光纤光栅传感器理论基础.doc

光纤光栅传感器理论基础1光纤光栅的基础理论介绍11.1光纤光栅的发展11.2光纤光栅的分类21.3光纤光栅的制作52光纤布拉格光栅的结构63光纤布拉格光栅的传感机理73.1光纤布拉格光栅的温度传感模型83.2光纤布拉格光栅的应变传感模型93.3光纤光栅的交叉感染传感模型104光纤光栅的几种典型解调方法114.1非平衡M-Z干涉仪扫描法114.2可调谐F-P滤波法124.3 边缘滤波器法131光纤光栅的基础理论介绍1.1光纤光栅的发展在光纤中制作光栅新技术的出现，在二十世纪末带来的巨大的影响。它给光纤通信技术以及光纤传感技术等相关领域带来了一次里程碑式的革命，使得人们可以制作大量基于光纤光栅的新型光有源无源器件和智能传感器。光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating：FBG）。1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次观察到掺锗光纤中光诱导产生光栅效应，并利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅光纤布拉格光栅。1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人运用准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm紫外光作为光源，用双光束侧面全息相干法在掺锗石英光纤上研制出世界上第一根位于通信波段布拉格谐振波长的光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。1993年，Hill等人又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，降低了对紫外光源相干性的要求，重复性好，适于大规模生产，这使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅，免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂敷层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光纤光栅。1994年6月，R.Kashyap等人用线性阶跃啁啾相位模板研制成功线性啁啾光纤光栅，它由n段均匀光栅组成。同年12月，Eggleton等人用振幅模板在光纤上刻出取样光栅。这种光栅利用空间上的取样在频谱中造成多个反射峰，可制作多信道器件。自从K.O.Hill等人于1978年首次研制出世界上第一只光纤光栅光纤布拉格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。人们除了继续发展和优化光纤光栅以外，在此基础上先后研制出了一些具有特殊用途的光栅，比如高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等。可以相信，随着研究的深入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和得到更加广泛的应用。当前对光纤光栅研究的主要内容有三个：光栅的写入技术研究；光栅的传输特性和传感特性，即光纤光栅理论的研究；光栅应用的研究，主要集中在光通信和光纤传感器的领域。当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题主要有：1)光源问题。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(ELED)，其功率较低，而激光二极管(LD)的带宽则较窄。2)光纤光栅基本性质的研究，包括光纤材料光敏特性的机理；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；交叉敏感的解决途径。3)信号解调技术的研究，实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，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。4)光栅传感器的实际应用研究，包括FBG的制作技术、封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术和在材料与结构中埋入FBG传感器的可行性研究。5)多路复用传感器阵列的研究，实现多点、多参数、多变量同时测量的智能化遥测是发展的重点，即对分布式传感网络的研究。