布拉格光栅技术的发展趋势
Hartmut巴特尔特
光子技术研究所（IPHT）
albert-einstein-str. 9, 07745耶拿，德国
hartmut.bartelt@ipht-jena.de
关键词：光纤布拉格光栅，布拉格光栅传感器，光纤传感器系统。
摘要
光纤布拉格光栅在光学传感器系统中得到了广泛而成功的应用。例如温度，应变或折射率测量。这种传感器元件是采用光纤集成，适用于各种恶劣的环境条件，并可以很容易地复用。本篇文章探讨了光栅测量的具体概念。包括小直径光纤或光纤锥形光栅的和无紫外线的敏感性的石英光纤光栅，不同的微结构光纤光栅的雕刻写入。并研究如何在不同的微结构的光纤光栅光子晶体上雕刻使布拉格反射波长下降到可见的范围。
介绍
布拉格光纤光栅（FBG）已成为在开发新种类的传感器传感器和传感器系统的标准元器件，写入光纤布拉格光栅的标准技术是相位掩模技术和干涉写入技术，这样的光栅也被开发用于在恶劣的环境如高温中进行使用，多光栅在传感器系统中是也是值得研究的，以便允分布式传感和实现传感器复用。所谓光栅的写入，是指在光栅制造过程中由单脉冲记录而成的，特别是为此目的而研制的。这些例子说明了适应光纤传感器为应用需求特殊发展的必要性。因此，为了进一步的探究光纤布拉格光栅用于传感应用的能力，我们将在下面讨论一些光纤光栅的改进和扩展的传感器应用程序的开发。和它的相关特点，例如：
小直径纤维中的光纤光栅
椎体纤维的光纤光栅
短波长的FBG
显微结构下结构光纤FBGs
小直径的光纤光栅
光纤由于其直径小，是一种有高适应能力的传感器元件，可以埋入结构材料中。例如纤维增强热塑性复合材料。通过将传感器的光纤光栅嵌入到材料中，就可以监视生产和操作过程中的结构和行为。对于此类应用，应避免任何应用传感器元件对复合材料结构的扰动。因此，直径较小的光纤比通常用于通信应用的光纤是更好的。为此，采用了特种纤维制作了直径为80mu;m的光栅刻写光栅的拉丝工艺。它已经表明，对于这样的小直径纤维，与传统尺寸的光栅相比，直径为125mu;m的纤维光栅也可以实现类似的性能。
锥形光纤布拉格光栅
光纤光栅与周围材料的导光相互作用可用于折射率传感器。折射率通过金属化纤维产生等离子体波的影响可以修改，具有更复杂结构的装置。然而，这种效应需要引导光与周围分析物的有效重叠，其目的是制作一个直径很小的纤维，以便在测量介质中合理地衰减折射波。一种可能的方法是使用锥形光纤维，在这种情况下，仅在一个方向上获得光的良好重叠，这是实现灵敏度的一个重要因素。因此，对于具有极小纤芯的锥形光纤结构，可以达到最佳的灵敏度。制造纤维锥形的典型技术是拉丝或蚀刻技术。
图1锥形光栅fbg结构与其反射波长中心移动情况
锥形传感器探头的概念如图1所示。总之，锥形光纤端部是光纤布拉格光栅结构。金属和高折射率钽的附加层五氧化二硼可用于在核心边界实现增加的场振幅并使表面等离子体共振对周围介质拥有较小的折射率（适用于水中）。该光纤光栅与传统的光纤光栅相结合。用于温度测量和温度补偿。光纤光栅传感元件可以用作折射率传感器，折射率值可以根据具体情况进行修改。通过蚀刻工艺制作了特定的传感器元件可达到几微米传感器尖端直径和到亚微米尺寸。图1显示了直径为3mu;m的传感器探头的实验结果。
图2FBGs绘制光纤锥度的概念
类似地，可以使用锥形拉伸工艺制造的锥度（图2）。对于纤芯的紫外线敏感区域的直径逐渐变细的过程中减少。因此通过UV雕刻使反射率在有限的范围内能够达到要求，一个传统的纤维的外径125mu;m内径 3.9mu;m，而圆锥直径约65mu;M使纤维布拉格光栅生产超过30%的反射率。对于直径较小的锥体，UV刻写技术被证明比纳秒脉冲紫外刻写技术更有效。应变特性拉锥光纤直径与高度依赖比例1 / Rsup2;。因此，这些元器件可以被用作敏感的力传感器运用到到1微米的范围的应变测量。
短波长光纤布拉格光栅
光纤光栅应用的典型波长位于近红外区，与波导光学中常用的波长相对应。为了覆盖新的应用领域。人们对光纤光栅的波长比通信窗口波长短的现象感兴趣，特别是在可见波长范围内。然而，对于这种光栅的制造提出了特殊的挑战，因为很难达到在非常小的光栅周期在100纳米的范围内的要求。
我们使用布拉格Talbot干涉仪用于刻写光栅，我们可以改变的布拉格光纤光栅的空间频率和角度变化进而影响光波反射的能力，有效折射率FBG在纤维和紫外激光源的波长UV，根据：
图3在可见光范围内反射波可见光波长
