光纤光栅的检测技术-课件(PPT·精·选)

纤 芯 包 层 涂敷层 护 套
尺寸规格：单模光纤内径：9µm 外径：125µm
多模光纤内可径编辑：课件5PP0T µm
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光纤结构
光纤光栅技术与应用
两种常用光纤的可编辑结课件构PPT及其折射率分布 11
对中卡头Three-jaw chuck
配
Modified Chemical Vapor Deposition
可编辑课件PPT
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啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
色散产生原理示意图
波长色散的起因有两个：1）折射率随波长呈非线
性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为
材料色散；2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系
ห้องสมุดไป่ตู้数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
14国外光纤技术収展情冴光纤技术収展概冴光纤光栅技术不应用?20丐纪60年代中期所研制的最好的光纤损耗在400db以上?1966年英国标准电信研究所高锟及hockham仍理论上预言光纤损耗可降至20dbkm以下?日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dbkm?1970年康宁公司corning采用粉末法先后获得了损耗低于20dbkm和4dbkm的低损耗石英光纤?1974年贝尔实验室bell采用改迚的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品
菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1
θ1
n2
θ2
n1
θ1
n2
θ2
n1<n2
n1>n2
结论：若要实现全反射，则必须有
n >n 1 2 可编辑课件PPT
7
光纤基本理论
φ
光纤光栅技术与应用
n2 n1

其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光
系数，其值分别为：α＝0.55×10－6，和ξ＝
8.3×10－6，故在λB为1550nm时光纤光栅的温度
灵敏度大约是0.0136 nm /℃；P是有效光弹系数，
大约为0.22，从而应变灵敏度为0.001209 nm
/με。Bragg波长随温度T和应变ε的变化而变
.
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光纤光栅传感器应用十分广泛，并且 特别适合于恶劣或特殊的环境中。他的主 要应用范围如下：
1、 民用工程：如桥梁、大坝、岸堤、 大型钢结构、建筑等的健康安全监控
2、 航空航天工业：如飞机上压力、温 度、振动、燃料液位等指标的监测
3、 船舶航运业：如船舶的损伤评估及 早期报警
4、 电力工业：由于光纤光栅传感器根 本不受电磁场的影响，所以特别适合于电 力系统中的温度监控
.
4
二、光纤光栅传感原理
现代信息技术是由信息的采集、传输 和处理技术组成，因此传感技术、通信技 术和计算机技术为信息技术的三大支柱。 特别是当今社会已进入以光纤通信为主要 特性的信息时代，光纤传感器产业已被国 内外公认为最具有发展前途的高新技术产 业，它以其技术含量高，经济效益好，渗 透能力强，市场前景广等特点为世人瞩目。
.
1
公司简介
天津爱天光电子科技有限公司是美国 AT.photonics公司在天津的独资分公司， 简称天津爱天公司。公司按国际规范进行 产品质量管理。
主要运营方向是开发、生产和销售不 同用途的各种光学器件以及用于光传感和 光通信领域的光源、光纤光栅传感器、光 纤光栅传感实验仪以及各类光纤光栅传感 监测及测量仪器。
化。故而测量光栅反射波长的变化就可以计算出
相应的待测量的变化，所以上式是光栅传感的基

• SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加 倍
• 折射率变化～2.8×10-3
光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成
较低UV曝光量
局部缺陷引起折射率变化
折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0
温度稳定性较差（300℃）
可使脉冲或连续激光，前者更有效
ⅡA（Ⅲ）类光栅
用于FBG制作的UV激光器
倍频氩离子激光器 准分子激光器 倍频铜蒸气激光器 倍频可调谐染料激光器 倍频可调谐OPO 三倍频YAG激光器 Alexandrite(紫翠玉)激光器
FBG写入技术分类
内部写入法 双光束干涉法 掩模法 模板+双光束干涉法 逐点写入法 其它写入法
modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated
amplifiers • SOAs
• Optical Switches
• Circulator s
• Couplers • Add/drop
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态
在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
6
FBG制作对UV激光器的要求
输出波长及其稳定性 空间及时间相干性 输出功率或脉冲能量及重复率 光斑质量 偏振特性 光束指向稳定性
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
R(l, )

k
2
2 sinh 2 (sl) sinh 2 (sl) s2 cosh2

，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，
其改变的具体数值如下式：Kramers－Kronig关系
：
n(')
c
()d 0 2 '2
色心模型认为，在紫外 光照射下电子在不同位置上 的重新分布是掺锗石英光纤 折射率改变的主要原因。
8
密致模型
玻璃的光敏性与玻璃中缺陷有关，在紫外光照射 下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。掺锗 石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因此这种 应力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率 的一种可能的机制－密致模型。
纤形成的折射率变化是持久的,室温条件下放置2个星
期下降11％。
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3、光纤材料的还原性处理
通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的 光纤段进行“焰刷”处理。把拉制好的标准通信锗 光纤段放在～1700℃的氢氧焰下灼烧，使光纤在 240nm处的吸收增加，可获得大于10-3的折射率变化 ，光纤材料的光敏性提高了一个数量级。缺点就是 高温灼绕破坏了光纤，有长期稳定性的问题。
• 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干 涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发 展。
• 1993年 K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤 光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大 批量制造成为可能。
3
一、 光纤光栅的基本概念
1.光纤光栅
光纤光栅是一种折射率沿光纤纵向周期变化的波 导。当光通过这样的波导时将产生相位的周 期性变化。
载氢光纤在紫外光照射时将引起氢气和掺锗石英 光纤之间产生化学反应，H2分子在Si-O-Ge区发生变 化，形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等
化学键和缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化

