光纖光柵的制作與應(yīng)用-論文要點(diǎn)

1、武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院2008級(jí)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題名稱(chēng)光纖光柵的制作與應(yīng)用學(xué)生姓名 揚(yáng)_理學(xué) 號(hào) 1297808050186班 級(jí)通信0801指導(dǎo)老師 鄭_丑完成時(shí)間：2010年 月 日光電子與通信工程系正文 51光纖光柵的概述 51.1 光纖光柵的定義 51.2 光纖光柵的分類(lèi) 51.3 各類(lèi)光纖光柵具體詳解 51.4 光纖光柵的特性 62光纖光柵制作方法 72.1 光源的準(zhǔn)備 72.2 光敏光纖的制備 72.3 布拉格光纖光柵的制作 82.4 長(zhǎng)周期光纖光柵的制作 112.5 喟啾光纖光柵的制作 152.6 切趾光纖光柵的制作 203光纖光柵的應(yīng)用 223.1 光纖光柵傳感器的應(yīng)用 223

2、.1.1 光纖傳感器的分類(lèi)： 223.1.2 光纖傳感器的應(yīng)用 233.2 光纖光柵濾波器的應(yīng)用 253.3 光纖光柵激光器的應(yīng)用 253.3.1 光纖激光器的特點(diǎn) 253.3.2 低功率光纖激光器 274光纖光柵的發(fā)展前景 275結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 2830摘要：光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成 空間相位光柵。其作用主要是在光纖內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波 器或反射鏡。光纖光柵根據(jù)折射率沿光柵軸向分布的形式， 可將紫外寫(xiě)入的光纖光柵分為均勻光纖光柵和非均勻光纖 光柵。其中每一類(lèi)的光纖光柵都有不同的特性，和其制作的 方法，以及應(yīng)用的領(lǐng)域不同。對(duì)于制作長(zhǎng)周期、喟啾、布拉 格等光纖光柵的方法主要

3、有，全息干涉法、分波前干涉法、 相位掩模法、在線成柵法、直接寫(xiě)入法、聚焦離子束寫(xiě)入法、 振幅掩模法、電弧感生微彎法、殘余應(yīng)力釋放法、熔融拉錐 法、機(jī)械感生法等等。光纖光柵的應(yīng)用范圍比較廣泛，最近 幾年受到越來(lái)越多的人的青睞，其主要應(yīng)用在傳感器、濾波 器、激光器等光學(xué)器件中。應(yīng)用領(lǐng)域主要在醫(yī)學(xué)、光學(xué)、建 筑、通訊等，這和我們的生活都是密不可分的。同時(shí)，這也 讓諸多集成型光纖信息系統(tǒng)即將成為現(xiàn)實(shí)。由于光纖光柵的 應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，光纖光柵會(huì)向全光數(shù)字型發(fā)展，不久的 將來(lái)，相信光纖光柵的明天將是無(wú)限光明的。關(guān)鍵字：光纖光柵激光器布拉格衍射1光纖光柵的概述光纖光柵（如圖1-1 ）是一種應(yīng)用非常廣泛、非

4、常重要的光學(xué)元件。摻錯(cuò)光纖Bragg光柵（FBG的研制是繼摻餌光纖放大器（ EDFA的又一個(gè)里程碑。光纖光柵使各種全光纖器件的研制成為可能。因此，所謂的全光纖一維光子集成，形成諸多集成型光纖信息系統(tǒng)也即將成為現(xiàn)實(shí)。這是光纖史上依次質(zhì)的飛躍。圖1-1實(shí)物光纖光柵1.1 光纖光柵的定義光纖光柵是利用光纖材料的光敏性 （外界入射光子和纖芯內(nèi)錯(cuò)離子相互作用引起的折射 率永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成（光纖光柵利 用空間相位光柵的布拉格散射的波長(zhǎng)特性）一個(gè)窄帶的（投射或反射）濾光器或反射鏡。1.2 光纖光柵的分類(lèi)隨著光纖光柵應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，光纖光柵的種類(lèi)也日趨增多

5、。根據(jù)折射率沿光柵軸向分布的形式，可將紫外寫(xiě)入的光纖光柵分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度和折射率變化的周期（也稱(chēng)光纖光柵的周期）均沿光纖軸向保持不變的光名f光柵，如均勻光纖Brag光柵（折射率變化的周期一般為 0.1um量級(jí)）和均勻長(zhǎng)周期光纖光柵（折射率變化的周期一般為 100um量級(jí)）。非均勻光纖光柵是指纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向變化的光纖 光柵，如chirped光纖光柵（其周期一般與光纖 Bragg光柵周期處同一量級(jí)）、切趾光纖光柵、 相移光纖光柵和取樣光纖光柵等。1.3 各類(lèi)光纖光柵具體詳解1）均勻光纖Bragg光柵均勻光纖光柵的折

6、射率變化的周期一般為0.1um量級(jí)。它可將入射光中某一確定波長(zhǎng)的光反射，反射帶寬窄。在傳感器領(lǐng)域，均勻光纖 Bragg光柵可用于制作溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等傳感器；在光通信領(lǐng)域，均勻光纖Bragg光柵可用于制作帶通濾波器、分插復(fù)用器和波分復(fù)用器的解復(fù)用器等器件。2）均勻長(zhǎng)周期光纖光柵長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率變化的周期一般為100um量級(jí)，它能將一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)入射光前向傳播芯內(nèi)導(dǎo)模耦合到包層模并損耗掉。在傳感器領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵可用于制作微彎傳感器、折射率傳感器等傳感器；在光通信領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵可用于制作摻餌光纖放大器增益平坦器、模式轉(zhuǎn)換器、帶阻濾波器等器件。 3）切趾光纖光柵對(duì)于一定長(zhǎng)度白

7、均勻光纖 Bragg光柵，其反射譜中主峰的兩側(cè)伴隨有一系列的側(cè)峰，一般稱(chēng)這些側(cè)峰為光柵的邊模。如將光柵應(yīng)用于一些對(duì)邊模的抑制比要求較高的器件如密集波 分復(fù)用器，這些側(cè)峰的存在是一個(gè)不良的因素，它嚴(yán)重影響器件的信道隔離度。為減小光柵邊模，人們提出了一種行之有效的辦法一切趾所謂切趾，就是用一些特定的函數(shù)對(duì)光纖光柵的折射率調(diào)制幅度進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)切趾后的光纖光柵稱(chēng)為切趾光纖光柵，它反射譜中的邊模明顯降低。4）相移光纖光柵相移光纖光柵是由多段 m（M>2）具有不同長(zhǎng)度的均勻光纖Bragg光柵以及連接這些光柵的M-1個(gè)連接區(qū)域組成.相移光纖光柵因?yàn)樵谄浞瓷渥V中存在一透射窗口可直接用作帶通濾 波器。5）

