光纤光栅原理及应用?作者：饶云江王义平朱涛
?丛书名：当代杰出青年科学文库
?出版社：科学出版社
?ISBN：7030167546
?上架时间：2007-2-10
?出版日期：2006 年8月
前言.
第1章概论
1．1 光纤光栅发展概况
1．2 光纤光栅分类
1．3 光纤光栅应用概况
1．4 本书提纲
参考文献
第2章光纤光敏性
2．1 光敏性介绍
2．2 硅基光纤的光敏性
2．3 光致折变的各向异性
2．4 点缺陷
2．5 硅光纤光敏性的增强
2．6 光敏性机理
2．7 其他种类光纤的光敏性
2．8 光致折变的清除与保持
参考文献
第3章光纤光栅写入方法
3．1 内部法写人光纤布拉格光栅
3．2 干涉法制作光纤布拉格光栅
.3．3 相位模板法制作光纤布拉格光栅
3．4 逐点法写入布拉格光栅
3．5 模板成像投影法
3．6 光纤光栅写入中的激光光源
3．7 特殊光栅的制作过程
3．8 氢载对制作光纤光栅的影响
3．9 透过聚合物敷层制作光纤布拉格光栅
3．10 长周期光纤光栅写入法
参考文献
第4章光纤布拉格光栅理论
4．1 光纤布拉格光栅的耦合模理论
4．2 非均匀光栅中的双模耦合
4．3 倾斜光栅
4．4 包层模耦合
4．5 辐射模耦合
4．6 光纤布拉格光栅的数值算法
4．7 布洛赫波
4．8 非线性光栅效应
4．9 讨论
参考文献
第5章光纤布拉格光栅的特性
5．1 均匀光纤布拉格光栅
5．2 光纤布拉格光栅的种类
5．3 光纤布拉格光栅的脉冲响应
5．4 光纤布拉格光栅的寿命和可靠性
参考文献
第6章光纤布拉格光栅在传感中的应用6．1 概述
6．2 传感原理
6．3 fbg传感系统中的探测解调技术.. 6．4 fbg复用技术
6．5 fbg传感器的应用
6．6 其他应用
参考文献
第7章光纤布拉格光栅在通信中的应用7．1 光纤激光器
7．2 光纤放大器
7．3 光纤布拉格光栅二极管激光器
7．4 光纤布拉格光栅滤波器
7．5 波分复用懈复用器
7．6 密集波分复用器
7．7 色散补偿器
7．8 光纤布拉格光栅的其他应用
7．9 小结
参考文献
第8章长周期光纤光栅理论
8．1 长周期光纤光栅理论模型的发展8．2 耦合模理论
8．3 长周期光纤光栅的模式耦合i 8．4 长周期光纤光栅的模式耦合ⅱ 8．5 级联长周期光纤光栅
8．6 小结
参考文献
第9章长周期光纤光栅的特性
9．1 长周期光纤光栅的温度特性
9．2 长周期光纤光栅的轴向应变特性9．3 长周期光纤光栅的弯曲特性
9．4 长周期光纤光栅的扭曲特性
9．5 长周期光纤光栅的横向负载特性
9．6 小结
参考文献
第10章长周期光纤光栅在传感中的应用
10．1 温度应变同时测量传感器
10．2 长周期光纤光栅高温传感器
10．3 弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器
10．4 能判别弯曲方向的弯曲传感器
10．5 高灵敏度的弯曲传感器
10．6 能判别扭曲方向的扭曲传感器
10．7 温度和负载同时测量传感器
10．8 动态横向负荷传感器
10．9 级联长周期光纤光栅在传感领域中的应用
10．10 长周期光纤光栅的其他传感应用
10．11 小结
参考文献
第11章长周期光纤光栅在通信中的应用
11．1 增益均衡器
11．2 ase噪声滤波器
11．3 集成长周期光纤光栅的光纤耦合器
11．4 长周期光纤光栅偏振相关睦的利用和补偿方法
11．5 级联长周期光纤光栅构成的梳状滤波器
11．6 wdm通道隔离器
11．7 多波长光纤光源
11．8 通信应用中长周期光纤光栅温度敏感性的补偿方法
11．9 长周期光纤光栅的其他通信应用
11．10 小结
参考文献...