2021/12/9
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第3页，共10页。
光纤Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域
都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光
纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和 特Δλ别B=适强2Δ合电n在ef易f磁Λ燃+2等，n易e恶ff爆ΔΛ劣，和环强电境磁下等恶使劣用环境。下(8使. 用。
当各个光栅光谱空间必须互不重叠时，我们可以方便地将波分复用技术应用于FBG传感系统中。 布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。 响应时间短——单个FBG 传感器响应时间小于。
光它纤具F光 有B栅体G的积技B小r、a术g重g的波量长轻特是、随点与光光：栅纤的兼周容期、和插纤入芯损模耗的低有、效性折能射长率期变稳化定的性，好因等此特B点ra。gg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。 当将而外光改界 栅 变的区Br温用a••g测度作响g、传中量应应感心精时力区波和，度长间压当。高短力被—等传——参感—量物F发质单B生温G个变度应F化、B时结力G，构测或B传r是a量g感位g精波置器长度发的响生可变变应化以化可的时达表时示到间候为，1小μ光ε于栅，的。温周期度（和测时纤量芯间模精与的度有F效可B折G以射传率达将感到会器0发.距生1℃相离应。监的变化，从
光将纤光B栅r区a式g用g中光作栅传α在感为桥区光梁，纤、当通被的讯传热、感膨建物胀筑质、温系机度数械、。、结医构疗或、是航位海置、发航生天变、化矿的业时等候领，域光都栅能的周发期挥和重纤要芯作模用的，有所效以折具射有率广将阔会的发应生用相前应景的。变化，从
而它改具变 有体Br积ag小热g、中光重心效量波应轻长、引。与起光的纤折兼容射、率插变入损化耗为低、性能长期稳定性好等特点。

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光纤光栅传感器
直接测量掺锗光纤紫外吸收谱相对较为困难， 尤其是测 量244 nm处的吸收谱。 一般测量光纤的吸收谱是采用反逆技 术， 在被测光纤的光注入端和输出端都放上单色仪， 测量其 频谱。 用这种方法可以测得掺锗3%（摩尔分数）的玻璃在 325 nm处的吸收峰约为17 dB/m。 考虑到244 nm带的吸收率 是325 nm带的1000倍， 可以认为在244 nm处的衰减约为 17 000 dB/m。 故被测光纤的长度不能大于1 cm， 否则难以用 反逆技术测量。
8
光纤光栅传感器
随着光纤布拉格光栅（FBG）制作工艺的不断提高， 特 别是FBG自动化生产平台的建立， 制作出高性能、 低成本的 可靠FBG已成为可能。 同时， 近几年对波长解调技术的深入 研究和不断成熟， 已经扩大了光纤布拉格光栅传感器的应用， 并为只能传感这一新思路创造了一个新的机遇。 智能结构监 测， 智能油井和管道， 智能土木工程建筑， 以及智能航天、 航海传感都需要高质量、 低成本、 稳定性好、 传感特性精密 的光学传感器， FBG传感器阵列由于其波长编码、 可同时测 量多个物理量（温度、 压力、 应力等）以及一路光纤上应用 波分复用技术等自身的优点， 在上述领域已经得到了广泛关 注。
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光纤光栅传感器
8.2
所谓的光敏性， 就是指当材料被外部光照射时， 引起 该材料物理或化学性的暂时或永久性变化的一种效应。 光纤 的光敏性通常是指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变 的特性。 在一定条件下， 变化的大小与光强成线性关系， 并 可保存下来。
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光纤光栅传感器
光纤的光敏性首先于1978年通过在掺锗光纤内形成驻波观 察到。 在那个实验中， 发现了两束波长相同但反向传输的氩 离子激光（488 nm或514.5 nm）在掺锗光纤纤芯中激起了周期 性的折射率变化。 此后， 做了许多工作确定这一激光折射率 变化的原因。 Yuen的实验指出， 光纤中的光敏现象与双光子 吸收过程有联系， 确定掺锗光纤对蓝绿光的光敏性与244 nm 处吸收响应的双光子吸收作用有关。

