1、清華大學2012屆畢業設計說明書目 錄1 緒論11.1 研究目的及意義11.2 光纖光柵發展歷史21.3 光纖光柵傳感的優點31.4 光纖光柵傳感的發展和應用情況41.5 存在的問題61.6 論文的主要內容及工作72. 光纖光柵的簡介82.1 光纖光柵的分類82.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝研究102.2.1 現有封裝工藝分析102.2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝122.3 光纖光柵制作技術132.3.1 干涉寫入法132.3.2 逐點寫入法142.3.3 組合寫入法143. 光纖布拉格光柵傳感原理163.1 光纖光柵傳感原理163.2 光纖布拉格光柵耦合模理論173.2.1 光纖布

2、拉格光柵特性173.2.2 耦合模理論26193.3 光纖布拉格光柵溫度傳感原理28243.4 fbg溫度傳感器的響應時間263.4 光纖布拉格光柵解調技術293.4.1 非平衡m-z光纖干涉儀法293.4.2 可調諧光纖f-p濾波法303.4.3 匹配光柵法314. 系統的設計334.1 光纖光柵溫度傳感系統334.2 高溫測試的分析334.3 fbg溫度傳感器響應時間的測試344.4 實驗仿真355 結論42參考文獻43致謝45第 ii 頁 共 頁畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。

3、盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨Ｗ?/p>

4、者簽名： 日 期： 學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制

5、手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態度、工作精神 優 良 中 及格 不及格2、學生掌握專業知識、技能的扎實程度 優 良 中 及格 不及格3、學生綜合運用所學知識和專業技能分析和解決問題的能力 優 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 優 良 中 及格 不及格5、完成畢業論文（設計）期間的出勤情況 優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格

6、 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格建議成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）指導教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？

7、 優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格建議成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 優 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優 良 中 及格 不及格3、學生答辯過程中的精神狀態

8、優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格評定成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學系意見：系主任： （簽名）年 月 日1 緒論1.1 研究目的

9、及意義光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術發展而迅速發展起來的一種以光為載體、光纖為媒質、感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術。光纖布拉格光柵是用光纖布拉格光柵（fbg）作敏感元件的功能型光纖傳感器，以其抗電磁干擾、靈敏度高、體積小等優點，越來越廣泛應用于傳感器領域。將其埋入材料或者結構，以通過光纖布拉格光柵傳感器的傳感特性監測內部的物理變化如應變、溫度、壓力，進行全面有效的在線實時監測，增加對材料制造過程中以及工作期間的狀態透明度。與傳統的傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨特的優點:1.傳感頭結構簡單、體積小、重量輕、外形可變，可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等，穩定性、重

10、復性好;2.易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;3.具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環境中工作;4.輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時分復用系統相結合，實現分布式傳感;5.光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及禍合損耗、以及光波偏振態的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力;6.高靈敏度、高分辨力。正是由于這些獨特的優點，使得光纖布拉格光柵已成為目前最具有發展前途，最具有代表性的光纖無源器件之一，其應用領域也日漸擴展。溫度傳感是光纖布拉格光柵傳感器最重要的應用之一。光纖布拉格光柵反射波長的漂移量是其在溫度傳

11、感理論中的重要參數。作為溫度傳感元件，人們希望光纖布拉格光柵具有大的溫度靈敏度，以期獲得高的溫度分辨率。然而，由于光纖光柵材料的熱光系數和熱膨脹系數都較小，光纖光柵的溫度靈敏度非常低，并且裸光柵本身易損壞，這些問題嚴重影響著光纖光柵在傳感領域的應用。并且，光纖布拉格傳感器在進行高溫測試時能測量的溫度有所局限，不能滿足目前某些特定領域的測量。因此，為了解決這些問題，本課題著重對用光纖布拉格傳感器應用到高溫測試以及光纖布拉格溫度傳感器響應時間測試進行研究。1.2 光纖光柵發展歷史1978年，加拿大渥太華通信研究中心的kohill等人首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導產生光柵的效應。他們使用488nm氬離