增透膜的原理及应用
陕西省安塞县安塞高级中学物理教研组贺军
摘要：在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜,这种薄膜就叫增透膜。本文分别从能量守恒的角度对增透膜增加透射的原理给予定性分析；根据菲涅尔公式和折射定律对增透膜增加透射的原理给予定量解释；利用电动力学的电磁理论对增透膜增加透射的原理给予理论解释。同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。
关键词：增透膜；干涉；增透膜材料；镀膜技术
1前言
在日常生活中，人们对光学增透膜的理解，存在着一些模糊的观念。这些模糊的观念不仅在高中生中有，而且在大学生中也是存在的。例如，有不少人认为入射光从增透膜的上、下表面反射后形成两列反射光，因为光是以波的形式传播的，这两列反射光干涉相消，使整
个反射光减弱或消失，从而使透射光增强，透射率增大。然而他们无法理解：反射回来的两列光不管是干涉相消还是干涉相长，反射光肯定是没有透射过去，因增加了一个反射面，反射回来的光应该是多了，透射过去的光应该是少了，这样的话，应当说增透膜不仅不能增透，而且要进一步减弱光的透射，怎么是增强透射呢？也有人对增透膜的属性和技术含量不甚了解，对它进行清洁时造成许多不必要的损坏。随着人类科学技术的飞速发展，增透膜的应用越来越广泛。因此，本文利用光学及其他物理学知识对增透膜原理给以全面深入的解释，同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。让人们对增透膜有一个全面深入的了解，进而排除在应用时的无知感和迷惑感。
2增透原理
2．1 定性分析
光学仪器中，光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫光学增透膜（或减反膜）。
这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。
2．2 定量描述
光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射，把反射
光强度与入射光强度的比值叫做反射率。用表示，，和分别表示反射光和入射光的振幅。
设入射的光强度为1，则反射光的强度为，在不考虑吸收及散射情况下，折射光的
的介强度为（1-ρ）。根据菲涅尔公式和折射定律可知：当入射角很小时，光从折射率n
1
质射向折射率n
介质，反射率
2
（1）
例如光线由很小的入射角从空气射入折射率为 1.8的介质时，则反射率为
若以入射光的强度为1，则反射光的强度为0.08，折射光的强度为1-0.08=0.92。
在介质表面镀一层增透膜，设空气、薄膜、介质的折射率分别为n
1、、n、n
2
,薄膜厚度
为d，如下图所示：
图1 光在单层膜中反射的示意图
在入射角很小的情况下，空气与薄膜之间的反射率为
薄膜与介质之间的反射率为
如果把入射光线的强度仍设为1，光线①是入射光线经过空气与薄膜的界面一次反射形成的，则其强度为；光线②入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射和薄膜与介质的界面一次反射而形成的，其强度为；光线③是入射光线经过空气与薄膜的界面两
次折射、一次反射和薄膜与介质的界面两次反射而形成的，其强度为。如
果、、，则光线①的强度为，光线②的强度为，光线
③的强度为，此光束以后反射到空气中的强度将更小。由此可见，返回空气中
的光线主要是①和②，而其它的光线强度非常小可以略去不计。那么，只要光线①和②满足振幅相等，正好反相时，则相互抵消，整个系统的反射光能量接近零。根据增透膜增透过程中能量守恒，透射过去的光能量得到了增强，几乎使全部光透射过去。
通过上面的分析我们知道，只要使光线①和②的振幅相等，并且正好反相，这层薄膜就
起到了理想的增透作用。欲使光线①和②振幅相等，即强度相等，则．由于非常小，非常接近1，所以，只要就可以实现1和2振幅相等。又因
所以①和②振幅相等的条件是：
为1，为玻璃折射化简上式，薄膜的折射率应满足。一般空气折射率n
1
率为1．5，则增透膜的折射率为，所以人们选择增透膜的折射率应等于1．23或接近它。由于折射率小于氟化镁（折射率为1．38）的镀膜材料很难找到，所以，现在一般都用氟化镁镀制增透膜。
