布拉格光柵

體全息,或者叫做白光全息

體布拉格光柵共分為四個大類：

(1) 反射式體布拉格光柵 (RBG)；

(2) 透射式體布拉格光柵 (TBG)；

(3) 啁啾體布拉格光柵 (CBG)；

(4) 低波數(shù)陷波濾光片 (BNF) ；

根據(jù)光柵周期的長短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（Λ<1μm）和長周期（Λ>1μm）兩類。對于短周期的光纖光柵，當(dāng)光譜光波在其中傳播時，兩個反向傳播的芯模(導(dǎo)模)LP01之間產(chǎn)生能量耦合，形成特定波長為λB的反射波，對于前向傳播的LP01，模β1=β01；對于后向傳播的LP01，模β1=-β01。兩耦合模的傳播常數(shù)差β=2β01較大，這種光柵稱為布拉格光柵。

參閱布拉格衍射.三維光柵，對光的衍射滿足布拉格條件，不僅對方向有選擇性，還對顏色具有選擇性。

由于布拉格光纖光柵傳感器具有以上許多不可替代的優(yōu)點以及廣泛的應(yīng)用前景,自從橫向紫外曝光刻寫技術(shù)面世以來,布拉格光纖光柵傳感器得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,在短短的十凡年內(nèi)得到了飛速發(fā)展,針對布拉格光纖光柵智能傳感網(wǎng)絡(luò)的實用化研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一些進展，這主要集中在以下幾個方面:

布拉格光纖光柵傳感器的波長解調(diào)技術(shù)

光纖光柵傳感器經(jīng)過十余年的研究與發(fā)展，至今己經(jīng)出現(xiàn)了許多波長解調(diào)技術(shù)。在實驗室，波長解調(diào)可以用高精度的光譜儀來實現(xiàn)，但是由于光譜儀的價格昂貴，而且體積大，不適于實際應(yīng)用，所以需要結(jié)構(gòu)緊湊，成本低的解調(diào)系統(tǒng)。具體解決方案主要包括寬帶光濾波法可調(diào)諧窄帶濾波器法，光干涉法，激光器掃描法。成像光譜分析法等。這些方法有著不同的分辨率和動態(tài)范圍，針對不同的應(yīng)用選擇相應(yīng)的解調(diào)方案，可以很好的適用于各種實際應(yīng)用。

1)寬帶光濾波法

該方法通過寬帶光源發(fā)出的寬帶光:經(jīng)隔離器，3DB鍋合器后，到傳感光柵反射濾波，反射回窄帶光，再經(jīng)過寬帶濾波器(WDM禍合器)，由于寬帶濾波器的濾波特性與波卜轟有關(guān)，則反射光經(jīng)濾波后探測到的能量與波長有關(guān)，再通過相應(yīng)的電子信號處理就能檢測出FBG中心波長的偏移量。這種方案實現(xiàn)簡單，但是精度比較低，波長分辨率大概10pm左右。

2)可調(diào)諧窄帶濾波器法

該方法中，由LED發(fā)出的寬帶光，經(jīng)禍合器到達FBG傳感器陣列，到達FBG反射回來的窄帶光再經(jīng)可調(diào)諧F-P濾波器濾波，當(dāng)傳感FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心彼長一致時，透射光能量最大，通過動態(tài)調(diào)諧F-P濾波器的透射波長來動態(tài)“跟蹤7T傳感光柵的中心波長，就可以實現(xiàn)中心波長偏移量的解調(diào)。這種解調(diào)方案精度較高，由于工作在波長掃描方式，那么只要掃描范圍足夠大，就很容易在一根光纖上復(fù)用多個FBG，但這種方案的掃描頻率不是很高，不適合高速率的動態(tài)傳感。

3)光干涉檢測法

該方法檢測光纖光柵傳感器波長移動是通過一非平衡光纖Mach一Zehnder干涉儀來實現(xiàn)的。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過禍合器入射到傳感FBG上，被FBG反射的光再通過藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉儀。這樣，被FBG反射的這部分光就有效地轉(zhuǎn)化為干涉儀的入射光源，由傳感光纖光柵擾動引入的波長移動也就成為此光源的波長(光頻率)調(diào)制信號。由于干涉儀輸出的相位對非平衡千涉儀的輸入波長存在著固有的依賴關(guān)系，布拉格彼長的移動就轉(zhuǎn)換為相位的變化，再通過檢a}n}干涉儀輸出光的相位的變化就可以得到布拉格波長的移動情況。