12、子激光照射摻鍺的光纖，在光纖中產生駐波干涉條紋，制成纖芯折射率沿軸向周期性分布的光纖光柵。在摻鍺的單模光纖中，行波場通過光纖端面的反射在光纖中形成一個駐波場，光纖中形成了持久的周期性折射率改變，與寫入光駐波場空間分布相同的，這種折射率的周期性變化形成了一個光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，fbg)。用這種方法制作的反射濾波器的反射率可以達到接近100的飽和值，對溫度和應力都很敏感，開辟了光纖光柵傳感器研究與應用的新領域。此后，由于寫入效率低等原因，其進展緩慢。1981年，加拿大mcmaster大學dkwlam等人研究了摻鍺石英光纖折射率變化與照射激光功率之間的關系。研究結

13、果顯示摻鍺石英光纖的光敏現象可能是雙光子過程，折射率變化與激光器功率平方成正比，用244nrn的光源代替488nm的光源，光纖的敏感性可能成倍提高1。1989年，美國聯合技術研究中心的g·meltz等人發明了紫外光側面寫入光敏光柵的技術，首次利用244nmkrf準分子激光器，采用雙光束側面全息干涉法研制成功bragg光纖光柵濾波器。這不僅有效地提高了光纖光柵的寫入效率，而且還可以通過改變兩束相干光的夾角對光纖光柵波長進行調控，光纖光柵的實用化向前邁了一大步。1993年，kohill等人提出了位相掩模寫入技術和逐點寫入法，極大地放寬了對寫入光源相干性的要求，重復性好，使光纖光柵的制作更

14、加靈活，光柵的批量生產也成為可能2。同年，董亮等人還提出了在線成柵法，在光纖拉制過程中對光纖逐點寫入形成光柵。這免去了光纖光柵制作時剝去光纖涂覆層的工序，適于大規模制作高反射率、窄線寬的光纖光柵。1993年1月，klwilliams等人在研究光纖對紫外光的敏感性時發現，摻geb光纖對紫外光具有更好的光敏性。同年6月，at&t貝爾實驗室的pjlemaire等人提出了載氫的方法來提高光纖的光敏性。這種方法適用于摻鍺、摻磷光纖，現已成為制作光纖光柵的重要步驟。1994年6月，r·kashyap等人利用線性階躍啁啾相位模板研制成功線性啁啾光纖光柵，它由n段均勻光柵組成。這種方法的關鍵

15、是利用電子束曝光設備制作階躍啁啾相位模板，然后利用離子倍頻激光器和相位模板在光敏光纖上制作啁啾光纖光柵。1994年12月，eggleton等人利用振幅模板在光纖上刻出取樣光柵。這種光柵利用空間上的取樣在頻譜中造成多個反射峰，可制作多信道器件。1996年，董亮等人研制出包層摻雜稀土元素具有光敏性的光纖，較好地解決了常規光柵的短波損耗問題，為光柵的寬帶化開辟了道路。此后，世界各國對光纖光柵及其應用的研究迅速開展起來。光纖光柵的制作及光纖光敏化技術不斷取得新的進展，其制作技術也不斷提高和完善。隨著研究的不斷深入，光纖光柵的優良特性也逐步展現出來，如成本低，穩定性好，體積小，抗電磁干擾性好，感應信息被

16、波長編碼等，尤其傳感器本身就是由光纖制作而成，便于與光纖結合，使得全光纖化的一維光子集成測控系統成為可能。光纖光柵的研制成功，成為繼摻雜光纖放大器技術之后，光纖領域的又一重大突破3。1.3 光纖光柵傳感的優點與傳統的傳感器相比，光纖光柵傳感具有很多獨特的優點4：1.抗電磁干擾，電絕緣，本質安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣的傳輸媒質，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這些特性使其在各種大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆的環境中能方便有效的傳感。2.耐腐蝕。由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料組成，忍耐環境中酸堿等化學成分的能力強，適合

17、于智能結構的長期健康監測。3.測量精度高。光纖傳感器采用光測量的技術手段，一般為微米量級，采用4波長調制技術，分辨率可達到波長尺度的納米量級，利用光纖和光波干涉技術使光纖傳感器的靈敏度優于一般的傳感器。其中，有的已有理論證明，有的已經通過實驗驗證，如測量水聲、加速度、輻射、溫度、磁場等物理量的光纖傳感器。4.結構簡單，體積小，重量輕，耗能少。光纖傳感器都基于光在傳感器中的傳播機理進行工作，因而與其他傳感器相比耗能相對較少。5.外形可變。光纖遵循hook定律，在彈性范圍內，光纖受到外力發生彎曲時纖芯軸內部分受到壓縮作用，芯軸外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于彈性作用，光纖能自動恢復原狀。光纖可

