed e s i 班e dd i f 】研e n c e 锄p l i 丘e r 丽mo p e r a t i o n a la i 】叩1 i 矗e r ( c a 313 0 ) a 诹w em a l ( et w dk i 工l d so fw a v e l e n g md e m o d u l a t i o ns y s t e mw i 也1o m e 缸h b fa 1 1 dd o u b l eh b f 1 0 0 p1 1 1 i 玎d ra n dd om a n y - e x p e r i m e n t sw i t ht h e m 。w b a d o p ts 5 1 s i n 雷ec 1 1 i pm i c r o c o m p u t e r ( p 8 7 c 5 2 ) a n da 1 1 a l o 哥d i 垂t a lc 0 n v e r s i o nc h i p ( a d c 0 8 0 9 ) t od e s i 盟dc o i l 、懈s i o nc i r 毗h lm ee n d ，w er e a l i z em ew a v e l e n g 1 d e i r m d u l a t i o no f 丘b e rb r a g g 笋a t i n gs e i l s i n gs y s t e i l l 1 k st e c l l n 0 1 0 钉h a u sm 锄y a d v a l l t a g e ss u c ha ss 们n ga n 蜘撇i n ga b i l i 咄l l i 曲p r e c i s i o n ，s 呻1 es 觚咖e ，l o w c o s ta n dc o n v e m e n tu s e s ot h i sw a v e l e n g md e m o d u l a t i o n ( 【e 访c eh a l sa c t u a l i 北京丁业大学理学硕士学位论文 s i 伊i f i c a n c ef o rw i d e s p r e a d 印p l i c a t i o no f f b gs e n s o r s k e y w o r d s 行b e rb r a g g 蓼a t i n gs e n s i n gs y s t e m ；w a v e l e n g t l ld e m o d u l a t i o n ；h b f1 0 0 p m i r r o r ；c o u n t i n gm e 吐1 0 d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 签名：聋一擎亟 导师签名： 1 日期：递星：笪：兰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 光纤光栅的诞生与发展 光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。所谓 光纤光栅，就是利用某种手段使得光纤的物理结构沿轴向呈规律分布，用来改变 光在其中传播路径的一种光子学器件，这种物理结构沿轴向的分布规律主要表现 为光纤纤芯折射率的周期性分布。光纤光栅作为优良的传感及通信器件始源于 1 9 7 8 年，当时加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人首次在掺锗石英光纤 中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅【1 1 。十余 年后，在1 9 8 9 年美国联合技术研究中心的gm e l t z 等人以准分子激光泵浦的可 调谐倍频染料激光器输出的2 4 4 n 加紫外光为光源，用全息干涉法以侧写技术在 掺锗石英光纤上研制出第一个布拉格波长位于通信波段的光纤光栅【2 】，该项技术 促进了全光纤通信技术的发展，而且在光纤传感领域开辟了新的重要分支光 纤光栅传感。 光纤光栅分为很多种类，根据光纤光栅的波矢方向、空间周期分布及周期大 小，光纤光栅可分为四种基本类型，即光纤布拉格光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光 纤光栅和长周期光纤光栅【3 1 。光纤布拉格光栅( f b g ) 是最早发展起来的光纤光 栅，也是应用最广泛的光纤光栅。 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过 掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应变化的特性( 这种现象亦 称之为光致折射率变化效应) 。光纤光栅的制作方法近年来得到了人们的广泛研 究，发展了多种制作方法，目前制作光纤光栅的方法主要有全息成栅法、相位掩 模法和干涉法。相位掩模法制作光纤光栅是目前使用最为广泛的方法，这种方法 大大降低了制作光纤光栅的复杂性，而且不需要高相干性的紫外光源【4 捌。 随着光纤光栅制造技术的不断成熟和完善，其应用的成果日益增多，从光纤 通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而 发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技 术之后的又一重大技术突破。