光纤光栅传感器的研究进展_赖俊_1195121016

1、华侨大学工学院课程设计赖俊：光纤光栅光纤光栅传感器的研究进展华侨大学工学院光电子技术科学 2011级 赖俊 1195121016摘要 作为性能优良的敏感元件,均匀光纤布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅等多种传感器已经有了更多的应用领域。通过光纤布拉格光栅内部写入、干涉法侧面写入、相位模版法写入等制作技术的原理说明和对比评介, 通过光纤光栅传感器对所在环境的应变、应力、温度变化和动态磁场的感应原理分析, 以及对光纤光栅传感器在复合材料、电力系统、石油天然气井和建筑结构中的应用工程的综述,阐明了这一类传感器件在单参数传感测量,特别是多参数传感测量中还有很大的发展空间, 值得进一步研究。 关键词 光纤光

2、栅 传感器 应用 Study of Fiber Bragg grating sensorsLai Jun1195121016,Optoelectronic Technology and Science,2011 College of Engineering Huaqiao UniversityAbstract: As excellent performance sensitive components, a variety of sensors uniform fiber Bragg grating, chirped fiber Bragg grating has had more appli

3、cations. By fiber Bragg grating written inside, side interferometry write, write phase stencil method of production technology and comparative review the principles described by FBG sensors where the strain on the environment, stress, temperature changes, and analysis of dynamic magnetic field induc

4、tion principle , as well as review the composite fiber grating sensors, power systems, oil and gas wells and building structures in the application of engineering to clarify the parameters of this type of sensor sensing measurements in a single piece, in particular multi-parameter sensing measuremen

5、ts there much room for development, it is worth further study.Key words: sensor；Fiber Bragg grating；applicationIII目录第一章 什么是光纤传感器？目 录绪论1第一章 光纤光栅传感器基础21.1 光纤光栅传感器的发展21.2 光纤光栅传感器的典型结构21.3 光纤光栅传感器的分类31.4 光纤光栅的工作原理4第二章 光纤光栅的制作技术72.1 布拉格光纤光栅的制作方法72.2 长周期光纤光栅的制作10第三章 光纤光栅的应用133.1 复合材料上的应用133.2 电力系统方面的应用133

6、.3 石油、天然气井中的应用133.4 发展前景13总结15参考文献1617绪论绪论进入20世纪随着科学技术的迅速发展，人们物质生活的提高，各种建筑物的大量新建对建筑物的适时监测成为目前的热门需求。光纤光栅传感器正是在这时应运而生。传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件，磁敏元件，光敏元件，还有气敏元件等，而在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一。它具有与光纤通信系统易于连接、插入损耗小等优点，使之在光纤激光器、光纤放大

7、器、光纤滤波器、光纤传感器和高速光纤通信系统等领域中得到了广泛的应用。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范围，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。而本文中主要介绍了几种光纤光栅传感器的原理和结构以及他们的制作方法，最后关于他们的应用做出了简单的解释。第一章 光纤光栅传感器基础第一章 光纤光栅传感器基础光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor ）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。1.1 光纤光栅传感器的发展自从加拿大通信

8、研究中心的Hill等人在1978年首次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喇格光栅以来，对其研究与应用得到了很大的发展。1993年，Hill等人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喇格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。1998年，美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术，相对于内部写入法，该方法又称为外侧写入法。光纤光栅在20世纪90年代就已出现，它被用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换

9、。目前周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅得到了人们越来越广泛的重视。1.2 光纤光栅传感器的典型结构光纤光栅传感器的典型结构如图1.1所示。图1.1中的光源应为宽谱光源，且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比，一般可选用侧面发光二极管ELED。ELED耦合进单模光纤的光功率至少为50100W。这个功率电平为光纤光栅解调系统所要求的下限值。光源的波长可选用850nm、1300nm、1550nm。被测温度或压力施加在光纤光栅上，由光纤光栅反射回的光信号通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机作分析、储存，按用户

10、规定的格式在计算机上显示出被测量大小。图1.1 光纤光栅传感器的典型结构1.3 光纤光栅传感器的分类1.3.1 按光纤光栅的周期分类我们通常把周期小于1m的光纤光栅称为短周期光纤光栅，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。前者的反射谱和后者的透射谱分别为如图1.2和图1.3所示。图1.2 光纤布拉格光栅反射谱 图1.3长周期光纤光栅反射谱1.3.2 按光纤光栅的波导结构分类根据光栅的波导结构也就是光栅轴向折射率分布，如图1.4所示光纤光栅可分为如下几类。（1）均匀光纤光栅（2）啁啾光纤光栅（3）高斯变迹光纤光栅（4）升余弦变迹光纤光栅（5）相移光纤光栅（6）超结构光纤光栅（7）

