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结构健康监测中光纤光栅传感技术(二)光纤光栅基本原理1

更新时间:2015-10-23 23:01:24点击次数:5221次字号:T|T

1.1     引言

1978年,K. O. Hill等人发现了光纤的光敏性,从而导致了光纤光栅(fiber Bragg grating)的新型光纤无源器件的出现,其中,在光纤光栅中衍射的光满足布拉格衍射条件。随着光纤光栅写入技术的不断完善,应用成果的日益增多,光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。

光纤材料光敏效应在微观上可能与众多的物理因素有关,是一个非常复杂的物理过程,目前还不能给出完全定量化的描述。本章简单介绍了光纤光栅的光敏性及其光学特性。

光纤光栅可以广泛应用于应变、温度、压力以及动态磁场等的测量。测量的基本原理是光纤光栅的中心波长随着外界环境参数的变化而变化。本章分别介绍了光纤光栅对几种物理参数的传感原理。

研究光在光纤光栅中的传输规律,对正确理解光纤光栅的传光机理和光纤光栅的性质,从而合理地应用光纤光栅的独特功能是十分重要的。研究光波在光纤光栅中传输规律的方法有许多种,包括耦合模式法、包络函数法、多层介质薄膜法、光程法等。其中作为研究光波导的理论工具,耦合模理论因其直观性和可明确地描述模场的特性而得到广泛应用。本章重点对光纤光栅的耦合模理论做了介绍。耦合模理论作为用于光模场描述的方法通常有理想模展开和局域模展开两种形式,局域模展开对研究几何形状不完整的波导非常有用;而理想模展开特别适合于几何形状完整而折射率不均匀的波导,例如光纤光栅,并且其耦合系数具有简单的普遍形式。

光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制度等结构参数,这些参数决定了光纤光栅的Bragg波长、带宽和反射特性等,从而使不同的折射率调制及不同结构的光纤光栅具有了不同的功能,形成不同的光纤光栅器件。光纤光栅的形成基于光纤的光敏性、不同的曝光条件,不同类型的光纤产生多种不同折射率分布的光纤光栅。

当设计传感器测量方法时,应该仔细考虑光纤光栅的特征。一些指标是通用的,几乎针对所有应用;另外一些指标可能是为满足一些特殊应用而定制的。本章针对应变、温度测量,详细介绍了光纤光栅的一些必要的技术指标。

如何提高物理量变化引起的光纤光栅波长移动量的测量精度是设计性能优良的传感系统的关键之一。近年来,如何实现光纤光栅传感系统的高分辨率探测是学者们研究的一个热点。关于光纤光栅波长解调探测方法已有很多报道,根据波长漂移量探测器件的工作原理,这些探测方法大致可以分为如下几类:边缘滤波器法、可调滤波器法、干涉扫描法。

2.1     光纤光栅的光敏性及光学特性

2.2.1         光纤光栅的光敏性

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的。所谓光敏性,是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化,变化的大小与光强成线性关系并可以永久的保存下来。这样的结果,实质上是在纤芯内形成了一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射器。利用这一特性可以构成许多性能独特的光纤无源器件。研究表明,光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外(UV)区。

根据在掺锗石英玻璃、光纤预制棒及光纤上所进行的光敏性实验,在240nm波段的紫外光照射下,掺锗石英材料的光敏性主要表现在以下几个方面 :

1.        折射率的永久性改变,这种光致折射率改变是可饱和的,是用240nm波段的紫外光在光纤中形成光纤光栅的基础。

2.        240nm吸收带永久性降低或消失,同时造成193nm吸收带永久性增加。

3.        对样品的电子自旋共振测量表明,石英玻璃中的Ge(1)、Ge(2)和GeE′缺陷浓度显著增加。

4.        样品浓度增加。

5.        掺锗石英材料光纤的光敏性与光纤的制作过程有关。

6.        光纤材料的光敏性与光纤材料中的掺锗浓度基本上成正比,并与所使用的紫外光源的类型,以及照射到光纤材料上的能量密度有关。在相同的曝光量下,使用脉冲型光源可以在光纤中获得比连续型光源更大的光敏变化,使用较高的能量密度也具有相似的效果。