8、取樣光纖光柵取樣光纖光柵也稱(chēng)超結(jié)構(gòu)光纖光柵，它是由多段具有相同參數(shù)的光纖光柵以相同的間距級(jí)聯(lián)成。除了用作梳狀濾波器之外，取樣光纖光柵還可用 wdm系統(tǒng)中的分插復(fù)用器件。與其他分插復(fù)用器件不同的是，取樣光纖光柵構(gòu)成的分插器件。其還可以同時(shí)分或插多路信道間隔相同的信號(hào)。6） chirped 光纖光柵chirped光纖光柵，是指光纖的纖芯折射率變化幅度或折射率變化的周期沿光纖軸向逐 漸變大（?。┬纬傻囊环N光纖光柵。在chirped光纖光柵軸向不同位置可反射不同波長(zhǎng)的入射 光。所以chirped光纖光柵的特點(diǎn)是反射譜寬，在反射帶寬內(nèi)具有漸變的群時(shí)延，群時(shí)延曲線的斜率即光纖光柵的色散值。所以，可以利用c

9、hirped光纖光柵作為色散補(bǔ)償器。1.4光纖光柵的特性1）布拉格光纖光柵（FBG是一種利用準(zhǔn)分子激光等方法在光纖中加工的有序光柵，布拉格光纖光柵可以改變光在光纖中的傳播性質(zhì)，阻止特定波長(zhǎng)光的傳播，并將其反射回來(lái)。被布拉格光纖光柵反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)與布拉格光柵結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于光纖的變形直接影響其內(nèi)部布拉格光柵的結(jié)構(gòu)，所以布拉格光纖光柵可以用作一種敏感元件。它是在單模光纖的纖芯內(nèi)通過(guò)某種方式對(duì)其折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖器件（如圖1-2所示）。圖1-2布拉格光纖光柵2)布拉格光柵的理論模型假設(shè)光纖為理想的纖芯摻錯(cuò)階躍型光纖，并且折射率沿軸向均勻分布，包層為純石英，此種光纖在紫外光的照

10、射下，纖芯的折射率會(huì)發(fā)生永久性變化，對(duì)包層的折射率沒(méi)有影響。利用目前的光纖光柵制作技術(shù)：如全息相干法，分波面相干法及相位模板復(fù)制法等。生產(chǎn)的光纖光柵大多數(shù)為均勻周期正弦型光柵。纖芯中的折射率分布(如 1-3)所示。圖1均勻周期正弦型光纖光幅軒芯擰射率n1(Z)為纖芯的折射率，&小為光致折射率微擾的最大值，n1(0)為纖芯原折射率，A為折射率變化的周期(即柵距)，L為光柵的區(qū)長(zhǎng)度。圖1-3纖芯中的折射率分布圖若忽略光柵橫截面上折射率分布的不均勻性，光柵區(qū)的折射率分布可表示為： 2ni (z) = ni (0) + A5 cos(Z) (1.1)A顯而易見(jiàn)，其折射率沿縱向分布，屬于非正規(guī)光

11、波導(dǎo)中的迅變光波導(dǎo)，在考慮模式耦合的時(shí)候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要發(fā)生在基模的正向傳輸導(dǎo)模與反向傳輸導(dǎo)模 之間。2光纖光柵制作方法2.1光源的準(zhǔn)備光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在244nm紫外光的錯(cuò)吸收峰附近。因此除駐波法用488nm可見(jiàn)光外，目前成柵的光源主要有：193nm/248nm中紫外光，334nm近紫外光及10.6 NmCO敷光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋，所以成柵光源的空間相干性特別重要。當(dāng)前，主要的成柵光源有準(zhǔn)分子激光器、窄線寬準(zhǔn)分子激光器、倍頻僦離子激 光器、倍頻染料激光器等。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窄線寬準(zhǔn)分子激光器是目前用來(lái)制作光纖光柵最 為適宜的光源

12、。典型的曝光光源為248nmKrF準(zhǔn)分子激光、193nmArF準(zhǔn)分子激光和 244nm倍頻僦離子激光，均已被證明是光纖材料光折變效應(yīng)敏感的光源。2.2 光敏光纖的制備光纖的光敏性是在光纖中形成Bragg光柵的關(guān)鍵。采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類(lèi)的光纖上不同程度的寫(xiě)入光柵。光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān)， 如照射波長(zhǎng)、光纖類(lèi)型、摻雜濃度、光纖溫度、曝光功率及曝光時(shí)間等。如果不進(jìn)行其它處 理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為10-4數(shù)量級(jí)便已經(jīng)飽和。為了滿(mǎn)足高速通信傳感的需要，提高光纖光敏性日益重要。目前光纖增敏方法主要有：（1）摻雜 現(xiàn)在硼/錯(cuò)（B/Ge）共摻光纖已成為

13、現(xiàn)在國(guó)際上寫(xiě)入紫外光纖光柵的首選光纖。B/Ge共摻光纖的紫外光敏性是目前發(fā)現(xiàn)的不用載氫處理的光纖中最高的，折射率可達(dá)10-3以上，遠(yuǎn)高于普通光纖中的10-5 0 B元素增加光敏性的機(jī)理尚不能定論，但有一點(diǎn)是可以確定的，即光纖中摻入B后當(dāng)紫外曝光時(shí)會(huì)釋放應(yīng)力，引起較大的調(diào)制折射率。此外，還可高 摻雜Ge,可以摻入元素（鋁（Ta）、鋪（Ce）、錫（Sn）、餌（Er）。實(shí)驗(yàn)表明，B/Ge共摻光纖 和摻Sn光纖是未來(lái)最有希望的光敏光纖。（2）刷火 用溫度高達(dá)1700c的氫氧焰來(lái)回灼燒要寫(xiě)入光柵的區(qū)域。持續(xù)20分鐘，可使折射率增大10倍以上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是定位集中，可行性好。（3）載氫 普通光纖在高壓

14、（107Pa）氫氣中放置一段時(shí)間后，氫分子逐漸擴(kuò)散到光纖的 包層和纖芯中，當(dāng)特定波長(zhǎng)的紫外光（一般是248nm或193nm）照射載氫光纖時(shí)，纖芯被照部分中的氫分子立即與錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)形成Ge-O用口 Ge-H鍵，從而使該部分的折射率發(fā)生永久性的增加。通常在常溫下滲氫數(shù)百小時(shí)或數(shù)天。通過(guò)載氫處理的普通光纖的纖芯折射率變化幅度可從10-5提高到10-2 0研究表明，在包層中摻雜 TiO2可提高FBG的生長(zhǎng)效率。由于載氫的光敏性是暫時(shí)的，因而須在取出高壓艙后馬上進(jìn)行紫外UV光寫(xiě)入。寫(xiě)入的同時(shí)可通過(guò)加熱來(lái)獲得更高的光敏性， 但加熱時(shí)間不應(yīng)超過(guò)數(shù)分鐘， 加熱溫度也不宜過(guò)高以免引 起氫氣、氧氣反應(yīng)而造成外加損

