光纤光栅在非均匀温度场中光谱特性解析

一、 实验要求对光纤光栅进行特性分析；分析，光栅长度、分层数、谱宽等参数对反射光谱的影响； 利用MATLAB 进行程序设计，通过软件仿真的形式实现二、 实验原理光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。

光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。

人们利用这种效层内折射率看成不变利用00exp()0=0exp()i i LAYER i i jk n d Mjk n d ⎛⎫⎪-⎝⎭。

最后利用矩阵的叠成得到光纤光栅总的传输矩阵应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。

光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。

光纤光栅有很多种分析法，但目前技术都不太理想。

由于反射率是反映光纤光栅特性的一个重要参数。

这里利用分层的思想将光纤光栅分层处理，每一层看做折射率n 恒定不变，层与层之间折射率不同利用，n n n n i ji j INTERFACE i ji j n n M n n +-⎛⎫=⎪-+⎝⎭11122122M M M M ⎛⎫⎪⎝⎭。

光纤光栅的反射系数()()121111r E z M E z M -+==，反射率R=2r 。

根据不同的入射光波长有不同的反射率，最后绘出反射率与入射光波长的图谱。

以此实现对光纤光栅的特性分析。

三、 实验方案 我们取得是48.645*10^(-4)的光纤长度，15000的分层数，350个点。

1、程序：clear; nn=15000;a=48.636*10^(-4)/nn; di=a; i=1;for z=0:a:48.636*10^(-4)n(i)=1.452+0.75*10^(-3)*((sin(pi*z/(535*10^(-9))))^2); i=i+1; endwl=1.5541*10^(-6); t=1;for k0=1550*10^(-9):0.02*10^(-9):1557*10^(-9) M=[1 0;0 1];for i=1:1:nnM1=[n(i)+n(i+1),n(i)-n(i+1);n(i)-n(i+1),n(i)+n(i+1)]/(2*n(i));M2=[exp(j*((2*pi)/k0*n(i)*di)),0;0,exp(j*(-1)*(2*pi)/k0*n(i)*di)];M=M*M2*M1;endr=M(2,1)/M(1,1);R(t)=(abs(r))^2;t=t+1;endplot(R)2、结果截图：图一、按步进画图的结果图二、按波长画图的结果四、 数据分析通过对参数的修改我们可得到以下结论： 1.反射率与光栅长度的关系反射率是光纤光栅的一个重要参数2.14和2.15直接描述了反射率R 和光栅长度L 的关系。

实验一 用光栅光谱仪测量未知光源的光谱特性【实验目的】1、熟悉平面光栅光谱仪的工作原理。

2、学会用WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪测量未知光源的光谱特性。

【实验仪器】WGD-8A 系列组合式多功能光栅光谱仪、计算机、钠灯、汞灯【实验原理】1、WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪仪器简介WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。

该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。

光学系统如图1。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，Sl 位于反射式准光镜M2的焦面上，通过Sl 射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G （8A 型：2400条/mm ，nm 250＝闪λ，波长范围200-600nm ）上，衍射后的平行光束经物镜M3（M2、M3的焦距为500nm ）成象在S2上。

光栅G 放置在一平台上，可以绕通过光栅划线的铅垂轴转动，以改变平行光束相对于光栅平面的人射角，从而改变摄谱范围。

2、平面反射光栅的构造与光栅方程目前最广泛应用的是平面反射光栅。

图2是垂直于光栅刻槽的断面放大图。

在图2中，衍射槽面(宽度为α)与光栅平面的夹角为θ，称为光栅的闪耀角，它的意义将在下面说明。

当平行光束入射到光栅上，由于槽面的衍射以及各个槽面间衍射光的相干叠加，不同方向的衍射光束强度不同。

考虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程λβm i d =±)sin (sin （1）时，光强将有一极大值，或者说将出现一亮条纹。

