1、第十章第十章 光纤光栅传感器光纤光栅传感器光纤的紫外光敏性光纤的紫外光敏性光纤的紫外光敏性光纤的紫外光敏性n19781978，K.O.HillK.O.Hill，加拿大渥太华研究中心，加拿大渥太华研究中心 发现光纤的光敏性发现光纤的光敏性所谓的光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。光纤中的光敏性通常是特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。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
2、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。500 nm(Bragg grating:FBG)200 m(Long-period grating:LPG)8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of cores光纤光栅光纤光栅19891989，G.MeltzG.Meltz，美国联合研究中心，侧向写入，美国联合研究中心，侧向写入法，通信波长的光纤光栅。法，通信
3、波长的光纤光栅。UV125 m光纤光栅的重要性光纤光栅的重要性光纤光栅的重要性光纤光栅的重要性n光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件光纤无源器件传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘稳定及电绝缘光纤光栅在光纤通信系统中的重要作用，类似于传光纤光栅在光纤通信系统中的重要作用，类似于传传统光学中透镜的作用传统光学中透镜的作用n nFBG（fiber Bragg grating)型高精度应用问题高精度
4、应用问题解调技术解调技术复用技术复用技术n nLPG(long period grating)型灵敏的温度、应力传感器灵敏的温度、应力传感器机械感应式机械感应式 LPGLPG光纤光栅传感器光纤光栅传感器n1 1、光纤光栅的原理、光纤光栅的原理n2 2、光纤光栅的制作、光纤光栅的制作n3 3、光纤光栅的应用、光纤光栅的应用n4 4、光纤光栅技术的展望、光纤光栅技术的展望1 1、光纤光栅的原理光纤光栅的原理光纤光栅的原理光纤光栅的原理 FBGFBG是是通通过过紫紫外外光光曝曝光光的的方方法法，使使光光纤纤纤纤芯芯内内产产生生折折射射率率的的周周期性变化，其分布函数可以表示为：期性变化，其分布函数可
5、以表示为：z z是沿光纤纵向的坐标，是沿光纤纵向的坐标，0 0是光栅起点的周期；是光栅起点的周期；n ndcdc是有效折射率微扰的直流分量；是有效折射率微扰的直流分量；n nacac是有效折射率微扰的交流分量；是有效折射率微扰的交流分量；是一个附加的相位项，表示光栅的啁啾，它们都是是一个附加的相位项，表示光栅的啁啾，它们都是z z的函数。的函数。光纤光栅的模式耦合理论光纤光栅的模式耦合理论光纤光栅的模式耦合理论光纤光栅的模式耦合理论n在光栅区域，光纤芯区光场满足方程：在光栅区域，光纤芯区光场满足方程：n而光栅中的光场包括前向基模、后向基模和包层模，而光栅中的光场包括前向基模、后向基模和包层模，
6、因此，可以表示为：因此，可以表示为：n将它带入光场方程，通过化简可以得到将它带入光场方程，通过化简可以得到 利用模式之间的正交性，利用模式之间的正交性，光纤中传输的两个光光纤中传输的两个光波，只有当其传播常数波，只有当其传播常数1 1，j j满足满足BraggBragg条条件：件：光栅周期光栅周期光栅周期光栅周期这两个波之间会才发生能量的耦合。这两个波之间会才发生能量的耦合。光纤光纤光纤光纤BraggBraggBraggBragg光栅（光栅（光栅（光栅（FBGFBGFBGFBG）输入环形器 FBG123 （1 1）当）当1 1-（-1 1）=2/时，即同向时，即同向纤芯基模与纤芯基模与反向纤芯
7、基模之间满足相位匹配时，该光栅被称为反向纤芯基模之间满足相位匹配时，该光栅被称为Bragg光栅（光栅（FBG）FBG透射和反射特性FBGFBGFBGFBG的特性的特性的特性的特性A、均匀光栅 B、切趾光栅 C、啁啾光栅几类几类FBG的折射率分布的折射率分布LPGLPG 输入 LPGLPG（长周期）（长周期）（2 2）特别的）特别的1 1-j j=2=2/时，即纤芯基模与同向时，即纤芯基模与同向传输的包层模之间满足相位匹配时，该光栅被称为长传输的包层模之间满足相位匹配时，该光栅被称为长周期光栅（周期光栅（LPGLPG）闪耀光纤光栅闪耀光纤光栅闪耀光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波