15、耗。2.3 布拉格光纖光柵的制作布拉格光纖光柵的制作方法有全息干涉法、分波前干涉法、相位掩模法、在線成柵法、 直接寫(xiě)入法、聚焦離子束寫(xiě)入法等，下面就主要介紹一下這幾種布拉格光纖光柵的制作方法。 1） 全息干涉法全息干涉法又稱(chēng)外側(cè)寫(xiě)入法，如圖2-1示，用準(zhǔn)分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在摻錯(cuò)光纖的側(cè)面相互干涉，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由A = %V /2sin8給出?？梢?jiàn)，通過(guò)改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)， 獲得所需的光纖光柵。 這種光柵制造方法采用多脈沖重復(fù)曝光技術(shù)，光柵性質(zhì)可以精確控制， 但是

16、容易受機(jī)械震動(dòng)和溫度漂移的影響，并且不易制作具有復(fù)雜截面的光纖光柵。圖2-1橫向側(cè)面曝光法寫(xiě)入光柵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光譜分析儀2）分波前干涉法利用此技術(shù)制作FBG的干涉裝置可以用棱鏡或者洛埃鏡。如圖2-2示，使用棱鏡干涉法制作FBG的示意圖。在這個(gè)裝置中，UV光束在棱鏡的輸入面上通過(guò)折射而橫向展寬。展寬的光束一分為二，一半光束在棱鏡表面上發(fā)生全內(nèi)反射，然后，與另一半光束在棱鏡的輸出面上產(chǎn)生干涉。放在此裝置之前的柱狀透鏡有助于沿著纖芯所形成的干涉圖樣在一條直線 上。圖2-2用棱鏡干涉制作光柵的示意圖用洛埃鏡干涉系統(tǒng)制作FBG的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-3示。這個(gè)干涉系統(tǒng)由一個(gè)非傳導(dǎo)性(dielectric )的反射

17、鏡組成，用以將UV光束的一半導(dǎo)入與反射鏡垂直的光纖中，之后與另一半光束產(chǎn)生干涉圖樣。圖2-3用洛埃鏡干涉制作光柵的示意圖分波前干涉技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于僅使用一個(gè)光學(xué)器件，這大大降低了系統(tǒng)對(duì)機(jī)械震動(dòng)的敏感度。但它的缺點(diǎn)是光柵長(zhǎng)度和布拉格波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍受到限制。3)相位掩模法如圖2-4示。相位掩模板(Phase Mask)是衍射光學(xué)元件，用以將入射光束一分為二+1級(jí)和-1級(jí)衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相應(yīng)的光強(qiáng)作用下纖芯折射率受到調(diào)制。相位掩模板是一個(gè)在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應(yīng)離子束蝕刻技術(shù)制作。它具有抑制零級(jí)，增強(qiáng)一

18、級(jí)衍射的功能。Bragg光柵寫(xiě)入周期為掩模周期 ApmL半的。這種成柵方法不依賴(lài)于入射光波長(zhǎng)， 只與相位掩模的周期有關(guān)。因此，對(duì)光源的相干性要求不高，簡(jiǎn)化了光纖光柵的制造系統(tǒng)，其主要缺點(diǎn)是不同 Bragg波長(zhǎng)要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的價(jià)錢(qián)較貴。用低 相干光源和相位掩模板來(lái)制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩模與掃描曝光技術(shù)相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來(lái)制作特殊結(jié)構(gòu)的光柵。該方法大大簡(jiǎn)化了光纖光柵的制作過(guò)程，是目前寫(xiě)入光柵常用的一種方法。L_r_L_r_L_rL_rn0級(jí)光束圖2-4 Phase Mask法制備光纖光柵示意圖4）在線成柵法南安普頓大學(xué)的L Dong等人

19、采用脈沖單點(diǎn)激射的方法，首次實(shí)現(xiàn)了在光纖拉制過(guò)程中寫(xiě)入光纖光柵的實(shí)驗(yàn)。 如圖2-5所示。它是光纖拉制過(guò)程中在裸光纖上直接寫(xiě)入光柵，接著進(jìn)行涂覆，從而避免了光纖受到額外的損傷，保證了光柵的良好強(qiáng)度和完整性。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的 Askins等人改進(jìn)了上述在線光纖光柵制作方法，如圖 2-6所示。在他們的干涉系統(tǒng)中，反射鏡M3和M4程控可調(diào)，使得兩束干涉光束的夾角連續(xù)可調(diào)，從而可在線自動(dòng)地在一根光纖上寫(xiě)入反射波長(zhǎng)不同的一系列光纖光柵。使用這種方法，制造工藝簡(jiǎn)單, 使連續(xù)大批量生產(chǎn)的光纖光柵成為可能，提高了光柵性能的穩(wěn)定。光纖包層塔竭圖2-6反射波長(zhǎng)可調(diào)的系列光纖光柵在線制作實(shí)驗(yàn)裝置 (圖中反射鏡M3 M

20、4及拄狀透鏡CL程控可調(diào)) 5) 直接寫(xiě)入法直接寫(xiě)入法是指在制作光纖光柵時(shí)，無(wú)須剝除光纖的涂覆層而直接在纖芯上寫(xiě)入光纖光 柵的方法。此法關(guān)鍵是采用對(duì)紫外光透明的材料作為光纖的涂覆層。目前報(bào)道的光纖涂覆層有采用丙烯酸酯或 General Electric RTV615硅膠，通過(guò)加大紫外光強(qiáng)度、減小涂覆層厚度 以及對(duì)光纖載氫等方法，可以有效提高光纖光柵的寫(xiě)入時(shí)間。在兩硅平板間夾150dm厚的RTV615硅膠用分光計(jì)分析了這種涂敷層的紫外光吸收特性，在248nm波長(zhǎng)處透過(guò)率達(dá)92%,有低的紫外光吸收率，因而可以用244nm倍頻激光器或248nmKrF準(zhǔn)分子激光器透過(guò)涂敷層寫(xiě)入光纖市喇格光柵。這種方法

21、解決了以往傳統(tǒng)方法中必須采用裸光纖的弊端，減少了對(duì)光纖光柵制作完后要立即進(jìn)行涂覆的工藝復(fù)雜性，具有很好的應(yīng)用前景。 6) 聚焦離子束寫(xiě)入法利用聚焦離子束(Focused Ion Beam : FIB)可以寫(xiě)入任意的光纖光柵結(jié)構(gòu)，F(xiàn)IB既可以用研磨方式，也可以用沉積方式。研磨光柵基本結(jié)構(gòu)如圖2 -7所示，光柵研磨出的槽離纖芯只有幾R(shí)m,研磨15 20個(gè)槽就可獲得高的反射率，槽數(shù)越多反射越大。其實(shí)驗(yàn)步驟是： 第一步，先剝?nèi)ネ糠髮?，除去包層較厚的部分；第二步，固定光纖以便刻蝕和放入真空室研磨，光柵結(jié)構(gòu)要研磨得靠近纖芯。研磨方法簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)不易，常用的方法是用氫氟酸腐蝕掉部分包層后開(kāi)始研磨，但光纖研磨下