光纤光栅的出现将改变人们在光纤技术应用中的传 统设计思想，并使全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入 全光信息时代带来了无限生机和希望。 1 2 光纤布拉格光栅传感技术的特点和应用 1 2 1 光纤光栅传感技术的特点 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光纤通信系统 中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。在这类应用中，光纤传输的光信号 受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影 北京工业大学理学硕士学位论文 晌，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化会引起光纤光波参数( 光强、相位、 频率、偏振、波长等) 的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就 可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以 直接测量的信号的技术。光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且由于光波在光 纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、相位、波长等) 因外界因素( 如温度、 压力、应变、磁场、电场等) 的作用而直接或间接发生变化，从而也可将光 纤用作传感元件来探测各种物理量，其原理图见图1 1 ，这就是光纤传感器应用 的基本原理。 光纤一光波传播的媒质 ：温度、压力、应变、； 、电场、位移等， 。，- 。- - - - - 一。， 图1 1 光纤传感原理简图 f i g 1 - ls c h 眦a t i cd i a g r a mo f 丘b e rs e n s o rp 血l c i p l e 而对于光纤光栅传感器，是利用光波波长的变化来探测外界物理量的，称为 波长编码。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，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。通过测定波长的变化， 即可测定外界物理量的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。 光纤光栅传感器具有如下明显的优点 7 】： ( 1 ) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因 素的影响； ( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要， 结合波分复用( w d m ) 和时分复用( t d m ) 技术，每根光纤中可以设置多个光 纤光栅构成分布式的传感点，便于空间组网，分辨精度高； ( 3 ) 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 范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想器件； ( 4 ) 光纤光栅输出的是绝对波长量( 它具有内在的波长度量刻度) ，可以作 为绝对量的测量； ( 5 ) 利用复合结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备多参数智能传感元 第1 苹绪论 件等。 1 2 2 光纤光栅传感技术的应用 光纤光栅传感器目前正趋向于实用化，具有广阔的应用前景，其应用主要集 中在以下几个领域： 。 ( 1 ) 民用工程结构中的应用 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。目前用于民 用工程结构监测的光纤光栅传感器已经商品化。例如，美国的b 1 u e r o a dr e s e a r c h 就生产商用的光纤光栅传感器。他们生产的埋有横向光纤光栅传感器的承重元件 可用于桥梁、隧道、公路的结构应变监测，同时可测量车速，控制交通【8 - 9 】。 ( 2 ) 航天器及船舶中的应用 为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速 度情况，通常需要1 0 0 多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现 多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。如美国国家宇航局在其x 3 3 原型 机上安装了光纤光栅多方向应变和温度测量系统u ”“。 ( 3 ) 电力工业中的应用 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，且可以在高 压下工作，从而成为电力工业应用中的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的 温度等都可利用光纤光栅传感器来测量。 ( 4 ) 石油化学工业中的应用 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1 、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抗电磁干扰、耐高温、 长期稳定并且抗高辐射非常适合于井下传感u “，挪威的0 i p t o p l a 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。美国的c i d r a 和英国的s m a nf i b r e s l t d 都已经将光纤光栅传感技术用于海洋石油平台的结构监测 1 3 】。 ( 5 ) 医学中的应用 光纤光栅传感器不仅不会受到电磁场的干扰，而且它具有很小的尺寸，能够 以最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声 波场的精确局部信息。 随着光纤光栅传感器技术的发展，很多新的应用正随之出现，如光纤光栅传 感器在加速器领域、核领域、安全识别领域u q 等的应用。 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，如 b h l er 0 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、南开大学及黑龙江大学掣1 5 以6 1 。 北京1 二业大学理学硕士学位论文 1 3 光纤布拉格光栅传感解调技术 在光纤光栅传感系统中，主要由三部分构成：光源、传感器和解调系统。其 中光源提供整个系统中的光能，传感器则利用光源中的光波来感应外界的待测信 息，解调系统则把待测信息进行处理后，用人们熟悉的方式显示出来。随着对光 纤光栅传感的深入研究，其研究的重点已经转向了解调系统，这是由于光纤光栅 解调系统的成本通常占整个传感系统成本的绝大部分。 信号解调过程实际上是一个被测信号的检测过程。它与传感过程正好相反， 光信号解调技术是研究从被调制的光信号中还原出原被测信号的解调技术，还原 得到的信号将比例于被测信号，或与被测信号有其它确定的函数关系。当被测量 ( 如应力、温度等) 变化时，f b g 的反射波长将会移动，而且反射波长的移动量 与被测量的变化量成线性关系。 一般光纤传感器绝大部分都是光强型和干涉型的。前者的信息读取是测量光 强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测 量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而干 涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，从而使光纤光路的灵活和连接的方便 等优点大打折扣。而且它是一种过程传感器而不是状态传感器，必须要有一食固 定参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。 与一般的光纤传感器相比，以光纤光栅作为敏感元件的传感器的独特优势在 于它是波长编码的传感器。光纤光栅传感器的探测量是光纤光栅的反射波长的移 动量。与光源的强度及其波动无关，与光的偏振态无关，所以它抗干扰性很强。 而且可以很方便地用波分复用技术和时分复用技术构成光纤光栅传感网络，实现 多点传感。 如何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实用化的 关键，对中心波长位移的检测精度直接限制了整个系统的检测精度。所以用光纤 光栅构成的传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。对光纤光栅传感器 的波长位移最直接的检测方法就是用光谱仪( 或单色仪) 检测输出光的五，这 种方法的优点是结构简单，适于实验室使用，缺点是传统的以色散棱镜或衍射光 栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足要求。虽然高分辨率的光纤光谱分析仪 可以满足要求，但这类光谱仪的价格昂贵，体积庞大，由此构成的系统缺乏必要 的紧凑性和牢固度，在一个面向实际应用的传感器系统中采用这类光谱仪检测光 纤光栅的波长位移是极不现实的，更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的 电信号，这对于测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号 已达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的。 对于光纤光栅传感系统，如何实现波长解调，迄今为止，人们进行了很多这 方面的研究工作，竞相开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解 第1 审绪论 调系统，提出了许多解调方案，并且取得了令人注目的进展。目前提出的解调方 案大致分为四种：滤波解调法、干涉解调法、可调谐光源解调法和色散法【l 八。例 如边缘滤波法、可调匹配光栅滤波法、高折射环镜滤波解调法、非平衡马赫一曾 德干涉仪解调法、可调谐光纤法布里一珀罗滤波解调法、可调谐窄带光源法、锁 模解调法、色散光栅解调法等【1 8 2 0 1 。 