8、闪耀光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波矢方向却不是与光纤轴线相一致，而是与其成一定的角度。矢方向却不是与光纤轴线相一致，而是与其成一定的角度。闪耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包闪耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层中损耗掉。层中损耗掉。闪耀光纤光栅写入闪耀光纤光栅写入超结构光纤光栅超结构光纤光栅又称取样光栅，折射率调制是周期性间断的，相当于在光纤Bragg光栅或啁啾光纤光栅的折射率调制上又加一个调制函数相移光纤光栅相移光纤光栅是指在光纤是指在光纤Bragg光栅的某些点，通过一些方法破坏光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的，每
9、个不连续连接都会产生其周期的连续性而得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。一个相移。相移光纤光栅的透射谱相移光纤光栅的透射谱其主要特点是在其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口，使波长反射带中打开透射窗口，使波长具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相移量，能够使光纤光栅更好地满足移量，能够使光纤光栅更好地满足EDFA增益平坦的需增益平坦的需要；常采用相移相位掩模法要；常采用相移相位掩模法MoireMoire光纤光栅光纤光栅采用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤的同一位置进行二次曝光的结果，其谱特征是在反射带中开了很窄的透射窗口。变
10、迹光纤光栅变迹光纤光栅采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度进行调制，可 形成变迹光栅，这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状。啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅l3l2l1接缝接缝接缝接缝啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的,是一个非周期的光栅间距，可改变轴向的光栅周期或光纤纤芯折射率或同时改变两者获得。2 2 2 2、光纤光栅的制作、光纤光栅的制作、光纤光栅的制作、光纤光栅的制作n光纤光栅的制作方法有很多种，如纵向驻光纤光栅的制作方法有很多种，如纵向驻波干涉法，双光束横向干涉写入法，相位波干涉法，双光束横向干涉
11、写入法，相位模版法等。模版法等。n其中相位模版法以其工艺简单、重复性好、其中相位模版法以其工艺简单、重复性好、成品率高、便于大规模生产、光栅周期与成品率高、便于大规模生产、光栅周期与光源无关等优点而得到广泛的应用。光源无关等优点而得到广泛的应用。前提：光敏光纤前提：光敏光纤普通光纤氢载普通光纤氢载光纤中掺入光敏性杂质，光纤中掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等；或多如：锗、锡、硼等；或多种掺杂。种掺杂。载氢增敏技术载氢增敏技术n n1 1、载氢载氢增敏技增敏技术术 19931993年年 AT&T BellAT&T Bell实验实验室的室的P.J.LemaireP.J.Lemaire掺掺锗锗光光纤纤
12、的的载氢载氢增敏技增敏技术术。掺锗掺锗3 3光光纤纤被放入气被放入气压为压为2.0-76MPa2.0-76MPa，温度，温度为为20207575的的氢氢气中，形成气中，形成载氢载氢光光纤纤。载氢载氢光光纤纤在紫外光照射或加在紫外光照射或加热时热时将引起将引起氢氢气和气和掺锗掺锗石英光石英光纤纤之之间产间产生化学反生化学反应应，从而，从而产产生光致折生光致折射率射率变变化，光敏性可提高化，光敏性可提高1 12 2个数量个数量级级，折射率，折射率变变化提高两个数量化提高两个数量级级。还还有有载氘载氘光光纤纤。n n特特别说别说明，明，载氢载氢光光纤纤形成的折射率形成的折射率变变化是持久的，由于光化