22、來(lái)的物質(zhì)充電沉積在研磨區(qū)，將會(huì)降低研磨效率， 并且由于材料的再沉積，槽的深寬比將被限制在一個(gè)較小的值。研磨時(shí)間取決于研磨材料和束電流。這種方法的關(guān)鍵是要解決工藝難度，才有可能獲得廣泛的應(yīng)用。纖芯包層圖2-7 FIB研磨的光柵結(jié)構(gòu)2.4 長(zhǎng)周期光纖光柵的制作長(zhǎng)周期光纖光柵的制作的方法主要有， 振幅掩模法、電弧感生微彎法、殘余應(yīng)力釋放法、 熔融拉錐法、機(jī)械感生法等，由于長(zhǎng)周期光纖光柵在日常生活中用的比較多，所以其制作方法也是很易于理解的。1）振幅掩模法a UV曝光振幅掩摸板寫(xiě)入不采用衍射光束干涉條紋“模制”折射率調(diào)制圖案的辦法，而是模板上刻好該圖案，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，將之投射到光纖上，纖芯折射率發(fā)生相

23、應(yīng)的變化而成柵的。寫(xiě)入后對(duì)其退火，以穩(wěn)定光學(xué)特性。振幅掩模板通常用于長(zhǎng)周期光纖光柵的寫(xiě)入。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-8所示。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵的周期一般為幾百微米，掩模板的制作很方便，而且精確,容易得到保證，所以用這種方法制作的光柵，其一致性和光譜特性比較好，而且對(duì)紫外光的 相干性沒(méi)有要求。寬帶光源KrF準(zhǔn)分子激光器AMPCQ_光纖光譜儀圖2-8振幅掩模法制作LPFG的實(shí)驗(yàn)裝置b離子注入 2將高能量離子注入到各種石英玻璃中可以產(chǎn)生高達(dá)約10的折射率變化。利用這一特性可以用離子注入法在石英光纖中制作高性能的光纖光柵。將高能量He2+注入到光纖中制作LPFG實(shí)驗(yàn)中所使用的方法是振幅掩模法，制作原理如圖 2-

24、9所示。經(jīng)加速后的高能量 He2+ 通過(guò)金屬掩模板注入到光纖上，加速能量為5. 1MeV掩模周期為170dm間距為60dm共29個(gè)周期。注入20X 1015He2+/cm2劑量后，在普通通信光纖中制作了在1410nm處名16dB大損耗峰的LPFG離子注入法產(chǎn)生折射率變化的機(jī)理可能是玻璃結(jié)構(gòu)的致密化。它的缺點(diǎn) 是在包層中會(huì)感生很高的折射率變化。不過(guò)，這一缺點(diǎn)可以通過(guò)選擇窄間距的掩模板，使離子只注入到纖芯中來(lái)解決。通過(guò)選擇短周期的掩模板，也可以制作FBG掩模板0_ =纖圖2-9離子注入法寫(xiě)入 LPFG示意圖2）電弧感生微彎法如下圖2-10所示，利用電弧導(dǎo)致的永久微彎制造靈活剖面控制的LPFG光纖去

25、除護(hù)套后，用兩個(gè)相距5.5cm的夾具筆直固定，然后將一個(gè)夾具沿與光纖軸向正交的方向向下位移 大約100m,從而在光纖上產(chǎn)生一個(gè)橫向的應(yīng)力。電弧在某一點(diǎn)放電時(shí)，在剪切應(yīng)力的作 用下產(chǎn)生微彎，微彎的幅度典型值小于1 Nm,用這種方法制作的光柵諧振波長(zhǎng)只與光柵周期有關(guān)，而與耦合強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以光柵的中心波長(zhǎng)、反射率等特性易于控制。此外，所形成 的光柵具有低的插人損耗（小于0.2dB）和高的熱穩(wěn)定性，在8000c以下性能沒(méi)有任何降質(zhì)。 微彎構(gòu)造LPFG的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要特殊的光纖（如摻雜、載氫以提高光敏性）,其缺點(diǎn)是光纖 的機(jī)械特性有所下降。圖2-10電弧感生微彎法制作 LPFG3）殘余應(yīng)力釋放法在芯徑

26、是純二氧化硅、包層內(nèi)摻氟的光纖中，被拉伸時(shí)由于光彈效應(yīng)在高粘度的芯徑區(qū) 引入了殘余應(yīng)力，折射率會(huì)降低。當(dāng)用火焰、電弧或高功率激光退火時(shí)，可以很容易地將芯徑內(nèi)殘余的應(yīng)力釋放掉，纖芯的折射率又可以恢復(fù)到原來(lái)的水平。如果對(duì)有殘余應(yīng)力的光纖進(jìn)行逐點(diǎn)周期性退火，就可以在纖芯內(nèi)形成周期性折射率變化，從而形成光柵。此項(xiàng)技術(shù)方法比較簡(jiǎn)單，而且這種長(zhǎng)周期光纖光柵具有較好的溫度特性，特別是高溫穩(wěn)定性較好， 可以用來(lái)做高溫下的溫度傳感器。a利用弧光放電此法利用熔接機(jī)的電弧而產(chǎn)生纖芯內(nèi)殘余應(yīng)力釋放，來(lái)改變光纖的折射率。如圖2-11示，把沒(méi)有裝護(hù)套的光纖放在熔接機(jī)的兩個(gè)電極之間，光纖靠一個(gè)與控制馬達(dá)相連的移動(dòng)平臺(tái)拉動(dòng)。

27、當(dāng)使用電弧在選定的電流和持續(xù)時(shí)間之后，光纖沿縱向移動(dòng)，電弧繼續(xù)放電。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，在此過(guò)程中，光纖沒(méi)有應(yīng)變，從而確保其沒(méi)有物理形變。利用此技術(shù)，通過(guò) 選擇恰當(dāng)?shù)碾娀‰娏骱统掷m(xù)時(shí)間，就可制造出所需耦合強(qiáng)度的LPFG圖2-11利用弧光放電制作 LPFG示意圖b利用聚焦CO激光器采用10.6 Rm自由空間波長(zhǎng) CO激光脈沖對(duì)光纖逐點(diǎn)曝光。光纖在制造過(guò)程中生了很高的殘余應(yīng)力，用聚焦 CO激光脈沖輻射可以釋放其中的應(yīng)力而形成LPFG如圖2-12示。使用RQ作為摻雜物可以增加粘性差異，并可控制LPFG的溫度敏感性。這種方法不需要光纖的物理變形，通過(guò) CO激光光束一致的、均衡的照射， polarizat