式中i 及β分别是入射光及衍射光与光栅平面法线的夹角，即入射角与衍射角；d 为光栅常数，,,3,2,1 ±±±=m 它表示干涉级；λ为出现亮条纹的光的波长。

公式中当入射线与衍射线在光栅同侧时取正号，异侧时取负号。

由式（1）知，当入射角i 一定时，不同的波长对应不同的衍射角，从而本来混合在一起的各种波长的光，经光栅衍射后按不同的方向彼此分开排列成光谱，这就是衍射光栅的分光原理。

光栅分光与光的频谱分析光栅分光和光的频谱分析是现代光学领域中重要的研究方法和技术。

它们在材料科学、生物医学、光通信等领域都有广泛的应用。

本文将介绍光栅分光和光的频谱分析的基本原理、应用以及进一步发展的前景。

光栅分光技术是一种利用光栅对光进行分光的方法。

光栅是一种光学元件，它具有一系列定期排列的透光和不透光的条纹。

当光通过光栅时，会根据不同波长的光的入射角度发生衍射现象，从而将光按照波长分离。

这种分光方法被广泛应用于光谱仪、激光器等领域。

光栅分光技术的原理是基于光的衍射现象。

光栅中的透光和不透光的条纹可以看作是一组光栅周期。

当光通过光栅时，不同波长的光会被衍射到不同的角度，形成多个衍射光束。

这些衍射光束可以被聚焦到不同位置上，从而实现对不同波长光的分离。

利用光栅分光技术可以对光的频谱进行分析。

频谱分析是通过分析光的波长或频率分布来研究光的性质和特性的方法。

光栅分光技术可以将光分解为不同波长的光，然后通过探测器进行检测和记录。

这样可以得到光的频谱信息，包括波长范围、波峰、波谷等重要参数。

光的频谱分析在科学研究和工程应用中有着重要的作用。

在材料科学领域，光的频谱分析可以用于材料的表征和分析。

通过分析材料的光谱特性，可以了解材料的成分、结构和物性，从而指导材料的制备和改进。

在生物医学领域，光的频谱分析可以用于血液分析、细胞检测、疾病诊断等方面。

频谱分析可以通过对光谱中的特征波峰和波谷进行识别和分析，来获得生物样本的信息。

在光通信领域，光的频谱分析可以用于光纤通信中的波长分路复用和信号调制等技术。

通过对光信号的频谱特性进行分析和调整，可以提高光通信系统的传输容量和信号质量。

未来，光栅分光和光的频谱分析技术还将继续发展。

一方面，随着技术的进步，光栅分光仪器将变得更加精密和高效。

现在已经有一些新型的光栅分光仪器采用了微纳技术和纳米材料，可以实现更高的分辨率和更宽的工作波长范围。

另一方面，人们对光的频谱分析方法和算法的研究也在不断深入。

本科毕业设计常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

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本人签名：日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。

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保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。

本人签名：日期：导师签名：日期：光纤光栅探究非均匀的温度场摘要通常光纤光栅传感技术只能探测均匀的温度场，但当温度场非均匀时，光纤光栅反射谱就会发生改变，反射谱的中心波长与温度不再具有线性变化的关系，因此，无法解调出温度场。