18、撓的優點使其可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應用。6.測量對象廣泛?？梢圆捎煤芟嘟募夹g基礎構成測量不同物理量的傳感器，這些物理量包括壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。7.傳輸頻帶較寬。通常系統的調制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統的位于射頻段或者微波段的頻率高出幾個數量級，因而其帶寬有巨大的提高，便于實現時分或者頻分多路復用，可進行大容量信息的實時測量，使大型結構的健康監測成為可能。8.便于復用，便于成網。能夠用一根光纖測量結構上空間多點或者無限多自由度的參數分布，是傳統的機械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實現的功能

19、，是傳感技術的新發展。光纖傳感器可很方便的與計算機和光纖傳輸系統相連，有利于與現有光通信網絡組成遙測網和光纖傳感網。1.4 光纖光柵傳感的發展和應用情況溫度、壓力、應變等參數是光纖傳感器能夠直接傳感測量的基本物理量，同時也是其它各物理量傳感的基礎，即其它各種物理量的傳感都是以光纖傳感器對應變、壓力、及溫度的感知為基礎而衍生出來的。自光纖傳感器產生以來，即獲得了廣泛的應用，按照光纖傳感器應用的領域劃分，光纖傳感器可應用于：地球動力學、航天器及船舶、民用工程結構、電力工業、醫學、化學測量、軍用監控及告警技術、智能結構及機器人等領域中5-15。1.在民用工程結構中的應用民用工程的結構監測是光纖傳感器

20、應用最活躍的領域。力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和正常工作與否的監測是非常重要的。通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及正常與否。光纖傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監視結構的缺陷情況。另外，多個光纖傳感器可以串接成一個傳感網絡，對結構進行準分布式檢測，也可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。1993年raymond mmeasures等人首先開始了光纖光柵傳感器在橋梁的實際監測應用。加拿大卡爾加里市建造的beddington trail大橋采用了三種預應力筋：傳統鋼筋，碳纖復合拉索(

21、carbon fiber composite cabel)，碳纖拉桿(carbon fiber leadline rod)。為了完成三種預應力筋的性能對比分析，raymond mmeasures等人在這些預應力筋上布置了光纖光柵傳感器，實現結構應力狀態的長期監測。1996年，davisma在美國新墨西哥拉斯克魯塞斯市的i-10橋安裝了60個fbg光纖傳感器，成功地實現了對橋梁的動態響應的測量，從而可以監視動態載荷引起的結構退化和損傷，了解橋梁的交通狀況的長期變化。1998年佛蒙特大學的研究小組在waterbury的一座67米的鋼構架大橋上安裝了結構健康監測系統，測量數據傳輸到中心計算機分析并可

22、從互聯網獲取分析結果。2002年kunzler marley等人為美國波特蘭市i-84高速公路研制了光纖光柵交通監測系統，2003年又推出了第二代交通檢測系統。在歐洲，1997年nellen pm等人在瑞士溫特圖爾的storck大橋的碳纖拉索上同時粘貼了光纖傳感器和電阻應變計，該系統連續運作了幾年。2001年gebremichael ym等在挪威的長度為346m的鋼架公路橋通過空分復用和波分復用fbg傳感器，構建了一個實時靜態和動態監測系統。同年magne sylvain等在法國工業部的支持下，在波爾多地區的saint-jean大橋貼裝了14個波分復用的光纖光柵張力計和光纖光柵溫度計，監測系統

23、經受住了寒暑季節的變化的考驗。2002年hofmarm. d, habel, w等人對柏林lehrter bahnhof預應力鐵路橋的應變和傾度進行了測量。2.在航空航天領域的應用航空航天業是一個使用傳感器密集的地方，為了監測一架飛行器的壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機翼和方向舵的位置等，所需傳感器非常多，而且對傳感器的尺寸和重量要求非常嚴格。使用先進的抗疲勞、重量輕、強度高的復合材料是制造航空航天結構的一個必然趨勢。如在復合材料的制造過程中埋入尺寸小、重量輕、靈敏度高的光纖光柵傳感器，就可實現對飛行器在運行過程中的實時健康監測和性能監視，這可以減少飛行器重量、縮短檢查時間、降低維護