28、ion dependence可以被抑制掉。:柱狀透鏡圖2-12采用CO激光器制作LPFG的示意圖4）熔融拉錐法利用制作耦合器的熔融拉錐工藝來(lái)制作長(zhǎng)周期光纖光柵。在用高功率激光、電弧或火焰對(duì)光纖進(jìn)行局部加熱的同時(shí)， 對(duì)光纖施加一定的應(yīng)力， 使得光纖芯徑發(fā)生周期性變化， 從而 形成光柵?？捎镁芮懈顧C(jī)在光纖表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期數(shù)和間距決定所需濾波器的共振波長(zhǎng)和帶寬等。v型槽的深度及形狀將影響光纖光柵的折射率分布輪廓，從而決定 光柵的效率。如圖 2-13所示，把刻好周期性 v型槽的光纖置于光纖拉錐機(jī)上，光纖一端與 光源連接，另一端連接光學(xué)光譜分析儀（ OSA進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用氫氣火焰對(duì)光纖

29、 V型槽區(qū)域進(jìn) 行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面應(yīng)力影響被刻v型槽一邊光纖纖芯的不平衡等因素，而使得纖芯產(chǎn)生周期性畸變，導(dǎo)致纖芯折射率的周期性變化。寬帶光源|光譜分析儀刻有V形槽的光纖圖2-13熔融拉錐法制作 LPFG的示意圖5）機(jī)械感生法如圖2-14所示，當(dāng)光纖位于溝槽板（溝槽周期為A ）和平板之間時(shí)，如果對(duì)溝槽板施加 壓力，則光纖受到溝槽板傳遞的力。由于溝槽板上的溝槽是周期性的，經(jīng)光彈效應(yīng)，在光纖上引起周期的折射率調(diào)制。 通過(guò)改變光纖與凹槽之間的角度可以調(diào)節(jié)光柵的周期和損耗峰的 位置。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力的大小可以控制光柵的損耗峰的深度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不去除光纖的護(hù)套時(shí)光柵的插人損耗小，而去除護(hù)套時(shí)光柵的

30、插人損耗大，原因可能是護(hù)套減少光纖的微彎。用這種方法制作的光柵，其透射譜的溫度穩(wěn)定性與光感生的光柵類(lèi)似。這種LPFG的另一個(gè)特點(diǎn)是可擦除，即當(dāng)壓力去除后，光纖的傳輸可恢復(fù)到它的最初波段。因而，使用同樣的溝槽板和光纖可得到寬范圍的濾波功能。光纖護(hù)套光纖八八八八八八人八人】人平板圖2-14機(jī)械感生法制作 LPFG的示意圖然而，對(duì)于機(jī)械感生的 LPFG由于外部壓力所致的線性雙折射而表現(xiàn)出偏振模式色散，這是我們不愿看到的。因此，采用如圖2-15示的裝置，可以在兩個(gè)LPFG之間加一個(gè)900光纖旋轉(zhuǎn)器，這樣就可以補(bǔ)償線性雙折射現(xiàn)象。FH（fiber hoder）、FT （fiber twister ）、S

31、MFP(single mode fiber polarizer)分別代表光纖控制器、光纖扭轉(zhuǎn)器、單模光纖偏振器。2.5 喘啾光纖光柵的制作喟啾光纖光柵的周期是隨其長(zhǎng)度變化的，變化形式較多，如線性變化、按平方率變化、 隨機(jī)變化等等；還有一類(lèi)喟啾光纖光柵，其周期保持恒定，而有效折射率的大小隨其長(zhǎng)度有 一定的變化。在用不同的方法實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償系統(tǒng)中，喟啾光纖光柵是最有前途的方法。基于喟啾光柵在色散補(bǔ)償系統(tǒng)中所表現(xiàn)出來(lái)的巨大潛力，所以各種專(zhuān)門(mén)寫(xiě)入喟啾光柵的方法紛紛出現(xiàn)。分述如下： 1) 二次曝光法如圖2-16 (a)所示，在第一次曝光中，將一個(gè)不透明的模板放在光纖與光源之間，讓 其以恒定速度平移，模板運(yùn)

32、動(dòng)增加了部分光纖的曝光時(shí)間，線性地改變了光纖所接受的輻射量，從而在光纖上形成了一個(gè)漸變的有效折射率梯度。如圖 2-16 (b)所示，第二次曝光利 用相位掩模板在第一次曝光的光纖段寫(xiě)入均勻周期光柵。由于第一次曝光導(dǎo)致光纖有效折射率變化，最終所得的光柵是一個(gè)線性喟啾光纖光柵。這種二次曝光法的優(yōu)點(diǎn)是利用了制作均勻光柵的曝光光路，使制作方法大大簡(jiǎn)化，缺點(diǎn)是兩次曝光導(dǎo)致折射率變化量過(guò)大，易引起模板 248nm KrF或193nm ArF光柵色散曲線的振蕩。UV光V光纖(b)I-l相位掩模板光纖(a)圖2-16二次曝光法制作喟啾光纖光柵原理圖2) 全息干涉法圖2-17是制作喟啾光柵的基本原理圖，是通過(guò)在雙

33、光束全息光路系統(tǒng)中加入焦距不等的柱狀透鏡，使兩束光的干涉角度沿著光纖軸向發(fā)生連續(xù)變化，從而造成光纖的纖芯折射率發(fā)生周期性漸變，形成喟啾光纖光柵。僦離子激光器產(chǎn)生的激光倍頻后(波長(zhǎng)244nm,輸出功率為80-100 mW),經(jīng)分光器M,兩束光經(jīng)全反射鏡 M2和M反射，通過(guò)兩柱狀透鏡 F1和F2聚焦后干涉。由于兩柱狀透鏡的焦 距不同，兩束光的干涉角度不同， 則在空間形成具有喟啾性質(zhì)的干涉條紋，其間距是空間位置的函數(shù)。經(jīng)第三個(gè)柱狀透鏡 F3,將之會(huì)聚后，在光纖上刻制出強(qiáng)度較大的喟啾光柵。據(jù)此 方案能產(chǎn)生帶寬為 44nm,反射率為90%的喟啾光柵。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡的位 置來(lái)改變喟啾量的大小