通过增加角度我们使FBG反射波中心波长下降到约475 nm（图3）。对于一个非偏振保持的单模光纤。当曝光时间为10分钟时，得到了小于0.3 nm的光谱其反射率约80%，这个波长值仍不代表实验的极限，而是由可供观察的光源（带460 nm波段的氙光源）产生的。考虑到记录波长，实验装置和增加的菲涅耳反射的理论极限已经推导出波长为约360纳米。高反射率的影响力，即使很小的光纤光栅周期达到200 nm时，也可以用耦合波理论来解释。光栅所需的折射率调制是由下式给出：
对于恒定的光栅长度lFBG和恒定的纤维直径d，减小调制指数能够达到足够好的反射率。模式重叠因子随着波长的缩短而增加。同时，在恒定的光栅长度范围内增加光纤周期。这两个方法都有助于获得良好的反射率值。
布拉格光纤光栅微结构光纤（光子晶体光纤）
微结构光纤和光子晶体光纤（PCF）与多孔零件在纤芯和包层区域改变光纤的传输性能提供了新的可能性。通常，这样的纤维不需要掺杂纤维芯以达到导向性能。因此，问题是如何在这种纤维运用光纤光栅。
图4采用脉冲技术写入在纯硅PCFs光栅的FBG反射光谱
作为一个显而易见的方案，可以用专门做出这样的微结构光纤纤芯。在这种情况下，掺杂不用于实现制导特性，而是用于获得紫外灵敏度。多孔结构最终可能受到反射和散射的影响。这样的效果可以使高效率光栅的写入变得困难。但实验结果表明，高反射能力确实可以实现传统的干涉记录技术能力。
如果光栅写入的光源不是由紫外线光源提供的，那么其他的技术也是可以被用于书写FBGs。一种选择是用单位激光脉冲雕刻。因此我们研究了相同的微结构光纤光栅的单位脉冲激光雕刻。这种激光器通常用于近红外波段。在我们的例子中，我们使用的单位激光脉冲在波长262 nm写入的FBG具有高空间分辨率。在这个波长内，紫外线灵敏度的影响也是可以预料的。如图4所示，可以获得良好的反射特性。3dB带宽通常较大（约0.4 nm）。相比之下，采用单位激光脉冲雕刻掺锗光纤纤芯的方案相对更好。
结论：
本文对一些有关FBG技术和概念进行了阐述，并将其进一步推广应用在光纤光栅领域进行研究和探讨。这种光纤集成传感器探头在光纤类型和尺寸方面的巨大灵活性凸显了它们在传感应用方面的发展潜力。此外，这种灵活性将有助于信息技术或光纤激光器的进一步发展。
致谢
感谢由Yiping Wang、Eric Lindner、Manfred Rothhardt、Martin Becker的贡献，Michael Kautz，Stefan Demmler，Torsten Wieduwilt，在新类型的领域关于光纤布拉格光栅的技术支持。这项工作也得到了洪堡特基金会的教育和文化事务部的支持。
基于光纤布拉格光栅技术的光学水位传感器
摘要：
研制了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)技术的光学高精度水位传感器。这种传感器可以用来测量河流、湖泊和下水道系统的水位。传感器头由一个膜片、一个定制的波登管和两个FBGs组成，一个用于拉伸测量，另一个用于温度补偿。当水位上升时，与波登管相连的光纤光栅被拉紧，并引起光纤光栅反射光的中心波长的偏移。中心波长是由一个可调谐的法布里-珀罗滤波器组成的波长检测设备所检测到的。我们实现了传感器精度为plusmn;0.1%即为plusmn;1CM，水位测量范围为10m。多个传感器头可以通过一个光纤串联在一起，不同位置的水位可以通过使用一段波长的探测设备同时测量。
介绍：
河流管理人员担负着维护河流设施和监测河流流域条件的重要职责。由于河流的设施广泛分布在流域内，所以河流管理员定期去检查这些设施是一项耗费时间和人力的工作。此外，对这些设施进行抽查，以确定其在诸如洪水、瓦房和地震扰动等自然灾害时的结构完整性是困难的。从这个角度来看，日本政府提出了在流域内建立光纤网络的项目。为了有效利用光纤网络，近年来研究开发了光纤传感器和传感系统，适用于流域及其防洪设施的安全管理。
光纤传感器及其系统具有以下优点:
1)光纤的低传输损耗，使遥感距离可以超过几十公里。
2)利用光纤将传感器头直接连接到测量设备，实现实时监控。
3)传感器头由全光无源元件组成，不需要安装传感器头的电源。
4)由于受到光学传感器的电磁干扰，不受电震的有害影响，如雷击的发生。河流水位感知是河流流域管理人员和居住在流域的居民从设施维护和自然灾害预防的角度出发的最重要的问题。
我们利用光纤光栅(FBGs)开发了光学水位传感器，它具有上述优点和一些优点。本文介绍了光纤光栅的应变传感器、水位传感应用以及在实际应用中取得的性能结果。