24、成本，從而改善其性能。因此，航空航天業對光纖光柵傳感技術非常重視，僅波音公司就注冊了好幾個光纖光柵傳感器的專利。東京大學的kbaashima等人將40pe細徑光纖光柵埋入衛星表面的復合材料中，來監測衛星表面的破損情況，他們在應用前對復合材料進行了拉伸試驗，試驗證明細徑光纖光柵不會影響復合材料的堅固性。3.在石油工業的應用石油化工屬于易燃易爆的領域，在油氣管道、儲油罐和油氣井等地方應用電類傳感器存在很大的不安全因素。高溫操作和長期穩定性的要求也限制了電類傳感器在石油化工中的應用。永久連續的油田井下監測有利于油田的管理、優化和發展，光纖光柵傳感器因其抗電磁干擾、耐高溫、長期穩定并且抗高輻射非常適合

25、用于井下傳感。nellne等人通過力學傳遞機制將液體壓力轉變成光纖光柵的應變，制成光纖光柵液體壓力傳感器和光纖光柵溫度傳感器來監測油井內部的油壓和溫度變化。4.在地球動力學中的應用在地震檢測等地球動力學領域中，地表驟變等現象的原理及其危險性的估定和預測是非常復雜的，而火山區的應力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關鍵活動范圍演變的最有效手段。光纖傳感器在這一領域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學地震儀等方面?；顒訁^的應變通常包含靜態和動態兩種，靜態應變(包括由火山產生的靜態變形等)一般都定位于與地質變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動態應變則能夠在與

26、震源較遠的地球周邊環境中檢測到。為了得到相當準確的震源或火山源的位置，更好地描述源區的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應力應變測量儀。光纖傳感器是能實現遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網絡化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學領域中無疑具有較大的潛在用途。5.在電力工業中的應用光纖傳感器因不受電磁場干擾、可實現長距離、低損耗傳輸，已成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖傳感器進行測量。在自然環境中，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發危險，因此需要在線檢測電線的壓力情況，特別是對于那些不易檢測到的山區電線。光纖傳感器可測電線的載

27、重量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應力變化被粘于金屬板上的光纖傳感器探測到。這就是利用光纖傳感器實現遠距離惡劣環境下測量的實例。在這種情況下，相鄰光纖傳感器的間距較大，故不需快速調制和解調。此外，最近還報道了由兩個550111n波段的光纖和解調用的光譜儀所組成的傳感器，成功地測量了高壓變壓器的繞線溫度，在較大溫度范圍內的測量精度為±1。1.5 存在的問題光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著廣闊的發展。迄今為止，已有的光纖光柵傳感技術還存在著以下的不足：1.現有的光纖光柵傳感器都是針對特定結構特殊加工制造的，用于傳感的光纖光柵往往對多種信號

28、敏感，其中最重要的是溫度與其他測量分量的交叉敏感，這就需要設置相應的溫度補償裝置或采用單一敏感的調制解調技術。2.信號解調：實驗中一般采用光譜分析儀，但它價格昂貴、體積大，尤其是不能輸出與被測物理量成正比的電信號，因此在實用中必須開發出高效低成本的信號解調系統。3.封裝后的光纖光柵傳感器的傳感機理還需要進一步研究，盡最大可能的提高封裝的光纖光柵傳感器傳感的靈敏度系數。4.光纖光柵傳感器常在動態系統中應用，對其動態響應特性的研究是很重要的一方面，但目前尚無人進行研究。5.光源：光纖光柵傳感器需用大功率寬帶光源或可調諧光源：目前一般采用的側面發光二極管(eled)功率較低，而激光二極管(ld)的帶

29、寬則較窄。6.波分復用、時分復用的多路傳感器陣列研究：實現多參數、多變量同時測量的智能化遙測是發展的重點。7.進一步完善現有的光柵寫入方法和封裝技術，發展新的寫入方法，尤其是啁啾光柵的寫入方法，降低光纖光柵的成本，提高其使用壽命。1.6 論文的主要內容及工作本論文對光纖布拉格光柵溫度傳感器響應時間測試系統設計進行研究。1.查閱資料了解光纖傳感技術的發展現狀；2.掌握光纖布拉格傳感器的原理和測試方法；3.選擇合理的設計方案，實現利用光纖布拉格傳感器進行高溫測試的設計；4.合理的設計溫度傳感系統結構，溫度測試范圍10002000；5.合理設計光纖光柵溫度傳感器的響應時間測試系統結構；6.做實驗測試