34、，從而可獲得任意帶寬的喟啾光柵。但由于光的干涉條件比較苛刻， 所以柱狀透鏡的相對(duì)位置和角度必須精確控制，任意微小的外部擾動(dòng)都可能破壞光的干涉條件，故此方法的重復(fù)性較差。圖2-17全息干涉法制作喟啾光纖光柵原理圖3) 彎曲法此方法是利用制作均勻周期光柵的曝光光路，只是使光纖機(jī)械變形便可制作喟啾光柵。把預(yù)先彎好的光纖放在兩束干涉光所形成的周期為A 0的干涉條紋場(chǎng)中，光纖和干涉條紋法線方向所成角度為 中(z),如圖2-18所示，形成光柵的周期為：A(z) =AO/cos 中(z)(1)可見(jiàn)光柵的周期沿 z方向是變化的，即形成了喟啾光纖光柵。只要 邛(z)足夠小，光 柵的輻射模損失可以忽略。由于光纖和

35、光的干涉條紋呈一定的角度，故用該法制備的光柵具有一定的閃耀性，導(dǎo)致了輻射損耗的增加。 為了減少輻射損耗，使用含光敏包層的特種光纖， 這樣可大大抑制其輻射損耗。此方法的優(yōu)點(diǎn)是所用光學(xué)器件少，產(chǎn)生誤差的因素少， 而且利用同一周期的相位掩模板，可制成不同喟啾的光柵。 缺點(diǎn)是彎曲角度較難控制和保持，也不能引入過(guò)大的喟啾，否則會(huì)形成柵齒傾斜，引起導(dǎo)模耦合成包層模而形成附加損耗。圖2-18通過(guò)彎曲法制作喟啾光纖光柵4)光纖傾斜法如圖2-19所示，將紫外光源置于凸透鏡 1的焦點(diǎn)位置，經(jīng)凸透鏡 1的作用使紫外光平 行出射至凸透鏡2上。光束經(jīng)凸透鏡2的折射作用以不同的角度入射到相位掩模板上。光纖與相位掩模扳間有

36、一夾角。相位掩模板抑制零級(jí)衍射光，透過(guò)掩模板的±1級(jí)衍射光在光纖纖芯發(fā)生干涉，那么光柵的周期可以表示為：21.A I22222A(x)=AtM 1_x 上 1。(2)2f - d I A pm j其中f為透鏡的焦距，d為透鏡與掩模板間的距離，日為光纖與掩模扳的夾角，APM為掩模扳的周期。傾斜法寫(xiě)入簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，易于批量生產(chǎn)。通過(guò)控制透鏡的焦距及透鏡與模板之間的距離可控制所成光柵的喟啾量。但此法要求光源具有很好的相干性。相位掩模板圖2-19光纖傾斜法寫(xiě)入喟啾光纖光柵5)移動(dòng)平臺(tái)法實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-20所示，會(huì)聚柱透鏡與發(fā)散柱透鏡組成透鏡系統(tǒng)，焦距分別為f1和f2它們之間距離為|1,會(huì)聚

37、柱透鏡與掩模板的距離是l2, KrF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的平行光經(jīng)透鏡系統(tǒng)后展寬，通過(guò)相位掩模板照射到光纖上。因此，寫(xiě)入的光纖光柵的波長(zhǎng)為：(3)九B 2neff A = neff A pmJeff = k(l1 , f1 , f2)Z + C、PM式中neff和A PM分別為光纖的有效折射率和相位掩模板的周期。k(l1, f1, f2)和oApm為常數(shù)，即Kb與Z的關(guān)系呈線性。固定發(fā)散透鏡和光纖的裝置是可以移動(dòng)的。因此，波長(zhǎng)入B的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)光纖與掩膜板之間的距離Z來(lái)實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此，可制作任意波長(zhǎng)的喟啾光柵。實(shí)驗(yàn)表明可以制作波長(zhǎng)寫(xiě)入范圍達(dá)30nm的喟啾光柵。這種方法利用相位掩模技術(shù)，不但簡(jiǎn)光柵波

38、長(zhǎng)的調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單,寫(xiě)入光柵的喟化了光柵的寫(xiě)入過(guò)程，而且易生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵。 啾量也可以控制，并且可以寫(xiě)入長(zhǎng)距離的光柵。移動(dòng)支架圖2-20移動(dòng)平臺(tái)法寫(xiě)入喟啾光纖光柵6)錐型光纖縱向應(yīng)力法這是一種在錐形光纖上寫(xiě)入光柵的方法。錐形光纖的獲得是將光纖置于氫氟酸(HF)中然后勻速提起，由于光纖各部分在溶液的時(shí)間不同，故各部分的腐蝕程度也不同，從而形成一段錐形光纖，如圖 2-21所示。在錐體兩端施加應(yīng)力使之發(fā)生形變，再在該錐體部分寫(xiě)入均 勻的光柵，最后釋放應(yīng)力，錐體各部分的直徑不同，在應(yīng)力作用下形變也不同，因而釋放應(yīng) 力后收縮的比例也就不一樣。這樣就造成了光柵周期沿軸向變化，從而形成了喟啾光柵。 有兩種獲

39、得喟啾光柵的方法：其一是在無(wú)張力下，寫(xiě)入均勻光柵，然后在使用時(shí)施加張力；其二是在光纖受到張力的情況下寫(xiě)入均勻光柵，張力去掉后獲得喟啾光柵。當(dāng)所施張力相同時(shí)，第二種情況下總的喟啾量更大。圖2-21錐形光纖縱向應(yīng)力法寫(xiě)入喟啾光纖光柵7) 錐型纖芯法將光敏光纖的纖芯作成錐型，則錐型纖芯會(huì)影響導(dǎo)模的有效折射率，即neff是隨光纖的長(zhǎng)度變化的。給這種光敏光纖刻上等周期的光柵后，光纖有效折射率的變化引起光柵的有效折射率隨長(zhǎng)度變化，從而形成喟啾光柵。在施加應(yīng)力之前，光柵的布拉格波長(zhǎng)為：neff (z)(4)Kb(Z)=，.b 1+ I neff(0)式中， 7汩(0)和neff(0)是KB(0) =2Ane

40、ff (0)式中開(kāi)始的布拉格波長(zhǎng)和有效折射率,neff(z) =neff(z) -neff(0)。錐型纖芯光敏光纖的制作可采用加熱拉伸法。當(dāng)用外力拉動(dòng)夾具使Lt變化時(shí)，光纖的喟啾可調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)2cm長(zhǎng)的光柵在中心波長(zhǎng)1546nm處的調(diào)諧范圍是 ±4nmb如2-22所示。圖2-22熔融光纖拉伸結(jié)構(gòu)示意圖8)應(yīng)力梯度法a有一種新的簡(jiǎn)單的方法在光纖光柵上產(chǎn)生應(yīng)力梯度。既能調(diào)諧光纖光柵的喟啾又能保證反射波譜中心波長(zhǎng)不變。如圖2-23所示，把一個(gè)光纖光柵斜著粘在用兩個(gè)點(diǎn)支撐的橫梁的側(cè)面。光纖光柵的中心位于橫梁的中心，因此，當(dāng)橫梁彎曲時(shí)，反射波譜的中心波長(zhǎng)才不會(huì)改變。光纖光柵的喟啾程度可通

