光纤光栅传感器.ppt

* 光纤光栅传感器
光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
λ1 λ2 …λn
芯层
包层
Λ
包层折射率 n2
芯层折射率 n1
感光折射率 n
λ1
λ2 …λn
芯层
包层
+1级
-1级
紫外掩模写入法
相位掩模板
1 、光纤布喇格光栅原理
光纤布喇格光栅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祸合,使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性,图 表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为:
式中 F(r,φ,z)为光致折射率变化函数,具有如下特性:
式中 a1 为光纤纤芯半径; a2为光纤包层半径,相应的 n1为纤芯初始折射率;n2为包层折射率; △n(r,φ,z)为光致折射率变化; △nmax 为折射率最大变化量。因为制作光纤光栅时需要去掉包层,所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项,是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。
为了给出F(r,φ,z)的一般形式,必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中,紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类:均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看,非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等,它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐变函数φ(z),以及采用△n(r)代表折射率调制来描述。
为了更全面地描述光致折射率的变化函数,可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑,可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化:
式中Fo(r,φ,z)表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性,或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性,并有Fo(r,φ,z)max= l , 这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性;
kg= 2π/Λ为光栅的传播常数;Λ为光栅周期; q 为非正弦分布(如方波分布)时进行傅里叶展开得到的谐波阶数,它将导致高阶布喇格波长的反向耦合; aq为展开系数;φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性,我们可以将它看作一“准周期”函数。
对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射率分布为
 
该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数,它给出了光纤光栅的理论模型,是分析光纤光栅特性的基础。
2 、光纤布喇格光栅传感原理
 
光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出:
这里λUV是紫外光源波长, θ是两相干光束之间的夹角。