7.        光敏性与光纤材料有很大关系。例如,对光纤材料进行高压低温H2扩散可以极大地提高光纤材料的光敏性。

8.        采用多种掺杂使光纤材料的芯区和包层具有尽可能大的熔点和热膨胀系数,可以获得具有高光敏性的光纤材料。

9.        B/Ge双掺光纤材料具有较高的光敏性。

10.    在采用高能量密度光源对高掺锗光纤材料进行长时间曝光的过程中,开始时,折射率随曝光量逐渐增加,并达到某一最大值;然后,折射率随曝光量逐渐减小。


虽然光纤光敏效应的发现距今已有20余年,但它的物理起因和微观机理还不是十分清楚。根据已有的实验结果,人们已经对掺锗石英光纤光敏性的微观机理提出了多种不同的解释模型。就目前而言,普遍认为掺杂光纤光敏性来源于掺杂物质与SiO2混合形成的结构缺陷。一般认为强紫外光照射后,密度发生了变化,从而导致了折射率变化, 图2.1为典型的掺锗光纤紫外吸收光谱。

掺杂质的光纤具有折射率的紫外(UV)光敏性,即UV光辐照引起光纤的晶格缺陷,从而引起折射率的变化。若没有对光纤进行处理,直接用UV光照射,光纤的折射率增加仅为10-4数量级便已经饱和,所以制作优质的光纤光栅就需要提高光纤的光敏性。提高光敏性的关键是增加光纤GODC(germanium oxygen deficiency centre)的浓度。增敏方法主要有:掺入光敏性杂质(如锗、锡、硼等)或多种掺杂剂(如锗、硼共掺等)。近年来,增敏技术主要有以下几种:

1.      采用高压载氢技术或在制作预制棒时进行氢处理将氢扩散到光纤中,使光纤在242nm波长处的吸收强度比通常条件下的光纤提高了一个数量级。

1993年,Atkins和Lemaire等人发现高压低温氢载能大幅度提高光纤的光敏性。氢载温度通常在21~75°C之间,压力在20 ×105~750×105Pa的掺锗硅玻璃导致的吸收谱的变化的范围内。Lemaire将标准通信光纤在21℃下氢载12天,然后用工作波长为241nm、工作频率为30Hz的紫外光辐射,得到5.9×10-3的折射率改变量。事实上,氢载后再进行紫外辐射,光纤折射率改变量可达10-2量级。Lemaire还证实折射率的改变量不受制作过程中产生的细微缺陷的影响,而主要受所掺锗和载氢浓度的影响,且在通常的情况下,折射率的改变可保持较好的热稳定性。

2.      在光纤中掺入Sn4+、Er3+、Ge4+、Sb3+、Pr3+等具有较强光敏性的离子以加强在240nm附近的光纤吸收峰值。

Dong等的研究表明,掺Sn4+的光纤经紫外辐射后,折射率改变量可达114×10-3,而且不会对重要的通信窗口1155μm处的吸收损耗产生大的影响,形成的光纤光栅的热稳定性也好于硼锗共掺的光纤。研究还表明,Sb/Ge共掺光纤有较好的光敏性(dn=2.7×10-4)和很高的温度稳定性,当温度高达900℃时光栅的性能仍然稳定,特别适合于制作对温度干扰不敏感的传感器。

对近UV光增敏掺锗光纤纤芯对244nm的光波敏感,故常用244nm的激光作为写入光波,但包层对该波长也有较强的吸收,制作光纤光栅时,需要除去包层,这既费时又损伤光栅的机械强度。为此,J.L.Blows等人采用对包层透明的近UV光作为写入光波,同时在纤芯掺入光敏的稀土离子Ho3+或Tm3+。实验表明,掺Ho3+或Tm3+的纤芯对355nm的近UV光敏感,同时对1250~1650nm的通信波长吸收很弱,极有实用价值。

2.2.2        光纤光栅的光学特性

光纤光栅是一种参数周期变化的光波导,其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合,并且可以通过将一个光纤模式的功率部分地或完全的转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中,纤芯中的入射基模既可以被耦合成向前传输模式,也可被耦合成向后传输模式,这要依赖于光栅以及不同传播常数决定的相位条件,即:


因此,均匀FBG光栅的基本特性是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,该共振波长称Bragg波长,记为λB。一个光纤折射率周期变化的光栅可以反射以Bragg波长为中心,带宽以内的一切波长,根据需要它既可以做成小于0.1nm的窄带型滤波器,也可以作为几十纳米的宽带滤波器。此外,它还具有体积小、插入损耗低以及与普通光纤良好匹配的优点。而折射率被线性调制的啁啾(Chirp)光栅可以做成宽带滤波器。


3.1     光纤光栅基本理论

3.1.1         光纤基本结构与传输原理

光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导,通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内,并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。












2.8分别示出均匀光纤光栅的折射率分布和反射谱示意图。由 REF _Ref175968488 \h \* MERGEFORMAT 2.8 (b)所示的光谱特性说明一定带宽Δλ的谐振峰两边有一些旁瓣,这是由于光纤光栅的两端折射率突变引起Fabry-Perot效应所至。这些旁瓣分散了光能量,不利于光纤光栅的应用,所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

均匀光纤光栅可作为激光器外腔反射镜,制成光纤光栅外腔半导体激光器。也可以作为Fabry-Perot谐振腔制成性能优良的光纤(DFBMOPA结构)激光器,主动锁模或可调谐光纤激光器、DWDM中的复用/解复用器、插分复用器及波长转换器、光栅路由器等;利用光纤光栅的温度、应力特性还可制成不同的光纤传感器。

2、线性啁啾光栅



2.9示出一个线性啁啾光纤光栅的折射率分布和反射谱示意图。从她的反射谱可见,周期非均匀光栅的反射谱明显增宽,且反射谱具有波动性。这种波动性的产生原因与均匀光栅一样,也不利于应用。适当的修正折射率分布n(z),即使光纤光栅两端折射率调制度逐渐递减,可以改善这种波动性 REF _Ref175968758 \r \h \* MERGEFORMAT [22] REF _Ref175968759 \r \h \* MERGEFORMAT [23]

在这种光栅中,光栅节距的线性变化,使通路中的各个波长在光栅的不同深度处反射回来,补偿了通路内各波长渡越时间的变化,从而对谱宽展宽作出补偿。所以,利用啁啾型光栅的较宽反射带的特点可构成宽带滤波器,用于色散补偿和产生超短脉冲。

1. Taper型光栅

Taper型光栅是一种切址光栅,它的周期是均匀的,折射率随一定的函数关系变化,其折射率分布可表为



2.10示出Taper型光栅的折射率分布和反射谱示意图。从图可见,这种光栅的两端折射率分布函数逐渐减至零,消除了折射率突变,从而使它的反射谱不存在旁瓣,改善了光谱特性。Taper型光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插/分复用器。多个Taper型光栅的复合还可制成特殊性能滤波器,如Michelson光纤滤波器和Mach-Zehnder滤波器等。

1. Moire光纤光栅

Moire光纤光栅是一种相移光栅,有其特有的性质,深受关注。Moire光栅的折射率分布是一种具有慢包络的快变结构,这种结构不仅可以有效抑制Bragg光纤光栅反射谱中的旁瓣效应,而且可以在反射阻带中打开一个或多个透射窗口。其折射率分布可表为








长周期光纤光栅在光纤通信有着广泛用途,如用于EDFA增益谱平坦化、光纤模式变换器、偏振模式变换器、滤波器,同时作为一种带阻滤波器应用到OADMOXC等波长路由器件。

长周期光纤光栅的光谱特性与光栅的周期、纤芯和包层的有效折射率有关,利用长周期光纤光栅的导模与多个包层模之间产生能量交换,形成多个损耗峰,实现单个光栅的多参量传感;通过调整包层和纤芯材料的不同的掺杂,或者通过选择合适的光栅参数,使纤芯的导模与设定阶次的包层模产生耦合,可以制作对某些参数增敏或者去敏的长周期光纤光栅。由于长周期光纤光栅无须去包层,比光纤光栅制成器件寿命更长、承受力更强。因此,长周期光纤光栅在温度、应变、弯曲、振动、横向负载以及气体和液体浓度的等方面的光纤传感领域也得到了广泛的研究。