41、過(guò)把橫梁彎成不同的曲率半徑來(lái)改變。通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲使橫梁的中心向下，從而改變橫梁的曲率半徑。使用此技術(shù)，光纖光柵的帶寬可展寬為11.32nm。這個(gè)簡(jiǎn)單的裝置可用于非線性傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償和智能結(jié)構(gòu)中的彎曲傳感奧箋守 o寬帶光源3dB耦合器光譜分析儀35聚合物橫梁鋁制框架圖2-23實(shí)驗(yàn)裝置圖b 一種使用等周期的相位掩模板制作喟啾布拉格光纖光柵的方法。喟啾率和時(shí)延很容易調(diào)諧。首先，使用一塊等周期的模板寫(xiě)入光纖光柵，然后，將布拉格光纖光柵粘在事先設(shè)計(jì)好曲線的一塊 20cmM9cmM 1mm勺塑料板上。之后，在板的兩邊施加力 F,板沿力的方向產(chǎn) 生線性應(yīng)變，很明顯，沿著光纖軸向靠近板的邊緣A區(qū)的FBG

42、部分比靠近B區(qū)的所受的應(yīng)變大。在A、B區(qū)之間，F(xiàn)BG不同部分的周期因不同軸向應(yīng)變而改變。因此，這個(gè)普通的FBG產(chǎn)生了喟啾。通過(guò)此種方法，目前已研制出具有1200ps/nm色散的線性喟啾布拉格光纖光柵 和125ps/nm/nm色散溢出的非線性喟啾布拉格光纖光柵。如圖2-24所示。圖2-24制作喟啾光纖光柵的示意圖9）溫度梯度法由于光柵的布拉格反射波長(zhǎng)與溫度有線性關(guān)系為: 式中AT是溫度的變化量，口是光纖的膨脹系數(shù)（約10-6）, 已是熱光系數(shù)（約10-5）。由于Ab與溫度有線性關(guān)系，所以在光纖光柵區(qū)域內(nèi)建立起溫度梯度，則不同光柵區(qū)域內(nèi)因溫度不同而具有不同的布拉格波長(zhǎng)，導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)沿軸

43、向呈非線性分布，這樣便產(chǎn)生了喟啾現(xiàn)象。溫度梯度法可以利用均勻周期光柵制作較長(zhǎng)的喟啾光柵，但是對(duì)制作裝置精度要求較高。 10） PZT分段非線性加電壓成柵法如圖（a）所示為PZT拉伸器，它利用逆壓電效應(yīng)，在 d3i方向上進(jìn)行壓縮，在 d33方 向上拉伸。PZT是由N段（N > 20）組成，當(dāng)在PZT的每個(gè)薄片分別加以電壓 （從Vi到V2i）, 且電壓控制方式呈線性增加時(shí)，類(lèi)似地可得到近似性的群時(shí)延響應(yīng)，如圖（b）中的直線1所示，即可制成近似線性喟啾光纖光柵。 對(duì)于均勻光柵而言， 可采用曲線3的加壓方式，使其變成非線性喟啾光纖光柵， 此時(shí)電壓幅度較大, 制成近似的非線性喟啾光纖光柵。Vi圖2

44、-25 （a） PZT非線性喟啾光柵拉伸器11）擦除法利用低能量脈沖寫(xiě)入的光柵可被藍(lán)綠光擦除的性質(zhì) 對(duì)需要擦除的地方進(jìn)行擦除而得到所要求的喟啾光柵。 12）復(fù)合喟啾光柵法將一列不同周期的均勻光柵按順序?qū)懺诠饫w上， 的工藝，很簡(jiǎn)單，具有很大的靈活性。按曲線2所示非線性關(guān)系，它可以一次拉先寫(xiě)入均勻光柵，再用藍(lán)光或綠光它最大限度地應(yīng)用了制作均勻光纖光柵2.6切趾光纖光柵的制作光纖光柵的光學(xué)切趾是指： 在光柵中光感折射率調(diào)制的振幅沿著光柵長(zhǎng)度有一個(gè)鐘形函 數(shù)的形狀變化。人們發(fā)現(xiàn)光學(xué)切趾能避免光柵的短波損耗和有效抑制布拉格光纖光柵反射 譜，并能減少喟啾光纖光柵時(shí)延特性的振蕩，因此對(duì)切趾光纖光柵的研究具有

45、十分重要的意義。制作方法如下： 1）切趾相位掩模板利用切趾相位掩模板45是最傳統(tǒng)最簡(jiǎn)單的切趾光纖光柵的制造方法。用聚焦離子束和濕法刻蝕技術(shù)可得到板槽尺寸不均勻的相位掩模板，如圖2-26所示，通過(guò)激光照射此掩模板，一級(jí)衍射光的強(qiáng)度將沿光纖呈現(xiàn)鐘形函數(shù)分布，從而改變條紋反差和光致折射率調(diào)制的大 小。2）掃描法使用均勻相位掩模板制作較長(zhǎng)光柵時(shí)，光源光斑很小，不足以對(duì)整個(gè)掩模板曝光， 一般需要移動(dòng)光纖和掩模板或者移動(dòng)掃描光束來(lái)解決。如果同時(shí)改變沿光柵方向的曝光時(shí)間，就可以在光纖中寫(xiě)入任意的光柵周期、喟啾和切趾函數(shù)。圖 2-27所示實(shí)驗(yàn)裝置與一般的掃描 技術(shù)不同的是光纖安裝在計(jì)算機(jī)控制的具有反饋回路的壓

46、電轉(zhuǎn)換器載物臺(tái)上，并可相對(duì)于相位掩模板緩慢移動(dòng)， 在寫(xiě)入光束掃描時(shí)， 可以耦合相移到光柵中。 通過(guò)光纖以適當(dāng)?shù)暮慵铀?度移動(dòng)，可以形成不同包絡(luò)切趾的線性喟啾光柵。但這種方法與上一種寫(xiě)入方法，沿光纖光柵軸向的平均折射率變化不是一個(gè)常數(shù)。由于光纖光柵的自致喟啾， 這樣的切趾光纖光柵對(duì)較短波長(zhǎng)的旁瓣抑制效果有限。掃描鏡紫外光束光纖載物臺(tái)I相位掩模板圖2-27掃描法制作切趾光纖光柵3)紫外脈沖相干寫(xiě)入法利用UV光相干寫(xiě)入切趾光纖光柵，平均折射率的變化沿切趾光柵方向是均勻的。實(shí)驗(yàn) 裝置如圖2-28示，反射鏡 M可沿z軸方向移動(dòng)掃描相位掩模板，掃描長(zhǎng)度為相位掩膜的長(zhǎng) 度，光纖置于相位掩模板處。相位掩模板充