在以上解调方法中，大多是先将光纤光栅传感的波长变化信号转变为光强变 化信号，然后通过测量强度的变化( 一般采用光电探测器将光强信号转换为电信 号进行测量) 来测定被传感量的变化，被称为强度编码解调。这种方法的优点是 结构简单，测量比较方便，所以普遍被采用。但这种方法精确度不高，光源输出 功率的不稳定及光信号在传输过程中受到的外界干扰等都会引起光强度的变化， 这些变化和被测物理量引起的光强变化混在一起，很难区分开来，所以强度编码 解调是不稳定的，测量精度差。前面提到过，光纤光栅的波长编码传感的抗干扰 性很强，如果采用强度编码的方法来进行检测，则其波长编码传感的优点就被破 坏掉了。 现有比较成熟的，并实现商用的波长解调装置是采用法布里一珀罗( f p ) 干涉仪作为滤波器进行光纤光栅的波长解调，实际上是一种强度解调。这种方法 测量的是改变f p 谐振波长的压电器件的电压幅度。这种装置结构比较复杂，价 格昂贵，限制了光纤光栅传感的广泛应用。 基于上述情况，本论文的研究拟寻求一种结构简单，价格便宜，又能保持光 纤光栅波长编码传感优点的解调方法。经理论与实验研究，我们找到了一种基于 高双折射光纤构成的s a g n a c 光纤干涉仪的计数波长解调方法，该方法可以达到 预期的研究目的。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 论述了光纤光栅的相关理论，主要内容包括：光纤光栅折射率分布特 性；光纤光栅的耦合模理论；光纤光栅温度和应变传感机理。 ( 2 ) 对目前国内外已经研究过的光纤光栅传感系统波长解调方法进行了简 单的归纳和分析，并对高双折射光纤环镜计数波长解调技术进行了系统的理论分 析和实验研究。分别用高双折射光纤长度为0 0 2 m 、o 1 m 、3 0 m 和2 0 0 m 组成的 s a 趴a c 光纤环镜进行了实验，并对实验结果进行了数据分析。研究给出一种可 行的新型波长解调技术计数波长解调技术。 ( 3 ) 对这种新型计数波长解调技术进行了进一步实验探索，设计并制作了 差分放大器、1 0 i i l h b f 环镜计数器和双光纤环镜计数器。采用伟福s 5 1 单片机 _ p 8 7 c 5 2 ( p h n i p s ) 和模数转换芯片a d c 0 8 0 9 设计模数转换电路，实现光纤 光栅传感系统波长信号的解调，并对环境温度进行实时监测。 北京工业大学理学硕士学位论文 1 5 本课题来源 本论文涉及的内容来源于对北京市教委资助项目“光纤光栅传感在建筑物应 变测量中的应用 课题的研究。 第2 章光纤光栅传感理论模型及传感机理分析 第2 章光纤光栅传感理论模型及传感机理分析 就目前公认的理论而言，耦合模理论是分析光纤光栅的最基本的方法，它能 够比较全面、细致地描述光在折射率均匀变化的光纤光栅中的传播规律。本章首 先概述了光纤光栅的分类与制作技术，分析了其折射率的分布特性，接着在耦合 模理论基础上对光纤光栅理论进行了系统的论述，并分析了光纤光栅温度和应变 传感机理。 2 1 光纤光栅的分类与制作 根据光纤光栅的波矢方向、空间周期分布及周期大小，光纤光栅可分为四种 基本类型，即光纤布拉格光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅。 若进一步对光栅的折射率分布及其调制深度进行调制，在四种基本光栅类型的基 础上又可分为多种衍生光纤光栅类型，即超结构光纤光栅、相移光纤光栅等。 光纤光栅是利用光纤的光敏性制作而成的，所谓光敏性是指光纤受激后产生 永久性的折射率变化的特性。光栅的制作是利用紫外光照射光敏光纤，在纤芯形 成一种周期性的折射率改变，普通商用光纤光敏特性很差，饱和折射率变化一般 不超过3 1 0 ，因此如果不对光纤作前期的增敏处理，很难制作出高质量的光纤 光栅。目前常用高锗掺杂、掺硼、刷火、载氢等方法来增加光纤的光敏性【2 l 塌】。 目前光纤光栅的制作方法【2 4 。2 6 】主要有全息成栅法、相位掩模法和干涉法。这 几种方法都是对光纤纤芯的部分区域进行紫外曝光，使这些区域的折射率发生改 变，从而形成折射率周期分布的光栅。 2 2 光纤布拉格光栅的理论模型 2 2 1 光纤光栅折射率分布特性分析 光纤光栅是利用光纤的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起 折射率永久性变化) ，用光波干涉技术在光纤中形成折射率调制的一维光子器件。 光敏的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定 波长的光波发生相应的模式耦合，使其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异 性，从而透射或反射出特定波长的光波。对于整个光纤曝光区域，由下列表达式 给出折射率分布一般的描述【2 | 7 1 。 以。，仍z，：三-f，仍力 h 口。 口l j ，i 口2( 2 1 ) 口2 式中，缈，z ) 为光致折射率变化函数，具有如下特性： 北京工业大掌理学硕士学位论文 f p ，缈，z ) ：型翌型 ( 2 2 ) 甩l 其中： i f ，伊，z ) i ：塾篓( o 口，则( 2 4 4 ) 式可简化为 ， 竺 芝= t + ( 1 一p 。) 口，曲 z( 2 4 6 ) 在1 5 5 0 1 1 r i l 处，光纤光栅的