光纖布拉格光柵原理

光纖布拉格FGB原理是通過(guò)將單模光纖的核心橫向暴露于強(qiáng)激光的周期性圖案而制成的。曝光使光纖芯的折射率永久增加，根據(jù)曝光圖案產(chǎn)生固定的折射率調(diào)制。這種固定折射率調(diào)制稱(chēng)為光柵。

在每次周期性折射變化時(shí)，反射少量光。當(dāng)光柵周期約為輸入光波長(zhǎng)的一半時(shí)，所有反射光信號(hào)相干地組合成特定波長(zhǎng)的一個(gè)大反射。這被稱(chēng)為布拉格條件，并且發(fā)生該反射的波長(zhǎng)稱(chēng)為布拉格波長(zhǎng)。在布拉格波長(zhǎng)以外的波長(zhǎng)的光信號(hào)（非相位匹配）基本上是透明的。該原理如圖1所示。

因此，光通過(guò)光柵傳播，衰減或信號(hào)變化可忽略不計(jì)。只有那些滿(mǎn)足布拉格條件的波長(zhǎng)才會(huì)受到影響并強(qiáng)烈反向反射。精確預(yù)設(shè)和維持光柵波長(zhǎng)的能力是光纖布拉格光柵的基本特征和優(yōu)點(diǎn)。

反射分量的中心波長(zhǎng)滿(mǎn)足布拉格關(guān)系：λ?_布拉格?=2nΛ，折射n的索引和Λ的FBG的折射率變化的指數(shù)的周期。由于參數(shù)n和Λ的溫度和應(yīng)變依賴(lài)性，反射分量的波長(zhǎng)也將隨著溫度和/或應(yīng)變的變化而變化，.這種依賴(lài)性是眾所周知的，它允許從中確定溫度或應(yīng)變。反射FBG波長(zhǎng)。

光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)取決于光柵特性（周期，調(diào)制），并受環(huán)境條件如應(yīng)變和溫度的影響。這允許FBG的使用作為應(yīng)變和溫度的傳感器。在溫度傳感的情況下，布拉格波長(zhǎng)是溫度的函數(shù)。這種溫度依賴(lài)性是由纖維的折射率的變化以及玻璃材料的熱膨脹引起的。

光纖光柵傳感器的原理特點(diǎn)

電氣傳感器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種測(cè)試測(cè)量設(shè)備中，但是它具有非常多的局限性，如傳輸損耗、易受干擾、無(wú)法在惡劣環(huán)境中得到應(yīng)用等。近年來(lái)隨著光電子學(xué)的發(fā)展，光信號(hào)由于它的抗干擾性和低損耗性能，已經(jīng)逐漸替代電信號(hào)應(yīng)用于傳感器。光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境耐受性好、抗電磁干擾、可遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電力系統(tǒng)安全監(jiān)控、油氣資源勘探開(kāi)采和國(guó)防等等很多領(lǐng)域。基于光纖光柵的傳感器是最主要的一類(lèi)光纖傳感器，用于測(cè)量各種溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。光纖光柵傳感器具有許多其它傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：全光測(cè)量，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電氣設(shè)備，不受電磁及核輻射干擾；體積小、重量輕、靈敏度高、零點(diǎn)無(wú)漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定；以反射光的中心波長(zhǎng)表征被測(cè)量，不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響；絕對(duì)量測(cè)量，系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需定標(biāo)；使用壽命長(zhǎng)、易于復(fù)用和夠成傳感網(wǎng)絡(luò)等等。
由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分，因此，解決交叉敏感問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力準(zhǔn)確測(cè)量及實(shí)用化前提，現(xiàn)有的光纖光柵傳感器一般采用在光纖光柵的一端增加溫敏金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但此種技術(shù)提高了封裝工藝的復(fù)雜度和難度，例如金屬長(zhǎng)度與光纖光柵的長(zhǎng)度有一定比例關(guān)系，稍有偏差則溫度補(bǔ)償不完全。

 

什么是光纖光柵

光纖光柵又稱(chēng)光纖布拉格光柵（FBG），是一種纖芯的折射率呈周期性變化的光纖。通過(guò)全息干涉法或者相位掩模法等方法將對(duì)光敏感的一小段光纖暴露在光強(qiáng)呈周期性變化的光波下，這一小段的折射率就可以相應(yīng)的發(fā)生永久性的改變。當(dāng)一束光通過(guò)光線(xiàn)布拉格光柵進(jìn)行傳輸時(shí)，每一小段被改變折射率的光纖只可以反射相應(yīng)特定波長(zhǎng)的光波，即布拉格波長(zhǎng)，且布拉格波長(zhǎng)與光柵之間的間隔長(zhǎng)度有關(guān)。而其他波長(zhǎng)的光波就被繼續(xù)傳輸，這就使得光纖布拉格光柵只反射特定波長(zhǎng)的光波。

目前，常規(guī)的單芯光纖光柵傳感器在制作工藝和工程應(yīng)用中的研究已非常成熟。但為了消除溫度和應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題，每個(gè)傳感器往往至少需要兩只光纖光柵配合使用，而在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)中，則需要更多的傳感器來(lái)測(cè)量多維的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。