47、當(dāng)分束器，將入射UV光分成士 1級(jí)衍射光，衍射光束在鏡 M, M2上反射，在 M、M2之間放置柱透鏡，使光束在纖芯聚焦。當(dāng)UV光從掩模板右端入射時(shí)，干涉圖形就會(huì)在光纖左端產(chǎn)生干涉，反之亦然。當(dāng)UV光束入射到相位掩模板的中心時(shí)，兩反向傳播的光束的光程差為0;當(dāng)紫外光向掩模板邊緣移動(dòng)時(shí)光程差會(huì)線性增加，假設(shè)脈沖是高斯脈沖，兩脈沖沿光柵方向進(jìn)行卷積，就產(chǎn)生高斯切趾函數(shù)，而且平均折射率的變化沿切趾光柵方向是均勻的。用一個(gè)微位移控制器控制反射鏡M的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可用同一相位掩模板寫(xiě)入任意波長(zhǎng)的切趾或切趾喟啾布拉格光柵。4) 多次曝光法a這種寫(xiě)入方法的激光束形狀如圖2-29所示，設(shè)計(jì)的基本思想是通過(guò)相位掩模板產(chǎn)

48、生的主 1級(jí)衍射光束來(lái)提高 FBG兩端的平均折射率。在實(shí)驗(yàn)中使用Lamda Physik Compex 205激光器。在距離光束中心 15mm的區(qū)域內(nèi)，垂直方向上激光光束的形式近似為平面波，而在 水平方向上分布近似為高斯形的。首先，利用平面波照射模板制作一個(gè)最大反射率達(dá)99.5%的光柵。然后，利用高斯光束重復(fù)上一過(guò)程。具體做法是先將掩模板放到距光纖25mm勺地方用12mms的光束曝光，然后將掩模板放到距光纖17mm的地方用6mn的光束曝光。光圈放在激光光束的前方用來(lái)控制曝光長(zhǎng)度。使用的光敏光纖數(shù)值孔徑為0.12 ,光纖的曝光長(zhǎng)度為12mm實(shí)驗(yàn)證明，使用這種多次曝光法制成的光柵的平均折射率幾乎保

49、持不變并且在 較短的波長(zhǎng)上邊模能抑制 20dB。通過(guò)此法制成的 FBG很適合DWD陳統(tǒng)。圖2-29多次曝光法制作升高斯型切趾光纖光柵的示意圖b 一種新的使用二次曝光法制作切趾FBG僅通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)參數(shù)和紫外脈沖數(shù)量，不同切趾形式的FBG就可以獲得，而且，F(xiàn)BG的長(zhǎng)度可通過(guò)改變狹縫的長(zhǎng)度而改變。總之，邊 模被大大的抑制掉。此種方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活、重復(fù)性強(qiáng)、低成本、而且適合大規(guī)模生產(chǎn)。 特別的，此法非常適合短長(zhǎng)度光柵的制作。因?yàn)楣鈻篷詈蠌?qiáng)度是 FBG折射率調(diào)制的函數(shù)，各種各樣的切趾耦合強(qiáng)度可通過(guò)減少在光 柵兩端UV的曝光量至零來(lái)獲得。因此可制得各式的切趾FBG如圖2-30所示，狹縫固定在一個(gè)機(jī)動(dòng)旋

50、轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)，狹縫與之同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)狹縫與UV垂直時(shí)，光通過(guò)狹縫的實(shí)際寬度達(dá)到最大值，即狹縫的寬度，在其它形式下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光纖上有效曝 光長(zhǎng)度表示如下：L=acos（ :）- bsin （:）a是狹縫寬度，b是狹縫的厚度，中是旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度改變時(shí)，就會(huì)達(dá)到 相應(yīng)的脈沖數(shù)量。因此，折射率調(diào)制在光柵中部達(dá)到最大。脈沖的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系決定了 FBG的切趾形式。實(shí)驗(yàn)使用Tuilaser Bragg Star-200 準(zhǔn)分子激光器（248nm）,脈沖強(qiáng)度7.4mJ ,光敏光 纖PS-RMS-5Q實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)階段：第一階段，旋轉(zhuǎn)臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，紫外脈沖 的數(shù)

51、量少于1000時(shí)，折射率調(diào)制與脈沖數(shù)量成線性關(guān)系。在長(zhǎng)波段切趾邊模被抑制掉，然 而在短波段存在很強(qiáng)的邊模。第二階段，是用papery sheet代替狹縫1,并移走掩模板，使旋轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)目成一定的關(guān)系。此時(shí)，F(xiàn)BG的平均折射率相等，短波段的邊模被抑制掉。實(shí)驗(yàn)表明，5mmK白FBG有99.5%的最大反射率，邊模抑制率大于25dB。圖2-30二次曝光法制作切趾光纖光柵的實(shí)驗(yàn)裝置圖3光纖光柵的應(yīng)用3.1 光纖光柵傳感器的應(yīng)用3.1.1 光纖傳感器的分類(lèi)：1）喟啾光纖光柵傳感器2）長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）傳感器3）布拉格光纖光柵傳感器3.1.2 光纖傳感器的應(yīng)用1）在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用在地震檢測(cè)等地球

52、動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測(cè)是非 常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān)鍵活動(dòng)范圍演 變的最有效手段心。 光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測(cè)以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面。活動(dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種， 靜態(tài)應(yīng)變（包括由火山產(chǎn)生白靜態(tài)變形等 ）一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)量?jī)x。光纖光柵傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集

53、排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測(cè)等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。有報(bào)道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測(cè)了頻率為0.1-2HZ ,大小為10-9 £ （應(yīng)變）的巖石和地表動(dòng)態(tài)應(yīng)變。2）在航天器及船舶中的應(yīng)用先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量， 對(duì)于快 速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具（如飛機(jī)的機(jī)翼）。為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對(duì)于普通船體大約需要 100個(gè)傳感器，因此波長(zhǎng)復(fù)用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合 于船體檢測(cè)。光纖

54、光柵傳感系統(tǒng)可測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測(cè)量海浪對(duì)濕甲板的抨擊力。具有干涉探測(cè)性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了在帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10n £ /（Hz）1/2 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。另外，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情 況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖 光柵傳感器是最好的選擇。另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和溫度測(cè)量的理想智能元件。3）在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量

55、對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的。通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外， 多個(gè) 光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)， 可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應(yīng)用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復(fù)合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護(hù)。如果需要更加完善的保護(hù)，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復(fù)合筋，由于需要修正溫度效應(yīng)引起的應(yīng)變，可使用應(yīng)力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。兩個(gè)具有相同中心波長(zhǎng)的光纖光柵代替法布里-珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里-珀羅干涉儀（FFH）,利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量.用 FFPI結(jié)合另外兩個(gè)FBG其中一個(gè)光柵用來(lái)測(cè)應(yīng)變，另一個(gè)被保護(hù)起來(lái)，免受應(yīng)力影響， 以測(cè)量和修正溫度效