1.2光纤光栅的分类1）按光纤光栅的周期分类根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于1m的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，其反射谱如图1(a)所示。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器，其透射光谱如图1(b)所示。 图1 (a)光纤布拉格光栅反射谱 （b）长周期光纤光栅透射谱2）按光纤光栅轴向折射率分布不同分类根据光栅轴向折射率分布的不同，如下所示，光纤光栅可分为一下几类13：(a)均匀光纤光栅：特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡，它在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用等领域有重要的应用价值。(b)啁啾光纤光栅：特点是光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿轴向逐渐变化，该光栅在光纤通信中最突出的应用是作为大容量密集波分复用（DWDM）系统中的色散补偿器件，同时也较多的运用于掺铒光纤放大器与光纤激光器的性能优化以及光纤传感等方面。啁啾光纤光栅可以是线性的也可以是非线性的。线性啁啾光纤光栅的平均色散与光纤长度的平方成正比，与啁啾量成反比。(c)Taper型光纤光栅：这是一种切趾光栅，它的周期是均匀的，但折射率随一定的函数关系变化，正弦型Taper光栅的折射率分布如图2(c)所示。Taper型光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插分复用器。常用的函数有高斯函数(Gaussian)、双曲正切函数(tanh)、余弦函数(cos)和升余弦函数(raisedcos)等。(d)相移光纤光栅：通过某种方式破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在某特定的一点或多点处引入相移，形成所谓的相移光栅，其折射率分布如图2(d)所示。特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是相位跳变，从而改变光谱的分布，使光栅具有更高的波长选择性。因此相移光纤光栅可用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式（DFB）光纤激光器,并且此类光栅在波分复用通信系统中的波长解复用器方面也有着潜在应用价值。(e)超结构光纤光栅：特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为取样光栅。这是一种特殊的光栅结构，它既有布拉格光栅的反射特性，亦有长周期光栅的包层模耦合特性。一方面，其反射光谱出现类似梳状滤波的等间距尖峰，且光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄反射率越高，此特性可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器、以及多通道色散补偿方面具有潜在应用。另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的共振峰与布拉格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率等)具有不同的响应特性，所以超结构光纤光栅是一种理想的多参量传感元件。(f)闪耀/倾斜光纤光栅：其特点是光栅波矢量方向不是与光纤轴线方向一致的，而是与其成一固定的角度。光栅条纹倾斜的主要影响是有效地降低光栅的条纹可见度并显著影响辐射模耦合，从而使布拉格反射减弱。因此合理选择倾斜角度可增强辐射模或束缚模(boundmode)耦合从而抑制布拉格反射。倾斜光纤光栅主要可以用作掺铒光纤放大器的增益平坦器、光传播模式转换器等。(g)特殊折射率调制的光纤光栅：其特点是其折射率调制不能简单地归结为以上某一类，而是两种或多种光栅的结合或者折射率调制按某一特殊函数变化，这种光纤光栅往往在光纤通信和光纤传感领域有特殊的应用。上述各种类型的光纤光栅有其各自不同的优缺点和主要用途，而在传感领域中用得最多的是光纤布拉格光栅。为了方便，许多文献中都直接将光纤布拉格光栅简称为光纤光栅，通常所讲的光纤光栅传感器往往就是指光纤布拉格光栅传感器。本论文中在通常情况下所指的光纤光栅即为布拉格光纤光栅。