4)可調(diào)諧掃描激光器法

可調(diào)諧掃描激光器法主要是通過可調(diào)諧激光器的波長可調(diào)諧性來動態(tài)跟蹤傳感FBG的中心波長。

5)CCD成像光譜分析法

在CCD成像光譜解調(diào)系統(tǒng)中，波長分到提通過個色散元件叻口棱鏡或光柵)來實現(xiàn)的，色散元件把波長轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD探測器陣列的像元位置，這樣就把測量光譜線的問題轉(zhuǎn)化為判斷光斑所在像元的問題。通常由于FBG的光譜中心分布在幾個相令巧的像元上，所以要準(zhǔn)確檢測中心波長的位置，還必須采用相應(yīng)的算法來實現(xiàn)。CCD成像光譜法有才民大的局限性，即實用的CCD波長響應(yīng)范圍在900nm以下，所以只能對中心波長在900nm以下的光柵傳感器解調(diào)。

由于布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應(yīng)變的影響，所以傳感具體參量的時候必須通過相應(yīng)的方法把這兩個效應(yīng)區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度如表經(jīng)過研究,已經(jīng)提出了許多方案來實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時檢測,主要包括以下方法:

(1)參考FBG法

這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受應(yīng)變影響而只受溫度影響,同時這個參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從傳感FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應(yīng)變區(qū)分開。

(2)蝕刻FBG法

這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關(guān)系,這樣當(dāng)對其軸向施加均勻應(yīng)力時,沿軸向的應(yīng)變也是呈線性關(guān)系,這樣就導(dǎo)致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測帶寬的變化就可以把溫度效應(yīng)導(dǎo)致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了傳感的范圍。

(3)雙波長FBG法

這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然后檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應(yīng)變。因為溫度和應(yīng)變導(dǎo)致的布拉格波長的偏移量由式

(4)FBG諧波法

FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,當(dāng)FGB的反射率很高時,折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導(dǎo)致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個諧波的溫度和應(yīng)變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應(yīng)變。

(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測

通過實驗發(fā)現(xiàn),長周期光纖光柵(LpG)的溫度和應(yīng)變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應(yīng)變靈敏度的話,就可以通過結(jié)合FBG和LGP實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的帶寬大容易影響測量精度和復(fù)用能力;而且長周期光柵的長度較長,埋設(shè)進材料后受非均勻應(yīng)變場的影響很大,從而降低測量精度。

除了以上凡種典型的應(yīng)變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技術(shù)還有待進一步研究。

光纖傳感器的研究重點方向就是所謂的“智能材料結(jié)構(gòu)”,即可以實時采集材料結(jié)構(gòu)自身的受力,溫度等參數(shù),來實現(xiàn)對材料整體性能的智能檢測。在“智能材料”這方面,光纖光柵傳感器有很好的潛力,非常適用于這種準(zhǔn)分布式傳感應(yīng)用,因為光纖光柵是波長編碼的,在材料中不同的監(jiān)測點埋設(shè)不同波長的光柵作為傳感元件,再通過使用波分復(fù)用和時分復(fù)用技術(shù)就可以實現(xiàn)成百上千傳感點的準(zhǔn)分布式傳感,就可以實現(xiàn)“智能材料結(jié)構(gòu)”,而正確的埋設(shè)方法也是其中的一個重要環(huán)節(jié),研究者對布拉格光纖光柵傳感器的封裝與埋設(shè)也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)傳感光柵的保護問題

由于光纖光柵實際上是一段光纖,所以它在剪切力的作用下很容易斷,所以在埋設(shè)的過程中須對它采取相應(yīng)的保護措施,進行相應(yīng)的封裝。

(2)傳感光柵與材料之間的應(yīng)力傳遞的建模

在應(yīng)力傳感過程中,傳感光柵是埋設(shè)入材料中的,所以應(yīng)力并不是直接作用在傳感光柵上的,這就意味著在材料和光柵之間存在一個力的傳遞問題,這是提高傳感準(zhǔn)確度的一個重要方面。這就需要利用材料力學(xué)的知識建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M行分析,更精確的分析還要采用有限元分析法。

(3)多軸應(yīng)變的產(chǎn)生的影響

對于光纖光柵的埋設(shè),光柵上受到的應(yīng)力有可能是多個方向的,除了軸向應(yīng)力還有橫向應(yīng)力,橫向應(yīng)力會使光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,也即導(dǎo)致了原來的單峰反射譜分裂成兩個反射峰,這就給中心波長的準(zhǔn)確檢測帶來了一定的困難。

由此可見，光柵的埋設(shè)技術(shù)是非常復(fù)雜的，如果需要準(zhǔn)確傳感，需要考慮的因素非常多，其中包括光柵的保護，材料與光柵之間應(yīng)力的傳遞，應(yīng)力引起的雙折射效應(yīng)以及非均勻應(yīng)力引起的光譜展寬等等。