11、倾斜光纤光栅图1.4 按波导结构光纤光栅的分类（a）均匀光纤光栅（b）啁啾光纤光栅（c）高斯变迹光纤光栅（d）升余弦变迹光纤光栅（e）相移光纤光栅（f）超结构光纤光栅（g）倾斜光纤光栅1.4 光纤光栅的工作原理光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制作的。所谓光敏性, 就是指材料被外部光照射时, 引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。当特定波长的光辐射掺锗光纤时，它的一些物理特性发生了永久性的改变，如折射率、吸收谱、内应力密等。在外部光源照射时, 光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化, 变化的大小与光强成线性关系并可以被保留下来, 成为光纤光栅。光纤光栅的折射率沿光纤的轴向呈现周

12、期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。根据衍射理论, 以角1入射的光将以角2衍射, 且满足布拉格衍射方程：nsin1-nsin2=m式中, 是光栅周期, n为介质折射率, m 为布拉格衍射的级数。在光纤中, 光传播的有效折射率可以简化为neff=n，n表示纤芯折射率。光纤光栅的折射率呈周期变化，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的藕合，光纤及其不同传播常数有如下关系式（也就是相位匹配条件）：=1-2=21、2是正、反向传输常数，是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。为耦合模之间的传播常数差根据的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期（<1m）和长周期（>1m）两类

13、。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模LP01之间产生能量耦合，形成特定波长为B的反射波，对于前向传播的LP01，模1=01.对于后向传播的LP01，模1=-01。两耦合模的传播常数差=201 较大，这种光栅成为布拉格光栅。1.4.1 布拉格光栅（FBG）的工作原理当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：B=2n式中，是相位掩膜光栅的周期，n为光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率。图1.5

14、为布拉格光纤光栅原理图。1.4.2 长周期光纤光栅的工作原理当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选择损耗特性。如图1.6。m=（n01-ncl(m)）为光栅周期，n01为纤芯模式折射率，n(m)为m阶包层模式的折射率。图1.6为长周期光纤光栅原理图。第二章 光纤光栅的制作技术第二章 光纤光栅的制作技术 光纤的光敏性是在光纤中形成Bragg光栅的关键。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

15、不同程度的写入光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂浓度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为 10-4数量级便已经饱和。为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重要。而光纤光栅的制作可以分为很多种方法，比如内部写入法、全息干涉法等等。2.1 布拉格光纤光栅的制作方法2.1.1 内部写入法内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，如图2.1所示的实验装置制作了历史上第一个布拉格光纤光栅。将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透

16、射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。已测得其反射率可达90以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。图2.1 内部写入法制作光纤的实验装置2.1.2 全息干涉法全息干涉法又称外侧写入法，如图2.2示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅

17、。栅距周期由=UV2sin给出。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，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冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。图2.2 横向侧面曝光法写入光栅实验系统2.1.3 分波前干涉法利用此技术制作FBG的干涉装置可以用棱镜或者洛埃镜。如图2.3示，使用棱镜干涉法制作FBG的示意图。在这个装置中，UV光束在棱镜的输入面上通过折射而横向展宽。展宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状透镜有助

18、于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。图2.3 用棱镜干涉制作光栅的示意图用洛埃镜干涉系统制作FBG的实验装置如图2.4示。这个干涉系统由一个非传导性的反射镜组成，用以将UV光束的一半导入与反射镜垂直的光纤中，之后与另一半光束产生干涉图样。图2.4 用洛埃镜干涉制作光栅的示意图分波前干涉技术的一个重要优势在于仅使用一个光学器件，这大大降低了系统对机械震动的敏感度。但它的缺点是光栅长度和布拉格波长的调谐范围受到限制。2.1.4 相位掩膜法如图2.5示。相位掩模板是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1级和-1 级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作

19、用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。布拉格光栅写入周期为掩模周期PM一半的。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位掩模的周期有关。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。用低相干光源和相位掩模板来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩模与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。

20、图2.5 相位掩膜法制备光纤光栅示意图2.1.6 直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥除光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯或General E1ectric RTV615 硅胶，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤载氢等方法，可以有效提高光纤光栅的写入时间。在两硅平板间夹150m厚的RTV615 硅胶用分光计分析了这种涂敷层的紫外光吸收特性，在 248nm波长处透过率达 92，有低的紫外光吸收率，因而可以用 244nm倍频激光器或 248nmKrF准分子激光器透过涂敷层写入光纤市