如图所示为光纤光栅示意图：(f)(e)(d)(c)(b)(a) 图2 (a)均匀周期光纤光栅 (b)啁啾光纤光栅图 (c)Taper型光纤光栅 (d)相移光纤光栅 (e)超结构光纤光栅 (f)闪耀/倾斜光纤光栅3）按光纤光栅的材料分类按写入光栅的光纤材料类型，光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅。此前研究和应用最多的是在硅玻璃光纤中写入的光纤光栅，然而最近在塑料光纤中写入的光纤光栅已引起了人们越来越多的关注，该种光纤光栅在通信和传感领域有着许多潜在的应用，比如大的谐振波长可调范围。1.3光纤光栅的制作1987年，Hill等人首次在实验中成功实现在掺锗光纤中写入光栅，制作出世界上第一根光纤光栅，从此，光纤光栅的制作正式开始。光纤光栅的制作最主要的就是决定写入方式，写入方式即是在光纤纤芯中形成光栅的方式方法。光纤光栅的写入方式有许多种，目前，采用适当的光源(如紫外光源、COZ激光器)和光纤增敏(如掺杂光纤、高压载氢)技术，可以在各种类型的光纤上不同程度的写入光栅。下面介绍几种光纤光栅的写入方式。侧面全息相干法：侧面全息相干法是最早发现的一种方法。这种方法是用准分子激光器产生的紫外光(UV)，经分束后相干，从掺锗光纤侧面照射，相应地紫外光干涉条纹在光纤中产生周期折射率变化。通过改变入射光波长或相干光束之的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度变化的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。掩模（Mask）法：Mask法分相位Mask和振幅Mask，是将预先制备好的吸收或相位光栅，放置在UV光射入到光纤之前，通过Mask的衍射效应在蚀刻套层的光纤纤芯上形成周期结构的干涉图样，周期地改变了光纤纤芯的折射率分布19。用这种方法制作的光栅，其布拉格波长与光源的波长无关，对辐照角度、光纤与掩膜间的校准状况不敏感，对光源的时间相干性要求不高，但对其空间相干性要求较高。光纤与掩膜不接触，可用一块掩膜对多根光纤同时曝光，因而适用于批量生产。其缺点是，石英掩膜的制作比较复杂，价格较高。逐点刻栅法：是通过计算机控制，按照一定的步长和紫外光强周期分布地照射光纤，在照射部位引起折射率周期地变化，形成Bragg光栅。2光纤布拉格光栅的结构光纤Bragg光栅是最简单、最常见的、应用最广泛的一种光纤光栅。光纤Bragg光栅的光栅周期与折射率调制深度(有效折射率)一般都是常数，光栅波的方向与光纤轴线方向一致，是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。光纤Bragg光栅的基本结构如图3所示。反射光折射光包层纤芯光栅图3 光纤Bragg光栅的基本结构图3光纤布拉格光栅的传感机理由光纤光栅的结构可知，光纤光栅的外形虽与光纤相同，但其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。当光波通过光纤Bragg光栅时，满足布拉格条件即入射光波长等于布拉格中心波长的波长，将被反射回来形成反射光束，对不满足Bragg条件的光波，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来，这样入射光波就会分为两部分：透射光波和反射光波。如图4所示lB= 2 L neffBBS图4 传感机理示意图由耦合模理论知，光纤光栅的布拉格中心波长即布拉格条件为B=2neff （1）式中neff为纤芯的有效折射率，为光栅周期，由此公式可知，布拉格中心波长B随neff和的变化而变化。在实际应用中，温度、应变等条件的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变的信息，这就是用光纤光栅测量温度、应变基本原理。但是，由于光纤光栅对温度和应变都非常敏感，因此如何区分温度和应变对布拉格中心波长的移动所做的贡献，则是光纤光栅传感器实际应用中必须解决得一个问题。0图5 受外界影响的FBG周期变化3.1光纤布拉格光栅的温度传感模型由上面的介绍可知，温度的变化会使得布拉格中心波长漂移，其中通过热光效应引起光纤光栅有效折射率的变化，同时由热膨胀效应引起栅距的变化，从而影响布拉格中心波长。在恒定应力场中，在仅仅考虑光纤光栅对温度的反映，而忽略包层等其他因素影响的前提下，我们可以得到温度传感模型如下。