另外，要使光线①和②正好反相，对薄膜的厚度有一定的要求。当光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。对于玻璃上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气的折射率之间，所以，当光从空气透过薄膜射向玻璃时，光线①在空气与薄膜的交界面反射时有半波损失，光线②在薄膜与介质的交界面反射时也有半波损失。所以，当光从空气透过介质薄膜垂直射入玻璃时，光线①和②要干涉相消，只要光线①和光线②的光程相差半个波
。则让薄膜厚度（k为自然数，为光在薄膜中波长），这样光线
②经薄膜传播一个来回比光线①多行，因为光是波，具有周
期性，所以不管k为哪个自然数，光线②与光线①的光程只要相差半个波长，就能达到目的。在这里还要强调光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。而当时，这样光线①和②返回空气中时都经历了一次半波损失，相互抵消，可以不考虑半波损失。下面总结光线①和②的干涉情况与膜的厚度关系为：
其中k为自然数，为光在薄膜中的波长。
因此，当膜的厚度,则光线①和②重合时，出现干涉相消，从而减弱反射光的强度，增加透射光的强度，起到增透的作用。当然，要满足光线①和②的重合，必须要求光线垂直入射，所以，增透膜在光线垂直入射时效果最好，入射角很小时增透膜也有一定的增透作用，但不如垂直入射时效果好。
2．3 理论解释
下面我们再利用电动力学方面的知识，来对光学增透膜的增透机理作出解释。
设薄膜厚度为d，处于介质1与介质2之间，由于除铁磁介质外，其他物质的磁导率基
本相同。因此设三种介质的磁导率都是。三种介质的电容率分别是，，，介质1．薄膜、介质2的折射率分别为，，，且薄膜介质为无损耗介质。为了计算方便，
设入射光为线性的单色平面波，且垂直入射到介质与薄膜的交界面Ⅰ（介质1与薄膜交界面为Ⅰ面，介质2与薄膜交界面为Ⅱ面）。以交界面Ⅰ为x-y面，入射光波的行进方向为z
轴方向。入射波的电场沿x轴方向，磁场沿y轴方向，则入射波可以写作
式中
电磁波入射到介质薄膜里后，又会在交界面Ⅱ上产生反射波，反射波又在交界面Ⅰ产生反射。如此下去，在薄膜层中，便有无穷多个向前、向后进行的电磁波。将向前进行的无穷多个波的叠加写成
式中
把向后进行的无穷多个波的叠加写成
式中
介质2中向右进行的波
式中
利用交界面Ⅰ处的边值关系
在处，得
（1）
在处，得
（2）
将（1）式代入（2）式得
（3）因为，所以（3）式可写为
（4）因为该关系式中含有复数量，所以要使该式成立，它的虚部和实部都等于零，故有
因为故只有即
（5）
从而得出薄膜的厚度
式中是电磁波在薄膜中的波长。因为所以。由（4）式中实部为零，并考虑（5）式得
当m为偶数时，上式取正号，即
解得，此时。这个解说明了当两介质折射率相等时，由于存在着半波损失，反射回来的主要的两束干涉光，一束有半波损失，一束没有．正好考虑半波损失，故薄膜厚度应为半波长整数倍。
当m为奇数时，上式取负号，即
解得此时，这个解说明当时，，间
于、间，可以不考虑半波损失。与定量描述中的理论相符。
一般光学介质都是在空气中使用，因此满足第二种情况。我们只要让
=（k=1，2，3，4，……），理论上增透膜就能起到完全增透的作用，和前面结论一致。
3 研制和应用
3．1 增透膜材料
光学增透膜的研制，不仅要考虑它的透射率，而且还要考虑它的硬度，耐热、耐寒性，与玻璃等光体的接合力度，耐光照射性，吸热强度等因素，能满足这么多条件的材料可想而
知是很困难的。根据适合不同的需求，目前人们发现、常用的材料有、、、
陶瓷红外光红外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷杂化膜等。由于一般光学介质都是
玻璃，并在空气中使用，那增透膜的折射率应接近1.23。现实中折射率小于氟化镁（折射率为）的镀膜材料很少见，而且像氟化镁那样很好的满足各种条件的材料更是稀少。
因此，现在一般都用氟化镁镀制增透膜。虽然金刚石是迄今为止自然界中性能最优良的材料，但是存在工艺条件过于苛刻和成本高的问题。目前，大规模的使用金刚石薄膜的条件还不具备。通过人们对增透膜的不断发展和研究，相信会有比金刚石更为合适的材料被我们所发现利用，或者金刚石被大规模的使用。
3．2 镀膜技术
随着增透膜的不断开发和研究，光学增透膜的镀膜技术也在不断的发展。光学增透膜的
厚度要控制在可见光波长1/4的数量级上，增透膜的均匀度的要求也非常的苛刻。尽
