光纤布拉格光栅（FBG）Q&A

（1）光纤布拉格光栅（FBG）传感器是什么？

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。

将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况。

（2）光纤布拉格光栅（FBG）传感器的特点是什么？

布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。

另外，由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤传感器相比,又多了许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分布式传感等。

利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量,因而是最有希望的智能传感网络技术。

FBG 技术的特点：

测量精度高——FBG 应力测量精度可以达到1με，温度测量精度可以达到0.1℃。

响应时间短——单个FBG 传感器响应时间小于0.01s。（时间与FBG传感器距离监控器实际距离有关）

测量范围大——应变测量可以超过10000με。

（3）光纤布拉格光栅（FBG）传感器的应用是什么？

1）民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点。

在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。

2）航空航天业中的应用

航空航天是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高等优点,将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中,组成准分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。

3）现代船舶业的应用

布拉格光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息,进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达90%是压力或温度传感器,通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器,利用波分和时分复用原理,一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个,从而适应不断增加的舰载控制系统的复杂性,并有效的降低传感系统的成本。

4）电力工业中的应用

电力工业中的设备大都处在强电磁场中,一般电学传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中,如高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量,这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件,光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方,如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站,使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。

5）医学中的应用

小尺寸的传感器在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的光纤传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。

6）核工业中的应用

核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅传感网络可以满足这些要求。

7）在光通讯中的应用

光纤布拉格光栅的主要应用是在光通信系统中，它们专门用作陷波滤波器，它们也可用于在光学多路复用器和多路分解器与光循环器或光分插复用器（OADM）。通过光循环器撞击到FBG的4个通道（分别表示为4种颜色）。FBG设置为反射其中一个通道，这里是通道4。信号被反射回环行器，在环行器中被向下定向并从系统中丢弃。由于通道已断开，因此可以在网络中的同一点添加该通道上的另一个信号。

一个多路分解器可以通过级联OADM的多个分出部分来实现，其中每个分出元素使用一个FBG设置为要多路分解的波长。相反，可以通过级联OADM的多个添加部分来实现多路复用器。FBG解复用器和OADM也是可调的。在可调谐多路分解器或OADM中，FBG的布拉格波长可通过压电传感器施加的应变进行调谐。

（4）光纤布拉格光栅（FBG）的制造方法？

布拉格光纤光栅的制造通常涉及用紫外激光（例如来自KrF或ArF准分子激光或其他类型的紫外激光）照射芯材，这会引起一些结构变化，从而导致纤芯折射率的永久改变。芯玻璃的光敏性实际上很大程度上取决于化学成分和UV波长：石英玻璃（通常用于覆层）的光敏性非常弱，而锗硅酸盐玻璃则表现出强得多的效果，从而可以实现折射率对比度高达≈10^-3。通过向纤维中加载氢，可以进一步显着提高光敏性（氢化纤维）。（为此，将纤维在高压氢气氛中放置一段时间。） 磷酸盐玻璃通常被认为不适合用于FBG的制造，但是特殊的方法可以使这种玻璃成为可能。

1）干涉叠加法

使用干涉法叠加来自光纤侧面的紫外线（横向全息技术）。紫外线之间的夹角决定了光纤纤芯中光图案的周期，从而决定了布拉格波长。两个紫外光束经常被暴露周期性相位掩模（光掩模）与单个UV光束（产生相位掩模技术），使用两个一阶衍射梁。非周期性相位掩模可用于获得更复杂的图案。

2）逐点加工法

使用逐点技术，其中使用较小的聚焦激光束逐点写入折射率增加的区域。这是一种适当的（且非常灵活）的技术，特别是对于长周期布拉格光栅。

3）红外激光法

代替紫外光，还可以使用飞秒脉冲形式的红外光在各种眼镜中写入布拉格光栅。此时，双光子吸收发生在激光束的焦点附近，但是不在焦点之外的区域中发生。甚至有可能通过纤维的聚合物涂层写入此类光栅，因为当光束聚焦到纤维芯时，涂层中的强度要低得多。

使用红外光的另一种完全不同的方法是通过用CO₂激光束辐照在光子晶体光纤中制造长周期FBG 。

根据书写条件，布拉格光栅的形成实际上涉及不同的物理机制，并且可以区分不同类型的光栅。I型光栅的写入强度适中，并且在整个磁芯上都显示索引光栅。II型光栅可以在很短的时间内以更高的强度写入，通常是受激准分子激光器发出的单个纳秒脉冲（单发损伤光栅）。可以在涂覆纤维之前将它们写在拉伸塔上，这样就避免了去除已经制造的涂层的过程，并获得了具有普通纤维完整机械强度的光栅。

布拉格光纤光栅相当耐用，但是耐用程度（例如，可以擦除光栅的温度）在很大程度上取决于纤维材料和光栅制造的细节。光学性能在制造后的一段时间内可能会发生变化，直到达到最终值。为了更快地达到稳定状态，可以应用退火程序，这通常意味着将纤维在某些高温下保持几个小时。