30、裸光纖和鎧裝光纖的響應時間，并分析封裝結構對響應時間的影響。 第 8 頁 共 45 頁2. 光纖光柵的簡介2.1 光纖光柵的分類從光纖光柵的出現至今已有30幾年了，出于實際應用的需要，人們研制出了各種用途、特性各異的光纖光柵。歸結起來可以分為兩大類：均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。1.均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向均勻且折射率調制深度為常數的一類光纖光柵。這類光纖光柵的典型代表有光纖布拉格光柵、長周期光柵和閃耀光纖光柵等。1）光纖布拉格光柵(fbg)16：又稱短周期光柵或反射光柵，光柵的波矢方向與光纖軸向方向一致，其柵格周期小于1um，一般為0.5nm量級，折射率調制深度典型值為。其折射率分

31、布為。能量耦合發生在兩個反向傳輸的模場中，這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬()和較高的反射率(100)。其反射帶寬和反射率可以根據需要，通過改變寫入條件而加以靈活地調節，這是最早發展起來的一類光纖光柵，也是最常見、應用得最廣泛的光纖光柵。2）長周期光纖光柵(long period grating lpg)17：顧名思義，這種光柵的周期比普通的布拉格光柵要長，大于100umm，一般在數百個微米量級。它是將前向導波模耦合到不同級次的包層模之中去，其作用相當于一種波長可選擇的濾波元件。長周期光柵的工作原理是通過選擇一定的光柵周期，使得基模與一個前向傳播的包層模滿足相位匹配條件 (其中和分別表示導波的基

32、模和耦合產生的傳輸常數，是長周期光柵的周期)的特定波長發生耦合，使光在包層中因吸收和散射而損耗掉。由于耦合發生在前向導波模之間，長周期光柵是一種透射型光柵，它的背向反射極低，約為-80db。它在光纖通信系統中有重要的作用，如可以制成模式轉換器、各種濾波器、以及作為光纖放大器(edfa)增益平坦濾波元件。3）閃耀光纖光柵(blazed fiber bragg grating)18：也稱為傾斜光柵(tilted fiber grating)。在制作光柵的過程中，讓紫外光通過相位掩模后的照射方向與光纖軸不垂直，結果干涉條紋與纖芯成一定得角度，也就是說光柵波矢方向與光纖軸線方向不一致，從而形成閃耀光柵

33、。這種光柵不但能引起反向導波模耦合，而且還能將基模耦合到包層模中損耗掉。基于閃耀光纖布拉格光柵的包層模耦合形成的寬帶損耗特性，可將其用于摻鉺光纖放大器(edfa)的增益平坦。2.非均勻光纖光柵：柵格周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調制深度不為常數。從柵格周期與折射率調制深度等因素考慮，這類光纖光柵的典型代表有線性啁啾光纖光柵、分段啁啾光纖光柵以及非均勻特種光纖光柵等。1）啁啾光纖光柵(chirp grating)19：柵格周期沿光纖軸向方向是變化的，最常用的啁啾光纖光柵是線性啁啾光纖光柵。這種光柵的纖芯折射率沿軸向呈線性單調變化。這種光柵的折射率分布函數可表示為：。其中，是有效折射率；v為折射率變

34、化的條紋可見度；用來表示光柵的啁啾。由于不同的柵格周期對應于不同的反射波長，因此線性啁啾光纖光柵能夠形成很大的反射帶寬和穩定色散，其寬度足以覆蓋整個脈沖的譜寬，因此可以構成寬帶濾波器，在波分復用(wdm)通信系統的用于色散補償。2）非均勻特種光纖光柵：采用特定形式的函數對光纖光柵(布喇格或啁啾光纖光柵)的柵格周期或折射率調制深度進行調制，將得到具有特殊性能的啁啾光纖光柵。典型的有如下幾種：a.相移光纖光柵20：相移光纖光柵就是通過些方法破壞光纖光柵折射率分布的連續性，在均勻周期光纖光柵的某些特定點上產生相移。比如破壞布喇格光柵某些點的周期連續性后，增加光柵的透射性，這就使得對選擇波長的能力增強