本文根据光的干涉原理，分析了光的低相干技术，将光学低相干反射测量技术运用到光纤光栅的时域脉冲响应的获取。

同时利用傅氏变换法转换时域脉冲响应为反射谱。

并且根据光纤光栅的传输矩阵理论和傅氏变换法，分析了在非均匀温度场时光纤光栅的传输模型，将光纤光栅制备中的去层技术运用到非均匀温度场的解调。

因此，结合光学低相干反射测量技术和去层技术，实现了光纤光栅对非均匀温度场分布的解调。

通过仿真验证了此项技术的可行性。

关键词：温度场分布重构光学低相干反射测量术去层法传输矩阵光纤布拉格光栅Measurement of Non-uniform Temperature Field By Fiber Bragg GratingSensingAbstractUsually fiber grating sensing technology can only detect a uniform temperature field, but the reflective spectrum of a fiber Bragg grating can be out of a shape under non-uniform temperature field, and in this case, the center wavelength of the reflection spectrum changes nonlinearly with temperature changes in a fiber bragg grating. So, we can not complete the temperature demodulation in the way. According to the principle of optical interference, this article analyses low coherent light interference technology, uses it to obtain the time impulse response of the fiber grating, and then transforms the time impulse response into the reflection spectrum. Further, according to the transfer matrix theory of fiber bragg grating and Fourier Transform, the article analyses the optical transmission model in a fiber grating and applies delamination technology to realize the demodulation of the non-uniform temperature in a fiber grating which usually is used to make fiber gratings. Combine the Optical Low Coherence Reflectometry with delamination technology, we realize the demodulation of the non-uniform temperature field in a fiber grating effectively. Simulation results test and verify the feasibility of this technology.Key word:Non-uniform temperature distribution reconstruction; Optical Low Coherence Reflectometry; Delamination; Transfer matrix ; Optical fiber Bragg grating目录第一章绪论 (1)1.1 光纤光栅简介 (1)1.2 光纤光栅的传感应用 (2)1.3 研究意义 (3)第二章光纤光栅基本理论 (4)2.1 传输矩阵法 (4)2.2 傅氏变换法 (5)第三章非均匀温度场探测系统的原理 (7)3.1 低相干反射测量技术 (7)3.2 去层技术 (9)第四章光纤光栅温度场分布的重构仿真 (12)第五章结论 (14)参考文献 (15)致谢 (17)第一章绪论传感器在当代科技领域和工程应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器已在诸多领域得到应用。

目录摘要 (I)Abstract (II)绪论 (1)1光纤光栅 (2)1.1 光纤光栅简介 (2)1.2 光纤的基本结构与模式 (2)1.3平面光栅 (3)1.4 光纤光栅谱 (4)1.5 光纤光栅的应用 (4)2 Beamprop介绍 (6)3光谱仿真 (7)3.1 BeamProp参数设置步骤 (7)3.2 检查指数资料 (9)3.3 分析建立 (10)3.4 仿真 (10)3.5 在波长上的扫描 (11)4 心得体会 (13)参考文献 (14)摘要光纤光栅是在光线中制作的一种无源器件，在光纤中沿轴向建立一种折射率周期性的分布，它能够对特定波长附近一定带宽内的光具有反射或损耗作用。

早期的光纤光栅是指光纤布拉格光栅，直到出现了长周期光纤光栅后，才有了两种分类。

本文介绍的是通过Beamprop软件进行光纤光栅的光谱仿真，Beamprop是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Beamprop软件的介绍、光纤光栅的原理以及进行光谱分析及仿真。

关键词：光纤光栅；Beamprop；光谱仿真AbstractThe fiber grating is a passive device in the procedure of light, the fiber along the axis to create a periodic refractive index distribution, it can be near a particular wavelength of light within a certain bandwidth, or loss of effect with reflections. Early fiber grating is the fiber Bragg grating, until after a long period fiber grating, only two categories.This article describes the software through Beamprop fiber grating spectral simulation, Beamprop is a very strong practical optical applications, this article contains Beamprop software introduction, the principle of fiber Bragg grating and spectral analysis and simulation.Key words: fiber grating; Beamprop; spectrum simulation绪论光电子器件的进步推动了光纤通信的发展，器件出现了包括光纤光栅在内的各种光纤器件。

第1章 光纤光栅光学性质的研究光纤光栅是一种全光纤的滤波器件，它的光学性质决定了它的广泛应用。

研究光纤光栅光学性质的基本理论是耦合波理论。

基于耦合波理论的传输矩阵法是一种快速数值模拟非均匀光纤光栅光学特性的方法。

在本章，系统地总结了应用耦合波理论研究光纤光栅的光学性质的方法。

光栅反射带宽是其作为滤波器的主要性能指标，本章研究了光栅参数对光栅反射带宽的影响。

其它主要研究包括寻找传输矩阵法中分割段数的最优值，各种参数对线性啁啾光纤光栅光学性质的影响，包括反射谱和时延特性受光栅长度、光纤折射率微扰幅度、啁啾系数和光波从不同方向入射时的影响，以及各种切趾函数对光纤光栅的作用。