（5）光纤布拉格光栅类型？

潜在的光敏机制，通过该机制在光纤中产生光栅条纹。产生这些条纹的不同方法对所产生的光栅的物理属性，特别是温度响应和承受高温的能力，具有重大影响。迄今为止，已经报道了五种（或六种）FBG具有不同的潜在光敏机理。

1）标准或I型光栅

I型光栅既用各种类型的氢化纤维制成，也用非氢化纤维制成，通常被称为标准光栅，并在所有氢化条件下用所有类型的纤维制成。通常，I型光栅的反射光谱等于1-T，其中T为透射光谱。这意味着反射和透射光谱是互补的，并且由于反射到包层或吸收而导致的光损失可忽略不计。I型光栅是所有光栅类型中最常用的。

1）IA型光栅

擦除所有类型的氢化锗硅酸盐纤维中的I型光栅后写入的再生光栅

IA型光栅于2001年首次观察到，该实验旨在确定氢负载对锗硅酸盐纤维中IIA光栅形成的影响。与预期的光栅布拉格波长的减小（或“蓝移”）相反，观察到较大的增大（或“红移”）。

后来的工作表明，一旦初始I型光栅达到峰值反射率并开始减弱，布拉格波长便开始增加。因此，它被标记为再生光栅。

确定IA型光栅的温度系数表明，该温度系数低于在类似条件下写入的标准光栅。

IA型和IIA型光栅的主要区别在于，IA型光栅写在氢化纤维中，而IIA型光栅写在非氢化纤维中。

3）IIA型或In型光栅

这些光栅形成为诱导折射率变化的负部分超过正部分。它通常与沿轴和/或在界面处的感应应力逐渐松弛有关。已经提出，这些光栅可以被重新标记为In型（对于折射率变化为负的1型光栅；II类标签可以保留给那些明显高于玻璃损伤阈值的光栅）。

表明存在另一种具有与II型光栅相似的热稳定性能的光栅。该光栅在纤维的平均折射率上表现出负变化，被称为IIA型。用倍频XeCl泵浦染料激光器的脉冲在锗硅酸盐纤维中形成光栅。结果表明，初始曝光在光纤内形成了标准（I型）光栅，该光栅在擦除前经历了很小的红移。进一步的曝光表明，光栅进行了改型，在强度增加的同时进行了稳定的蓝移。

4）再生光栅

这些是在擦除光栅之后在较高温度下重生的光栅，通常是I型光栅，通常（尽管并非总是）在氢存在下。对它们的解释有多种方式，包括掺杂剂扩散（当前最流行的氧气解释）和玻璃结构变化。最近的工作表明，存在扩散以外的再生机制，在这种再生机制下，光栅可以在超过1,295°C的温度下工作，甚至胜过II型飞秒光栅。这些对于超高温应用极为有吸引力。

5）II型光栅

多光子激发用更高强度的激光刻划的损伤光栅超过了玻璃的损伤阈值。通常采用脉冲激光以达到这些强度。它们包括飞秒脉冲在多光子激发中的最新发展，其中短时标（与类似于局部弛豫时间的时标相当）为感应变化提供了前所未有的空间定位。玻璃的无定形网络通常通过不同的电离和熔化途径进行转化，以产生更高的折射率变化，或者通过微爆炸产生由更致密的玻璃围绕的空隙。

有可能在牵引塔上的光纤中用单个UV脉冲刻写反射率约为100％（> 99.8％）的光栅。结果表明，所产生的光栅在高达800°C（在某些情况下高达1,000°C，在飞秒激光铭文下更高）下稳定。使用来自准分子激光器的单个40 mJ脉冲刻划光栅在248 nm。进一步表明，在〜30 mJ处有一个明显的阈值。高于此水平，折射率调制增加了两个数量级以上，而低于30 mJ时，折射率调制随脉冲能量线性增长。为了便于识别，并认识到热稳定性的显着差异，他们将在阈值以下制造的光栅标记为I型光栅，在阈值之上制造的光栅称为II型光栅。对这些光栅的显微镜检查显示，在光纤内的光栅位置处有周期性的损坏轨迹。因此，II型光栅也称为损坏光栅。但是，这些裂缝可能非常局限，因此如果准备得当，它们在散射损失中不会起主要作用

（6）布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术有哪些？

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耦合器后，到传感光栅反射滤波，反射回窄带光，再经过宽带滤波器(WDM耦合器)，由于宽带滤波器的滤波特性与波长有关，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，经耦合器到达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滤波器透射中心波长一致时，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耦合器入射到传感FBG上，被FBG反射的光再通过耦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干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，再通过检测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，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邻的像元上，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成像光谱法有较大的局限性，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。

（7）布拉格光纤光栅传感器应变温度分辨方法？

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。

（8）布拉格光纤光栅传感器的传感原理

光纤光栅的Bragg波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的，因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。当外界的温度、应力和压力等参量发生变化时，Bragg波长的变化可表示为

Δλ_B=2Δn_effΛ +2 n_effΔΛ