35、。b.莫爾光纖光柵21：是采用兩組具有微小周期差異的紫外條紋對光纖同一位置進行二次暴光所得到的光柵。其光譜特征是在反射帶中開個很窄的透射窗口，它實際相當于一個相移光柵。c.切趾光柵22：切趾光柵是采用特定的函數形式對光纖布拉格光柵的折射率調制深度進行調制而形成的光柵。光柵的折射率分布有中間向兩端逐漸遞減至零，使得折射率不會突變，因而不存在旁瓣。其反射譜的形狀可以通過改變其調制函數及有關參數而得到控制。利用切趾光柵能改善光譜的特性，可以將其用于光纖通信系統中的色散補償及多波長激光器的制作。d.超結構光纖光柵23:超結構光纖光柵就是利用波函數對光纖布喇格光柵或啁啾光纖光柵的折射率分布進行調制而形成

36、的光柵。這種光柵的反射譜具有一組分立的反射峰。2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝研究隨著光纖光柵制造技術的不斷完善與應用成果的日益增多，光纖光柵成為目前最有發展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一，易于組網復用，實現準分布式測量，可以運用在惡劣環境的場合，是傳統傳感器的理想替代品。由于裸的光纖光柵直徑只有125um，在惡劣的工程環境中容易損傷，只有對其進行保護性的封裝（如埋入襯底材料中），才能賦予光纖光柵更穩定的性能，延長其壽命，傳感器才能交付使用。同時，通過設計封裝結構，選用不同的封裝材料，可以實現溫度補償、應力和溫度的增敏等功能，這類“功能型封裝”的研究也正逐步受到重視。因此，近幾年，光

37、纖光柵高溫傳感器的封裝技術一直是光纖傳感領域具有實際應用價值的課題。2.2.1 現有封裝工藝分析(1)自由式封裝工藝fbg除對溫度敏感以外，還對外界應力敏感，如何消除應力帶來的影響也是光纖光柵傳感器實際應用中必須考慮的問題。光柵自由式封裝工藝就是使光纖光柵處于自由狀態，不受應力的影響或影響很小。其封裝示意圖如圖2.1。圖2.1 自由式封裝示意圖經封裝后，由于fbg彎曲，盒內fbg兩端的光纖處于松弛狀態，便軸向應力不會傳遞到fbg上；外面的封裝盒起到保護和屏蔽外壓的作用，從而使光柵不會受到外界壓強和壓力的影響，小槽內填充物為導熱體，不固化，對外界應力有緩沖和吸收的作用，因此，光纖bragg光柵的

38、波長漂移量僅受溫度的影響，不會受到外界應力的影響。(2)灌封式封裝工藝在進行溫度傳感器設計時，開始考慮用封裝膠封裝在細金屬管中，將光纖光柵放置到預先設計的金屬套管中，施加一定的預應力以保證灌封以及固化過程中光纖光柵始終處于伸直狀態。結構如圖2.2，在灌封過程中將金屬套管傾斜，然后沿套管緩慢注入聚合物液體，防止氣泡的產生，不能完全將金屬套管灌滿，需留有一定空間裕度，以保證聚合物材料受熱后能完全膨脹，避免光纖光柵溫度響應的非線性。圖2.2 灌封式封裝示意圖(3)兩點式封裝工藝所謂兩點式封裝就是將光纖光柵兩端固定，使光柵處于拉緊狀態，即封裝時給光纖光柵施加一定的預應力，結構如圖2.3，在封裝過程中調

39、節光纖光柵波長，可以使光纖光柵始終保持張緊狀態，避免封裝過程中由于光纖光柵自由狀態的不確定而在溫度變化中波長溫度特性的不穩定，保證了光纖光柵的線性和重復性。在溫度升高的過程中，光纖光柵同時受到金屬管的軸向拉應力，因此，其波長的漂移是溫度和軸向拉力共同作用的結果，從而提高了光纖bragg光柵的溫度靈敏度。圖2.3 兩點式封裝示意圖(4)貼附式封裝工藝貼附式封裝是將光纖光柵粘敷在某種具有對溫度敏感的有機物、金屬、合金及特殊彈性體表面的技術。采用一種耐高溫膠將光纖bragg光柵封裝于基底材料上，利用基底材料的熱膨脹系數比光纖bragg光柵大，利用基底材料的帶動作用使光柵反射波長變化，該溫度傳感器尺寸