21、喇格光栅。这种方法解决了以往传统方法中必须采用裸光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。2.2 长周期光纤光栅的制作2.2.1 振幅掩模法A、UV 曝光振幅掩摸板写入不采用衍射光束干涉条纹“模制”折射率调制图案的办法，而是模板上刻好该图案，通过光学系统，将之投射到光纤上，纤芯折射率发生相应的变化而成栅的。写入后对其退火，以稳定光学特性。振幅掩模板通常用于长周期光纤光栅的写入。实验装置如图2.9所示。因为长周期光纤光栅的周期一般为几百微米，掩模板的制作很方便，而且精确，容易得到保证，所以用这种方法制作的光栅，其一致性和光谱特性比较好，而且对紫外光的相干

22、性没有要求。图2.9 振幅掩模法制作 LPFG 的实验装置B、离子注入将高能量离子注入到各种石英玻璃中可以产生高达约10-2的折射率变化。利用这一特性可以用离子注入法在石英光纤中制作高性能的光纤光栅。将高能量He2+注入到光纤中制作LPFG。实验中所使用的方法是振幅掩模法，制作原理如图2.10所示。经加速后的高能量He2+通过金属掩模板注入到光纤上，加速能量为5.1MeV。掩模周期为170m，间距为60m，共 29 个周期。注入 20×1015He2+/cm2剂量后，在普通通信光纤中制作了在14l0nm处约 16dB大损耗峰的LPFG。离子注入法产生折射率变化的机理可能是玻璃结构的致

23、密化。它的缺点是在包层中会感生很高的折射率变化。不过，这一缺点可以通过选择窄间距的掩模板使离子只注入到纤芯中来解决。通过选择短周期的掩模板，也可以制作FBG。图2.10 离子注入法写入LPFG示意图2.2.2 电弧感生微弯法利用电弧导致的永久微弯制造灵活剖面控制的LPFG，如图2.11所示。光纤去除护套后，用两个相距 5.5cm的夹具笔直固定，然后将一个夹具沿与光纤轴向正交的方向向下位移大约100m，从而在光纤上产生一个横向的应力。电弧在某一点放电时，在剪切应力的作用下产生微弯，微弯的幅度典型值小于 1m，用这种方法制作的光栅谐振波长只与光栅周期有关，而与耦合强度无关，所以光栅的中心波长、反射

24、率等特性易于控制。此外，所形成的光栅具有低的插人损耗(小于 0.2dB)和高的热稳定性, 在 800以下性能没有任何降质。微弯构造LPFG的另一优点是不需要特殊的光纤(如掺杂、载氢以提高光敏性),其缺点是光纤的机械特性有所下降。图2.11 电弧感生微弯法制作 LPFG第三章 光纤光栅的应用第三章 光纤光栅的应用当前光栅光纤传感器的产品包括: 应变传感器、温度传感器、压力传感器等。主要应用于材料成型、电力系统、健康监测、石油开采和采矿等行业。下面将介绍光纤光栅传感器在一些领域的典型应用。3.1 复合材料上的应用复合材料产品具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点, 在军用和民用领域逐步得到应用。但由于复

25、合材料成型工艺的分散性,在实际生产中难以得到稳定的质量与性能。光纤光栅传感器为复合材料工艺过程的监测提供了崭新的方法和手段。光纤传感器监测复合材料固化工艺过程, 是利用它体积小、敏感度高的特点, 预先埋于预浸料铺层中来测量工艺过程中材料的参数。3.2 电力系统方面的应用光纤光栅传感器在电力上的应用, 主要包括两种方式: 一是通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测。电力设备的故障主要存在于电力系统要害部位和易发生故障的部位。二是间接测量电学参量如电压、电流等。3.3 石油、天然气井中的应用石油, 天然气井的检测是石油和天然气开采过程中最基本和最关键的环节之一。压力、温度、流量等参量是油气井

26、下的重要物理量。光纤光栅传感器可以克服这些困难, 其抗电磁干扰能力和耐高温、腐蚀能力能够精确地测量井下环境的参数。同时光纤传感器具有分布式测量能力, 可以测量井下参数的空间分布, 给出剖面信息。而且光纤传感器横截面积小, 在油气井中占据空间极小。因此,将光纤传感器应用于石油测井具有极广阔的前景。3.4 发展前景 光纤光栅传感器与传统的传感器比较具有的特点是: 精度高、灵敏度好、可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀、结构简单、尺寸小, 适用于多种场合。现阶段对光纤光栅传感器的研究主要集中在以下几个方面：1)对传感器本身及进行横向应变检测和高灵敏度、高分辨率、且能同时检测应变和温度变化的传感器研究；2)对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究, 目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；3)对光纤光栅传感器的实际应用研究, 包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术；4)开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发, 如航天、航海、土木工程、医学等行业。总结总结综上所述，LCD其实只是液晶显示的一个总称，我们都知道液晶本身不发光，所以必须通过背光源来提供光，而现在市场背光源主