管如此,在人们的不懈探索中，还是掌握了不少行之有效、先进的镀膜技术。目前，常用的镀膜方法有真空蒸镀、化学起相沉积、溶胶—凝胶镀膜等方法。三者相比较，溶胶—凝胶镀膜设备简单、能在常温常压下操作、膜层均匀性高、微观结构可控，适于不同形状、尺寸的基片、能通过控制配方、制备工艺得到高激光破坏阈值的光学薄膜，已成为高功率激光薄膜的最具竞争力的制备方法之一。
常用的薄膜,并没有使透射光的光强达到最大，也就是说没有使反射光达到最弱。
主要是要增透的光往往不是单色的，而是有一定的频宽，而对于一个增透膜只对某一波长的单色光有完全增透的作用。因此可以通过多层镀膜技术来改善增透效果，同时也增加了透射
光的线宽△，也就是频宽。随着人们对增透膜的应用和发展，有人设想为细小的光纤进行镀膜，由此可见这需要多么精密的镀膜技术。
4结论
由以上讨论可知：增透膜增加透射光强度的实质是作为电磁波的光波在传播的过程中，在不同介质的分界面上，由于边界条件的不同，改变了其能量的分布。对于单层薄膜来说，
当增透膜两边介质不同时，薄膜厚度为1/4波长的奇数倍且薄膜的折射率时（分别是介质1、2的折射率），才可以使入射光全部透过介质。一般光学透镜都是
在空气中使用，对于一般折射率在1.5左右的光学玻璃，为使单层膜达到100％的增透效果，
可使，或接近；还要使增透薄膜的厚度=（）。单层膜只对某一特定波长的电磁波增透，为使在更大范围内和更多波长实现增透，人们利用镀多层膜来实现。人们对增透膜的利用有了很多的经验，发现了不少可以作为增透膜的材料；同时也掌握了不少先进的镀膜技术，因此增透膜的应用涉及医学、军事、太空探索等各行各业，为人类科技进步作出了重大贡献。
参考文献：
[1] 姚启钧．光学教程[M]．北京：高等教育出版社,2002：159-164．
[2] 张彦亮．“增透膜”增透作用的理论解释[J]．临沂师范学院学报,2004,26（3）：1-3．
[3] 王秀英．增透膜的原理及几个问题的解答[J]．物理教师,2004,25（11）：1-2．
[4] 苗润才,周艳．光学增透膜[J]．中学物理教学参考,1999,28（8）：1-2．
[5] 赵凯华,钟锡华．光学[M]．北京：高等教育出版社,1989：152-159．
[6] Ambrosc BS Shaffer PS．Steinberg R N,MeDermott L C． An investigation of student understanding of smgle slit diffraotion and double-slit interference[J] Am．J．Phvs．1999：67,146-155．
[7] 俞波,陈一匡,方向明等．玻璃表面增透膜的溶胶-凝胶法制备[J]．汕头大学学报,2002,17（2）：1-6．
[8]张厚石．薄膜干涉中的半波损失与薄膜厚度[J]．中学物理教学参考,2001,30（11）：1-2．
[9] 孙增辉,乔学亮,程宇航．一种新型的光学增透膜—DLC及改性DLC薄膜[J]．材料导报,2002, 11（6）：1-3．
[10] 张耀平,许鸿,凌宁等．一种新型三层双波段减反膜设计研究[J]．光电子技术与信息,2006,19（2）：1-3．
[11] 赵秀琴．增透膜与增反膜[J]．太原师范学院学报,2003,2（4）：1-4．
[12] 李林,董连和,黄良钊．硫化锌陶瓷红外增透膜研究[J]．长春理工大学学报,2004,27（1）：1-3．
[13] 沈自才,宋永香,王英剑等．非均匀性对增透膜增透特性的影响[J]．光学技术,2005,31（1）：1-3．
[14] 闫海涛,王三良,甄志强．多层镀膜改善增透效果的研究[J]．洛阳大学学报,2004,19（4）：1-2．
[15] 辛寓答．影响增透膜透射光强的因素[J]．丹东纺专学报,2000,7（1）：1-3．
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
【摘要】光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术。自1978年加拿大渥太华研究中心利用光纤的光敏效应成功制成第一根光纤光栅以来，光纤光栅传感器便因为体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等特点及其具有本征自相干能力强和能在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势而被广泛应用于各行各业。本文先对光纤光栅传感器的工作原理及其分类进行论述，接着简述光纤光栅传感器的一些重要应用，然后对光纤光栅传感器的研究方向进行简单分析，最后是小结和展望。 