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光纤光敏性分析（2）
• 虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si 原子在石英玻璃中四面体中的位置，但是Ge的掺 入仍将对石英玻璃的分子结构产生干扰并不可避 免地形成缺陷中心。
• 包层发生了什么?
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光敏光纤
• 掺铈光纤、掺铒锗光纤、掺锗硼光纤、掺氟锆光 纤、掺铕光纤。
• 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干 涉曝光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发 展。
• 1993年 K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤光 栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批
量制造成为可能。
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三、光纤光栅光敏性
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光纤技术产生了重大影响,使 各种全光纤器件成为现实,并促使人们重新考虑光纤通信 系统中各种光学元器件的构成与设计。它促进了光通讯容 量的提高,尤其是促进了WDM复用的迅速发展。
• 光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程碑作用已被 世人认可,成为光纤通信和光纤传感等技术领域必不可少 的基础性元件。
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石英结构
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光纤光敏性分析（1）
• 目前是十分活跃的领域，是一个十分复杂的过程， 目前不能给出完全定量化的描述。
• 光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构 通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键 与四个氧原子相连。由于纯石英的吸收带位于 160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的 光具有大于90％的透过率。这些波长的光不会对 石英材料的性质产生任何形式的影响。因此，光 纤的光敏性与掺杂有关。

为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验原理
1、微波迈克尔逊实验
接收喇叭接收到两列同频率、同振动方向的微波， 当两列波的位相差为：
的偶数倍：干涉加强
A固定反射板
的奇数倍：干涉减弱
发射喇叭
A板固定，B板移动，到接收喇叭电流计表 头从一次极小变到又一次极小时，则B板移 动/2的距离，由此可求得平面波的波长
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
最新进展
3、可调波长DFB/ DBR激光器 基本工作原理也是以布拉格衍射效应为基础，通过 改变注入到布拉格光栅区的电流，(根据等离子体效 应) 使光栅区的有效折射率发生改变，其布拉格波 长也就会有相应的移动。
4、光纤布拉格光栅( FBG) 采用全息曝光技术在光纤上制作各种波长的布拉格光 栅。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验仪器
本实验采用北京大华无线电仪器厂生产的 DH926AB型微波分光仪，结构图如图所示。
A固定板 发射喇叭
B移动板
接收喇叭
检流计
微波信号源
微波迈克尔逊干涉装置图
图2、布拉格衍射实验原理图
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验内容
1、测量微波迈克尔逊干涉过程中B板每次移动的 位移值及对应的接收信号强度，要求B板移动每次以 尽可能小（如1mm）的步长移动，但总移动距离应 尽可能大，使干涉极大和极小出现的次数多些。然 后用不同级的干涉极大或极小根据公式求微波波长。

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光纤通信器件
*
在光纤通信中的应用
c.光纤光栅外腔半导体激光器
将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。
多波长输出半导体激光器。
阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，特别适用于DWDM系统上。
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
（3）悬梁臂调谐法 相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。
P
光纤
光纤光栅
*Hale Waihona Puke 光纤通信器件*光纤光栅工作原理
4. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析 （1）纯弯曲情况 对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一点的轴向应变ε可表示为 式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量；I是梁的惯性距。 如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
（2）纯转动情况 对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光栅的应变可表示为 式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表示为 式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
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：
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
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光纤通信器件
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均匀FBG的反射特性
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。

光纤光栅的反射波长与其光栅周期存在一种反比关系，通过改变光 栅周期可以实现对反射波长的调谐。
光纤光栅传感器的传感原理
外界物理量变化
当光纤光栅受到外界物理量（如 温度、压力、应变等）的作用时 ，其折射率调制周期或纤芯长度
会发生变化。

反射波长漂移
由于光纤光栅的反射波长与光栅周 期相关，当折射率调制周期或纤芯 长度发生变化时，反射波长也会发 生相应的漂移。
03
CATALOGUE
光纤光栅传感器的制作与表征
光纤光栅的制作技术
光纤光栅的写入技术
01
利用紫外光干涉法，通过两束相干紫外光在光纤上形成干涉条
纹，引起光纤折射率周期性变化，从而形成光纤光栅。
光纤光栅的制作材料
02
通常使用石英光纤或掺铒光纤作为基材，其线性和稳定性较好
，能够满足光栅传感器的要求。
制作过程中的关键因素
通过测量由应力引起的光栅周期或折射率 的变化，可以推导出待测物体内部的应力 分布和大小。
结构健康监测
生物医学领域
光纤光栅传感器可以嵌入到建筑物、桥梁 等结构中，实时监测结构的变形、开裂等 状况，确保结构安全。
利用光纤光栅传感器可实现对生物组织内 部的温度、压力等参数的实时监测，为生 物医学研究提供有力支持。
测量反射波长变化
通过测量光纤光栅反射波长的变化 ，可以推断出外界物理量的变化情 况，实现对相应物理量的传感测量 。
光纤光栅传感器的信号解调原理
光谱仪解调
利用光谱仪对光纤光栅的反射光谱进行检测，通过测量反射波长的漂移量来解调出外界物 理量的变化。这种方法具有高精度和高分辨率的优点，但设备成本较高。
可调谐滤波器解调
交叉敏感问题
在实际应用中，光纤光栅传感器可能受到多种物理量的交叉影响， 导致测量准确度降低。