光纤布拉格光栅原理

光纤布拉格光栅原理

光纤布拉格FGB原理是通过将单模光纤的核心横向暴露于强激光的周期性图案而制成的。曝光使光纤芯的折射率永久增加，根据曝光图案产生固定的折射率调制。这种固定折射率调制称为光栅。

在每次周期性折射变化时，反射少量光。当光栅周期约为输入光波长的一半时，所有反射光信号相干地组合成特定波长的一个大反射。这被称为布拉格条件，并且发生该反射的波长称为布拉格波长。在布拉格波长以外的波长的光信号（非相位匹配）基本上是透明的。该原理如图1所示。

因此，光通过光栅传播，衰减或信号变化可忽略不计。只有那些满足布拉格条件的波长才会受到影响并强烈反向反射。精确预设和维持光栅波长的能力是光纤布拉格光栅的基本特征和优点。

反射分量的中心波长满足布拉格关系：λ _布拉格 =2nΛ，折射n的索引和Λ的FBG的折射率变化的指数的周期。由于参数n和Λ的温度和应变依赖性，反射分量的波长也将随着温度和/或应变的变化而变化，.这种依赖性是众所周知的，它允许从中确定温度或应变。反射FBG波长。

光纤布拉格光栅的反射波长取决于光栅特性（周期，调制），并受环境条件如应变和温度的影响。这允许FBG的使用作为应变和温度的传感器。在温度传感的情况下，布拉格波长是温度的函数。这种温度依赖性是由纤维的折射率的变化以及玻璃材料的热膨胀引起的。

光纤光栅传感器的原理特点

电气传感器已经广泛的应用在各种测试测量设备中，但是它具有非常多的局限性，如传输损耗、易受干扰、无法在恶劣环境中得到应用等。近年来随着光电子学的发展，光信号由于它的抗干扰性和低损耗性能，已经逐渐替代电信号应用于传感器。光纤传感器具有结构简单、环境耐受性好、抗电磁干扰、可远距离监测等诸多优点，已广泛应用于结构健康状态监测、电力系统安全监控、油气资源勘探开采和国防等等很多领域。基于光纤光栅的传感器是最主要的一类光纤传感器，用于测量各种温度、应力、应变等物理量。光纤光栅传感器具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；体积小、重量轻、灵敏度高、零点无漂移，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长、易于复用和够成传感网络等等。
由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分，因此，解决交叉敏感问题，是实现应力准确测量及实用化前提，现有的光纤光栅传感器一般采用在光纤光栅的一端增加温敏金属来实现温度补偿，但此种技术提高了封装工艺的复杂度和难度，例如金属长度与光纤光栅的长度有一定比例关系，稍有偏差则温度补偿不完全。

 

什么是光纤光栅

光纤光栅又称光纤布拉格光栅（FBG），是一种纤芯的折射率呈周期性变化的光纤。通过全息干涉法或者相位掩模法等方法将对光敏感的一小段光纤暴露在光强呈周期性变化的光波下，这一小段的折射率就可以相应的发生永久性的改变。当一束光通过光线布拉格光栅进行传输时，每一小段被改变折射率的光纤只可以反射相应特定波长的光波，即布拉格波长，且布拉格波长与光栅之间的间隔长度有关。而其他波长的光波就被继续传输，这就使得光纤布拉格光栅只反射特定波长的光波。

目前，常规的单芯光纤光栅传感器在制作工艺和工程应用中的研究已非常成熟。但为了消除温度和应变交叉敏感问题，每个传感器往往至少需要两只光纤光栅配合使用，而在较为复杂的结构应变的监测中，则需要更多的传感器来测量多维的结构应变，使得系统结构复杂，不便于工程应用。