当温度变化为T时，导致光纤光栅的布拉格波长偏移量为B=2T+2neffT （2）其中由热光效应引起的有效折射率变化可表示为neff=neffT （3）式中，为光纤的热光系数，可表示为= （4）由热膨胀效应引起的光栅周期变化为=T （5）式中，为光纤的热膨胀系数，可表示为= （6）由上面的公式可以推出=（+）T （7）令K=（+），称其为光纤光栅的温度灵敏度系数，由此得=K （8）上式即为光纤Bragg光栅中心波长变化与温度变化之间的关系式，它是处理光纤Bragg光栅温度传感的基础。从表达式可以看出，当光纤Bragg光栅确定后，在温度不大，可近似作为常数时，光纤Bragg光栅对温度的传感特性系数基本上是一个与材料系数相关的常数，此时光纤Bragg光栅作为温度传感器有很好的线性输出特性。利用该式，可以很方便的将光纤光栅布拉格波长偏移量转化成温度的变化量。在实际应用中，若是温度过大，则应当适当考虑温度的非线性影响。3.2光纤布拉格光栅的应变传感模型跟温度一样，在引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，应变属于最直接的参量之一。其中，对光栅直接的拉伸和挤压，会导致光栅周期的变化，而光纤本身所具有的弹光效应也使得有效折射率随外界应力状态的变化而变化。不同的外界应力状态会导致光栅周期和有效折射率的不同变化，下面就轴向应力和横向应力的情况进行讨论。a.轴向应力作用下光纤布拉格光栅的传感模型轴向应力作用下，由于光栅周期的伸缩和弹光效应，将引起布拉格波长的漂移。当温度场和横向应力恒定时，应变变化，则光栅周期的变化为= （9）由弹光效应引起的有效折射率变化为=p12-（p11+p12） （10）式中，为纤芯材料的泊松比，P11、P12为弹光系数。定义有效弹光系数为Pe=p12-(p11+p12) （11）根据布拉格波长公式=2neff以及上面的式子，可推出 （12）上式即为光纤光栅在轴向应力作用下布拉格中心波长变化的数学表达式，是处理光纤光栅轴向应变传感的基础，从式子可以看出，当光纤Bragg光栅材料确定后，光纤光栅对应力的传感特性系数是一个与材料系数相关的常数，这便从理论上保证了光纤Bragg光栅作为应变传感器具有很好的线性输出特性。令K=（1-P）,称为光纤光栅轴向应变的灵敏度系数，由此，可以很好的将布拉格中心波长的变化转变为应力的变化。b.横向应力作用下光纤布拉格光栅的传感模型当光纤光栅仅受横向应力且不存在剪切应变时，与轴向应力作用时的处理方法相同，横向应力导致的光纤光栅折射率变化为=p12-（p11+p12） （13）令Pe=p12-(p11+p12)，可以推出=(1-Pe) （14）即得到光纤光栅在横向应变下布拉格中心波长变化的数学表达式。比较上面两种应变下的传感模式可知，从表面上看，光栅布拉格波长对横向应力下的应变更为敏感，但事实上并非如此，在弹光效应下，光纤光栅对轴向应力比横向应力更为敏感，若进一步考虑波导效应，在相同应力作用下，轴向应变也较横向应变灵敏度更高。所以，一般情况下，只考虑光纤光栅的轴向应变传感。3.3光纤光栅的交叉感染传感模型对光纤光栅而言，有效折射率的变化主要由弹光效应和热光效应引起，而光栅周期的变化则主要由热膨胀效应和外加应力作用引起，由此可见，温度和应变是引起光纤光栅中心波长变化的最根本最直接的物理量。因此，可设布拉格中心波长是温度T和应变的函数，将布拉格波长公式按温度和应变的泰勒级数展开有 （15）略去温度和应变二次以上的乘积项，且只考虑轴向应变时，定义为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数，为光纤的有效弹光系数，式子可以改写为=KT+KE+KT （16）其中，KT=+称为光纤光栅的温度敏感系数，K=(1-Pe)称为光纤光栅的应变敏感系数，称为光纤光栅温度、应变交叉敏感系数，是温度、应变耦合作用的结果。在测量范围较小时，光纤光栅的温度、应变耦合问题对测量结果的影响很小，可以忽略不计，所以，在适当的测量范围内，可以有=KT+KE （17）由上面的式子，可以清楚的看到，引起布拉格中心波长的变化的两个重要的因素就是温度和应变，且都与布拉格中心波长的偏移成线性关系，这就是光纤光栅温度、应变交叉感染产生的原因。当所测的光纤光栅温度应变同时变化时，就不能区分出它们各自引起的布拉格波长的偏移量，也就得不到精确的结果，所以，要提高解调精度，从而扩展布拉格光栅的适用范围，解决温度、应变的分离问题显得尤其重要。4光纤光栅的几种典型解调方法4.1非平衡M-Z干涉仪扫描法1992年，Kersey A D等人提出了非平衡扫描干涉仪法24，其原理图如图6所示。图6 非平衡M/Z扫描干涉仪法原理图宽带光源发出的光经耦合器1进入光栅，后将反射光接入耦合器2，进入M-Z干涉仪，通过这样一个非平衡的M-Z干涉仪把布拉格波长的变化转换为相位变化，进而转化为光强变化，经探测器得到FBG反射波长的变化量，从而可求的被探测信号的大小。4.2可调谐F-P滤波法19