布拉格光栅

体全息,或者叫做白光全息

体布拉格光栅共分为四个大类：

(1) 反射式体布拉格光栅 (RBG)；

(2) 透射式体布拉格光栅 (TBG)；

(3) 啁啾体布拉格光栅 (CBG)；

(4) 低波数陷波滤光片 (BNF) ；

根据光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期（Λ<1μm）和长周期（Λ>1μm）两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模(导模)LP01之间产生能量耦合，形成特定波长为λB的反射波，对于前向传播的LP01，模β1=β01；对于后向传播的LP01，模β1=-β01。两耦合模的传播常数差β=2β01较大，这种光栅称为布拉格光栅。

参阅布拉格衍射.三维光栅，对光的衍射满足布拉格条件，不仅对方向有选择性，还对颜色具有选择性。

由于布拉格光纤光栅传感器具有以上许多不可替代的优点以及广泛的应用前景,自从横向紫外曝光刻写技术面世以来,布拉格光纤光栅传感器得到了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十凡年内得到了飞速发展,针对布拉格光纤光栅智能传感网络的实用化研究和应用已经取得了一些进展，这主要集中在以下几个方面:

布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术

光纤光栅传感器经过十余年的研究与发展，至今己经出现了许多波长解调技术。在实验室，波长解调可以用高精度的光谱仪来实现，但是由于光谱仪的价格昂贵，而且体积大，不适于实际应用，所以需要结构紧凑，成本低的解调系统。具体解决方案主要包括宽带光滤波法可调谐窄带滤波器法，光干涉法，激光器扫描法。成像光谱分析法等。这些方法有着不同的分辨率和动态范围，针对不同的应用选择相应的解调方案，可以很好的适用于各种实际应用。

1)宽带光滤波法

该方法通过宽带光源发出的宽带光:经隔离器，3DB锅合器后，到传感光栅反射滤波，反射回窄带光，再经过宽带滤波器(WDM祸合器)，由于宽带滤波器的滤波特性与波卜轰有关，则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关，再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单，但是精度比较低，波长分辨率大概10pm左右。

2)可调谐窄带滤波器法

该方法中，由LED发出的宽带光，经祸合器到达FBG传感器阵列，到达FBG反射回来的窄带光再经可调谐F-P滤波器滤波，当传感FBG的中心波长与F-P滤波器透射中心彼长一致时，透射光能量最大，通过动态调谐F-P滤波器的透射波长来动态“跟踪7T传感光栅的中心波长，就可以实现中心波长偏移量的解调。这种解调方案精度较高，由于工作在波长扫描方式，那么只要扫描范围足够大，就很容易在一根光纤上复用多个FBG，但这种方案的扫描频率不是很高，不适合高速率的动态传感。

3)光干涉检测法

该方法检测光纤光栅传感器波长移动是通过一非平衡光纤Mach一Zehnder干涉仪来实现的。宽带光源发出的光经过祸合器入射到传感FBG上，被FBG反射的光再通过藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉仪。这样，被FBG反射的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源，由传感光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调制信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡千涉仪的输入波长存在着固有的依赖关系，布拉格彼长的移动就转换为相位的变化，再通过检a}n}干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。

4)可调谐扫描激光器法

可调谐扫描激光器法主要是通过可调谐激光器的波长可调谐性来动态跟踪传感FBG的中心波长。

5)CCD成像光谱分析法

在CCD成像光谱解调系统中，波长分到提通过个色散元件叻口棱镜或光栅)来实现的，色散元件把波长转变为CCD探测器阵列的像元位置，这样就把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于FBG的光谱中心分布在几个相令巧的像元上，所以要准确检测中心波长的位置，还必须采用相应的算法来实现。CCD成像光谱法有才民大的局限性，即实用的CCD波长响应范围在900nm以下，所以只能对中心波长在900nm以下的光栅传感器解调。

由于布拉格光纤光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响，所以传感具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个效应区分开。布拉格光纤光栅的温度和应变灵敏度如表经过研究,已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测,主要包括以下方法:

(1)参考FBG法

这种方法的原理是引入一个参考FGB,使其不受应变影响而只受温度影响,同时这个参考FGB和传感FGB处于相同的环境,这样就可以通过这个参考FGB来检测出温度,再从传感FGB总的波长偏移量中除去参考FGB的温度影响,就可以把温度和应变区分开。

(2)蚀刻FBG法

这种方法通过蚀刻FGB,刻有FGB的那段光纤的芯径尺寸呈线性递减关系,这样当对其轴向施加均匀应力时,沿轴向的应变也是呈线性关系,这样就导致了惆啾,即反射带宽的变化,而温度对其影响只是使其中心波长偏移,而不改变带宽,也就是带宽是温度不敏感的,通过检测带宽的变化就可以把温度效应导致的误差除去。但是这种方法的缺点是减小了光纤的强度,也即减小了传感的范围。

(3)双波长FBG法

这种方法的原理是通过在光纤的同一个位置写入两个波长不同的FGB,然后检测这两个不同波长的偏移量来分辨温度和应变。因为温度和应变导致的布拉格波长的偏移量由式

(4)FBG谐波法

FGB谐波法和上面的双波长FGB法原理是一样的,只是这里用的是FGB的二次谐波而不是两个波长不同的FGB,当FGB的反射率很高时,折射率的调制有可能不是很好的正弦调制,从而导致了二次谐波的产生,而这两个谐波的温度和应变灵敏度不同,通过矩阵法就可以同时检测温度和应变。

(5)FBG和长周期光纤光栅(LpG)混合检测

通过实验发现,长周期光纤光栅(LpG)的温度和应变灵敏度和FGB有着较大的差异,因此如果精确知道FGB和LGP的温度和应变灵敏度的话,就可以通过结合FBG和LGP实现温度和应变的分辨。这种方法的缺点是:长周期光栅的带宽大容易影响测量精度和复用能力;而且长周期光栅的长度较长,埋设进材料后受非均匀应变场的影响很大,从而降低测量精度。

除了以上凡种典型的应变温度分辨方法外,还有采用取样布拉格光纤光栅等方法,但是真正能实用的分辨技术还有待进一步研究。

光纤传感器的研究重点方向就是所谓的“智能材料结构”,即可以实时采集材料结构自身的受力,温度等参数,来实现对材料整体性能的智能检测。在“智能材料”这方面,光纤光栅传感器有很好的潜力,非常适用于这种准分布式传感应用,因为光纤光栅是波长编码的,在材料中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件,再通过使用波分复用和时分复用技术就可以实现成百上千传感点的准分布式传感,就可以实现“智能材料结构”,而正确的埋设方法也是其中的一个重要环节,研究者对布拉格光纤光栅传感器的封装与埋设也做了大量的研究,主要集中在以下方面:

(1)传感光栅的保护问题

由于光纤光栅实际上是一段光纤,所以它在剪切力的作用下很容易断,所以在埋设的过程中须对它采取相应的保护措施,进行相应的封装。

(2)传感光栅与材料之间的应力传递的建模

在应力传感过程中,传感光栅是埋设入材料中的,所以应力并不是直接作用在传感光栅上的,这就意味着在材料和光栅之间存在一个力的传递问题,这是提高传感准确度的一个重要方面。这就需要利用材料力学的知识建立适当的模型进行分析,更精确的分析还要采用有限元分析法。

(3)多轴应变的产生的影响

对于光纤光栅的埋设,光栅上受到的应力有可能是多个方向的,除了轴向应力还有横向应力,横向应力会使光纤产生双折射现象,也即导致了原来的单峰反射谱分裂成两个反射峰,这就给中心波长的准确检测带来了一定的困难。

由此可见，光栅的埋设技术是非常复杂的，如果需要准确传感，需要考虑的因素非常多，其中包括光栅的保护，材料与光栅之间应力的传递，应力引起的双折射效应以及非均匀应力引起的光谱展宽等等。