13、是持久的，由于光纤纤中存在未反中存在未反应应的的氢氢，使光，使光纤纤光光栅栅的折射率随的折射率随时间变时间变化而化而变变化，引起紫外写入光化，引起紫外写入光栅栅的的BraggBragg波波长长的的变变化。室温条件下化。室温条件下放置放置2 2个星期下降个星期下降1111。解决方法：1）加速老化，用事后热处理来稳定波长；2）载氢光纤先经均匀曝光处理再写入光栅；在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。因此，对这种高度光敏光纤材料的研究具有
14、很大的意义。（1）避免了对光纤材料进行长时间且具有危险性的氢气敏化处理。（2）可避免由于载氢增敏在光栅区域引起的羟基吸收损耗；这一损耗在长度较大的Chirp光纤光栅中是十分严重（3）提高了光栅的制作效率。如果对B/Ge双掺光纤材料进一步载氢处理，可以在较短的曝光时间内获得很高的光栅反射率。光纤中掺入光敏性杂质光纤中掺入光敏性杂质成栅的紫外光源成栅的紫外光源准分子激光器准分子激光器窄线宽准分子激光器窄线宽准分子激光器倍频倍频Ar离子激光器离子激光器倍频染料激光器倍频染料激光器倍频倍频OPO激光器激光器相位模版法制做光纤光栅相位模版法制做光纤光栅Laser BeamLaser Beam-1-1-1
15、1级级级级+1+1+1+1级级级级0 0 0 0级级级级3%3%3%500500公里的公里的项项目建目建设设 重点在西部、云重点在西部、云贵贵、东东北等地区北等地区“珠珠港港澳澳”隧道工程超隧道工程超过过100100公里公里典型市场应用(3)n n地地铁铁、高、高铁铁n n国家国家对铁对铁路建路建设设的投的投资进资进一步加大，达到一步加大，达到60006000亿亿n n湖北湖北4 4条条200Km200Km以上以上时时速城速城际铁际铁路建路建设设投投资资450450亿亿n n国家地国家地铁铁市市场场将有将有2020年的建年的建设设期期n n产产品品应应用在用在“火灾火灾报报警、异物侵限、警、
16、异物侵限、轮轴轮轴技技术术、轨轨道道变变形、基形、基础础沉降沉降”等方面等方面典型市场应用(4)n n桥桥梁梁监测监测 全国新老全国新老桥桥梁梁6060万座，每年新增万座，每年新增1 1万座万座桥桥梁梁 超超过过1Km1Km以上的特大以上的特大桥桥12541254座座 建建设设部已部已经经有有专门专门文件要求加文件要求加强强特大特大桥桥的的长长期健康期健康监测监测典型市场应用(5)n n智能智能别别墅、周界安防、石油管墅、周界安防、石油管线线防盗防盗 已已经经有有产产品成功品成功应应用在智能用在智能别别墅小区墅小区 大型大型场场所的可定址周界安防：所的可定址周界安防：飞飞机机场场、边边界、敏感
17、界、敏感军军事事设设施与基地施与基地 石油管石油管线线防盗缺少有效手段，光防盗缺少有效手段，光纤纤光光栅传栅传感器有可能提供解决方案感器有可能提供解决方案典型市场应用(6)n n大型机械装大型机械装备备安全安全监测监测 飞飞机机发动发动机等大型旋机等大型旋转转机械装机械装备备安全安全监测监测 港口翻港口翻车车机安全机安全监测监测 港岸港岸桥桥起重机起重机 大型浮吊安全大型浮吊安全监测监测典型市场应用(7)n n冶金冶金电电力市力市场场 电缆电缆沟在沟在线线温度温度监测监测 电缆电缆接接头测头测温、高温、高压压开关柜开关柜 电缆电缆隧道火灾隧道火灾报报警警典型市场应用(8)n n水利水利设设施、
18、施、边边坡坡监测监测 大大坝坝 水水库库 边边坡坡清江水布垭水电站工程清江水布垭水电站工程清江水布垭水电站工程清江水布垭水电站工程典型市场应用(9)n n煤煤矿矿瓦斯气体瓦斯气体传传感器感器 通通过过基本的煤安基本的煤安认证认证 已已经经开始小批量生开始小批量生产产应用案例实例1：武汉市晴川桥安全监测系统实例2：武汉阳逻长江公路大桥长期安全监测系统实例3：海口世纪大桥长期健康监测系统 秦皇岛港口翻车机安全监测沪蓉西施家梁子滑坡监测沪蓉西施家梁子滑坡监测 清江水布垭大坝防渗监测系统终南山隧道工程的火灾报警n n在世界在世界规规模最大模最大陕陕西秦岭西秦岭终终南山隧道火灾南山隧道火灾报报警工程国警工程国际际招招标标中中中中标标，建成并，建成并评为优评为优秀秀项项目目n n是目前国内外唯一是目前国内外唯一实现实现2020公里公里长长无中无中继继的火灾的火灾监测监测技技术术应用于镇海石化应用于镇海石化应用于上海石化应用于上海石化大连石化热电厂电缆沟应用现场大连石化热电厂电缆沟应用现场应用于武汉高压研究所
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