第一节 研究光纤光栅的基本理论：耦合波理论1 光纤光栅中的折射率分布光纤光栅中的折射率微扰是由制作时所用紫外光的场分布决定的。

一般全息曝光和相位图2.1-1几中典型光纤光栅的折射率微扰分布a uniform gratingb chirped gratingc Gauss gratingd phase shift gratinge Moire gratingf super structure grating掩模板法制作光纤光栅时的场分布具有余弦函数的形式，所以光栅的折射率微扰也具有余弦函数形式，一般可以写为：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡φ+Λπν+δ=δ)z (z 2cos )z (1)z (n )z (n eff eff(2.1-1))z (n eff δ是折射率微扰的平均值，可以看成一个光栅周期内折射率变化的直流部分，ν是光栅条纹的可见度，Λ是光栅的周期，φ(z)可以用来描述光栅的啁啾。

光纤光栅的光学性质就决定于上式中各个参数的选择，我们将它们统称为光栅参数。

光纤光栅的光学性质就由这些光栅参数决定，通过选择它们沿光纤方向不同的变化形式，可以得到适用于不同目的的光栅。

图2.1-1是几中常见的光纤光栅的折射率微扰的分布示意图：1. 均匀光纤光栅：各个光栅参数沿光纤方向是常量，这种光栅可以得到解析的理论分析结果，是耦合波理论分析光纤光栅光学性质的出发点。

光纤光栅的温度特性一、光纤特性介绍常规的光纤是由三部分组成，纤芯，包层和保护层。

纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大，当满足一定的条件时，光波就可以在纤芯和包层之间发生全反射，从而使光波沿着纤芯的方向传播。

保护层是用来保护光纤不受污染及损伤的。

没有保护层的光纤外边是空气，称为裸光纤，在分析光纤的特性时间通常是按照裸光纤的模型分析的。

按照传输模式可以把光纤分为单模光纤和多模光纤，其主要差别体现在纤芯的尺寸和纤芯与包层折射率的差值上。

单模光纤的芯径较小一般为，2~12um，纤芯折射率n1与包层折射率n2的差较小，(n1−n2)n1为0.0005~0.01。

多模光纤的芯径较大，为50~500um，纤芯与包层的折射率差较大，(n1−n2)n1为0.01~0.02。

光纤光栅能够对特定的模起反射或损耗作用，而光纤中的模一个重要的参数是他们的传播常数。

从理论上确定传播常数的大小，需要用光纤的本征方程。

设光的频率为ω，真空中光的波长为λ，光速为c。

当光在光纤中传播时间，传播常数β和有效折射率n eff是两个重要的概念，其关系为β=k0n eff，k0=2πλ，为真空中的波数。

光沿光纤向前传播的速度为v=ωβ=cn eff。

当传播常数满足k0n2<β<k0n1时，光在纤芯和包层间的界面处被反射，光能主要在纤芯中分布，在包层中以指数的形式迅速衰减，这种模式称为纤芯模，对单模光纤，只有一个纤芯模。

当k0n3<β<k0n2时，光在包层和环境的界面处来回反射，从而形成折线向前传播，这种模式称为包层模。

包层模的能量主要分布在纤芯和包层中，在环境中以指数的形式迅速衰减。

由于包层和环境之间的不均匀性引起散射等原因，包层模实际上不能在包层中稳定传播，通常在传播不远的距离后即衰减而消失。

康宁光纤的典型参数：n1=1.4681，n2=1.4628，r1=8.3um，r2=62.5um.二、光纤光栅温度特性光纤光栅的波长会随着温度的变化发生漂移，从物理本质上讲，主要有三个原因：光纤材料的热光效应，热膨胀效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。