【关键词】传感器；光纤光栅传感器；光纤光栅传感技术 一、光纤光栅传感器的工作原理及其分类 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器目前研究的主要有三种类型：一是利用光纤布喇格光栅（FBG ）背向反射特征制作的传感器；二是利用长周期光纤光栅（LPG ）同向透射特征制作的传感器；三是利用啁啾光纤光栅色散补偿特征制作的传感器。下面将对这三种传感器的传感机理进行简单概述。 1.1 光纤布喇格光栅传感原理 光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1-1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。 图1-1 光纤布喇格光栅原理图 光纤布喇格光栅反射谱的中心波长B λ满足 Λ=eff n 2B λ 其中，eff n 为有效折射率，Λ为光纤光栅栅距。 光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光
目录 摘要 (1) 引言 (2) 1.光纤光栅制作方法 (2) 1.1光纤光栅的特点 (2) 1.2光纤光栅的分类 (4) 1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4) 1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5) 1.3光栅光纤的制备 (6) 1.4成栅的紫外光源 (7) 1.5成栅方法 (8) 1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8) 1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10) 2光纤光栅的应用 (11) 2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13) 2.1.1有源器件 (13) 2.1.2无源器件 (13) 2.2可见光纤光栅的应用 (13) 2.2.1光源 (14)
2.2.2光纤放大器 (15) 2.2.3色散补偿器 (15) 2.2.4光分插复用器（OADM） (16) 2.2.5光终端复接器（OTM） (17) 2.2.6波长交换 (18) 3发展前景展望 (19) 参考文献 (21)
摘要：近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其一些特种光栅制作方法的最新进展。 为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG），长周期光纤光栅（LFPG）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。并比较了各自的优缺点。 目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM）、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。 关键词：光纤光栅成栅机理光纤无源器件全光通信
光纤光栅原理及应用?作者：饶云江王义平朱涛 ?丛书名：当代杰出青年科学文库 ?出版社：科学出版社 ?ISBN：7030167546 ?上架时间：2007-2-10 ?出版日期：2006 年8月 前言. 第1章概论 1．1 光纤光栅发展概况 1．2 光纤光栅分类 1．3 光纤光栅应用概况 1．4 本书提纲 参考文献 第2章光纤光敏性 2．1 光敏性介绍 2．2 硅基光纤的光敏性 2．3 光致折变的各向异性 2．4 点缺陷 2．5 硅光纤光敏性的增强 2．6 光敏性机理 2．7 其他种类光纤的光敏性 2．8 光致折变的清除与保持 参考文献 第3章光纤光栅写入方法 3．1 内部法写人光纤布拉格光栅 3．2 干涉法制作光纤布拉格光栅 .3．3 相位模板法制作光纤布拉格光栅 3．4 逐点法写入布拉格光栅 3．5 模板成像投影法 3．6 光纤光栅写入中的激光光源 3．7 特殊光栅的制作过程 3．8 氢载对制作光纤光栅的影响 3．9 透过聚合物敷层制作光纤布拉格光栅 3．10 长周期光纤光栅写入法 参考文献 第4章光纤布拉格光栅理论 4．1 光纤布拉格光栅的耦合模理论 4．2 非均匀光栅中的双模耦合 4．3 倾斜光栅 4．4 包层模耦合