光纤光栅传感技术：
光纤光栅原理
光纤光栅是一种永久的周期调制的折射率沿一定长度的光纤。图1显示了FBG的示意图。由于前向传播模式的耦合，特定波长的光依赖于折射率的调制周期，反映在光纤光栅的位置上。入射光反射时波长等于光栅的布喇格波长lambda;B,定义为
lambda;B= 2 NeffLambda;, hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;(1)
neff是核心的有效折射率和Lambda;折射率调制的周期。其他波长的光通过光纤光栅传输并照射下一个FBGs。因此，可以通过将FBGs串联在一个光纤上实现多点传感，每一个都有不同的反射波长。
图5 光纤光栅结构示意图
图5minus;光纤光栅的结构示意图。根据折射率的调制周期，特定波长的光由光纤光栅反射。其他波长的光通过光纤光栅传输并照射下一个FBGs。
根据应用的应变和温度，对光纤光栅反射光的光谱进行了变换。布拉格波长变化∆lambda;Bin应对给出的应变和温度Pε为有效光弹系数,应用应变ε是热光系数xi;,∆T是温度的变化。使用普通单模光纤通信,有效光弹系数Pεis0.22,(3),(4)所以敏感性应用轴向应变和温度的依赖是1.2点/微应变和10点/℃,分别在1.55micro;m波长范围。
光纤光栅的制造：
图2显示了构建FBG的过程。我们使用一种聚酰亚胺涂层光纤作为应变传感器，在涂层的边界上不会造成滑动，所以外部施加的应变可以精确地转移到光纤光栅上。FBG是由激光雕刻制成的。
fbg纤维制造在编写布拉格光栅之前，聚酰亚胺涂层光纤受氢加载处理，以提高光诱导折射率变化的效果。然后用化学溶剂将聚酰亚胺层部分蚀刻。如图3所示，在光学纤维的核心区域内，通过一个相位掩膜，将KrF准分子激光器发射到248nm处，并沿纵向方向扫描，将布拉格光栅刻入到光纤的核心区域。光致折射率调制沿纤维，即，在对光栅进行刻划后，将聚酰亚胺层重新涂敷以保护剥离部分。最后,光纤与光纤光栅受到高温(300℃)下热处理30分钟,以确保长期稳定。可以通过激光束的可编程扫描速度来控制变位轮廓。我们采用了一种高斯形状的方法来抑制反射光谱的旁瓣损失。
图6 光纤光栅的写入原理
图7显示了FBG的典型传输和反射谱。传输拒绝minus;10 db,即反射比率几乎是90%。反射的FWHM(全宽度)小于0.2 nm。
图7 制成的光纤光栅性能
光学水位传感器的结构
图8显示了光学水位传感器的原理图和传感器的压力转换元件原理图。传感器头由一个膜片、一个定制的波登管和两个FBGs组成，其中一个光纤光栅用于拉伸测量，另一个光纤光栅用于温度补偿。这个水位传感器是用来测量水压与水位的比例。水压力被传送到波登管内部的硅酮油。然后波登管将油压转换成弹性极限内管子尖端的拉力，并拉伸在尖端和底座之间的FBG。因此，FBG与水位的增加成正比。FBG最初设置有轻微的预张力，使水位测量从最低水平直线上升。由于石英玻璃的折射率与温度有关，布拉格波长随温度而变化。为了补偿温度的依赖，另一个FBG与FBG连接在传感器头的拉伸测量。温度补偿FBG安装在传感器箱中，不受水压的影响。内在波长位移∆lambda;W.L。与水位变化的比例是通过计算得到的
∆lambda;wl=(3)
图8 光纤光栅传感器结构
其中∆lambda;tens是光纤光栅的波长偏移与弹簧管,包括温度扰动,和∆lambda;temp。是由温度补偿FBG测量的波长位移。K是温度FBG的系数，根据调整FBG的位置，我们将这个值设为1。
传感器箱内的空气压力与外部大气压力通过空气感应管平衡，其中包含光纤进路电缆。
光学水位传感器测量结果：
图9显示了测量系统的原理图，用于探测每个传感器的FBGs反射光的波长。从一个ASE光源发出的宽带光通过一个3端口的循环器发射到光纤中，而来自FBG的反射光又回来了。
通过循环器的另一个港口向法布里-珀罗可调滤波器作为光谱设备。(3)sim;(5)其他波长的光通过光纤光栅和传送到下一个光纤光栅,
不同波长的光会被反射。因此，当传感器串联在一起时，可以用一种光纤实现水位的多点测量。
它由反射不同波长的FBGs组成。利用光开关交换几种光纤，系统可以通过单片波长的检测设备连接和获取多个传感器的测量结果。
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