4．5 辐射模耦合 4．6 光纤布拉格光栅的数值算法 4．7 布洛赫波 4．8 非线性光栅效应 4．9 讨论 参考文献 第5章光纤布拉格光栅的特性 5．1 均匀光纤布拉格光栅 5．2 光纤布拉格光栅的种类 5．3 光纤布拉格光栅的脉冲响应 5．4 光纤布拉格光栅的寿命和可靠性 参考文献 第6章光纤布拉格光栅在传感中的应用6．1 概述 6．2 传感原理 6．3 fbg传感系统中的探测解调技术.. 6．4 fbg复用技术 6．5 fbg传感器的应用 6．6 其他应用 参考文献 第7章光纤布拉格光栅在通信中的应用7．1 光纤激光器 7．2 光纤放大器 7．3 光纤布拉格光栅二极管激光器 7．4 光纤布拉格光栅滤波器 7．5 波分复用懈复用器 7．6 密集波分复用器 7．7 色散补偿器 7．8 光纤布拉格光栅的其他应用 7．9 小结 参考文献 第8章长周期光纤光栅理论 8．1 长周期光纤光栅理论模型的发展8．2 耦合模理论 8．3 长周期光纤光栅的模式耦合i 8．4 长周期光纤光栅的模式耦合ⅱ 8．5 级联长周期光纤光栅 8．6 小结 参考文献 第9章长周期光纤光栅的特性 9．1 长周期光纤光栅的温度特性 9．2 长周期光纤光栅的轴向应变特性9．3 长周期光纤光栅的弯曲特性 9．4 长周期光纤光栅的扭曲特性
一．布拉格光纤光栅原理 布拉格光纤光栅（FBG）是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。 UV Beam -- 紫外线激光束； FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域； Fibre Core -- 光纤中心； FBG period Λ-- 布拉格光纤光栅周期； Fibre Cladding -- 光纤覆层； Polymer fibre coating -- 聚合物光纤涂层 短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。 布拉格波长λΒ由下式决定： λΒ=2neff Λ (1) 这里，neff 为激光在光纤内传播的有效折射率；Λ为布拉格光栅的周期。 从等式（1）可以看出，反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。例如，由于弹光效应，光纤上的应变会改变Λ和neff. 类似地，由于热光效应，温度的变化会导致neff 的改变；对于非约束光纤，Λ会受到热膨胀和热收缩的影响，如等式（2）所示。其中，等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响，第二项描述温度对λΒ的影响。 ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT (2) 式中，ΔλΒ为布拉格波长的变化，ρα, α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数，Δε表示应变的变化，ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB ≈ 1550 nm的典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με和10 pm/oC。 尤为重要的是，等式（2）的两项条件是独立的，这意味着布拉格光纤光栅（FBG）可通过将光纤与应变隔离，从而进行温度的测量；而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下进行，这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅（FBG）。 布拉格光纤光栅（FBG）除了可用于应变和温度测量外，还可通过植入换能器，用于压力、加速度、位移等测量。Smart Fibres公司不仅生产FBG传感器和换能器，还研发生产用于照射光纤以及调制解调布拉格反射的设备。 变化 ·可使用一种倾斜滤光片（可以是另一种布拉格光栅）直接将波长变化转换为光强变化。如果此滤光片随波长变化的透光比已知，那么，单模光栅上反射的窄带波长可通过测量和比较穿过和阻挡的光波的强度即可确定。对于具有如下左下图所示的透射谱的滤光器，当布拉格波长从λ1增加到λ2时，减少的透射强度及反射或阻挡的光波强度Ir 会相应地增加。这是对布拉格光纤光栅进行解调的最简
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。