40、小、封裝方法簡單，結構如圖2.4。圖2.4 貼附式封裝示意圖2.2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝上述四種溫度封裝方法，在各自的應用領域各有其優缺點。對于自由式封裝工藝，雖然這種封裝工藝可以屏蔽外界環境應力對光柵測量溫度的影響，但操作很困難，且測量溫度不高，一般低于100；對于灌封式封裝工藝，由于金屬管很細，很難將膠均勻地密封在細鋼管中且由于給光纖光柵施加預應力比較困難，光纖光柵在封裝后，處于相對自由狀態，可能彎曲，且彎曲方向不固定。所以，細金屬管和光纖光柵之間是一種不確定的關系，在溫度升高時，波長漂移的線性度不好，重復性不好。如果選用聚合物膠，由于聚合物在固化過程中，發生收縮，會產生光纖光

41、柵的啁啾化，測量溫度低于180；對于兩點式封裝工藝，給光纖光柵施加一定的預應力，避免封裝過程中由于光纖光柵自由狀態的不確定而在溫度變化中波長溫度特性的不穩定，但在高溫情況下，兩端粘結點處的涂敷層容易脫落，從而使光纖光柵溫度傳感出現非線性或傳感失效；貼附式封裝工藝雖然有封裝簡單、傳感器微型化的優點，但由于受到選膠、高溫高壓固化和粘貼工藝等因素的嚴格制約，難以作到均勻和剛性粘貼，因此其實用化程度和高精度化程度受到了限制。光纖光柵的封裝是光纖光柵高溫傳感技術中不可回避和逾越的問題，對于光纖光柵高溫傳感技術來講，封裝工藝和常溫下傳感器的封裝工藝相比，要求更高，在設計的過程中必須注意以下問題：1封裝可操

42、作性強。光纖光柵的封裝工藝是光柵傳感器走向實用化的關鍵技術，封裝工藝必須簡單、固化過程容易實現。2封裝材料能優化溫度靈敏度和測量范圍之間的關系。在測量范圍確定后，須盡量提高溫度靈敏度。而一階響應靈敏度系數越大，其線性度越好，非線性現象越不明顯，即基體材料的熱膨脹系數越大，在高溫段的非線性的影響越小，線性度相對越好。2.3 光纖光柵制作技術自1978年人們首先在摻鍺光纖中成功地寫入光纖光柵后，光纖光柵的制作正式開始。從1989年橫向干涉法出現至今，光纖光柵制作技術已趨于成熟。采用適當的光源（紫外光源或激光器等）和光纖曾敏(參雜光纖或高壓載氫)技術，幾乎可以在各種類型的光纖上程度不同地寫入光柵，目

43、前行之有效的方法可以分為三類：干涉寫入法、逐點寫入法及組合寫入法。2.3.1 干涉寫入法1.駐波干涉法 亦稱縱向駐波法或者內部寫入法。成柵機制：注入光纖的入射光和從光纖另一端面返回的反射光在光纖內形成的駐波，經過一點時間曝光后使纖芯的折射率形成周期性分布。優點：裝置較簡單，操作要求低。缺點：光柵波長與寫入波長一致，成柵單一受限。2.全息相干法亦稱橫向相干法或者外側寫入法。成柵機制：兩束振幅分束的相干光在光纖中曝光，由干涉產生的周期性光強分布使纖芯的折射率形成周期性分布。優點：激光能量低，可靈活選擇光柵波長。缺點：對光源的空間相干性、時間相干性及周圍環境要求很高。3.模版衍射法1）相位掩膜法相位

44、掩膜法又稱相位光柵衍射相干法。成柵機制：入射的紫外光經相位模板空間調制，在模板后形成不同周期的衍射條紋，使纖芯的折射率形成周期性分布。優點：穩定，重復性好，對光源的相干性要求較低，適于大規模生產。缺點：每塊模板只能制造固定或稍有差異周期的光纖光柵，且需嚴格控制相位模板的刻蝕深度和占空比，高質量的模板造價高。2）振幅掩膜法振幅掩膜法亦稱振幅光柵衍射相干法。成柵機制：紫外光入射到振幅模板后，經過一個光學系統將振幅模板圖像精縮并成像于光纖上，使纖芯的折射率形成周期性分布。優點：與相位掩膜法相比，模板制作相對簡單，成柵周期大。缺點：無法制作出一階反射波位于1550nm附近的fbg，對光學系統要求很高。

45、2.3.2 逐點寫入法逐點寫入法亦稱點點寫入法。成柵機制：將聚焦激光束投射到由精密機構控制位移的光纖上，通過軸向移動對光纖曝光，使纖芯的折射率形成周期性分布。優點：靈活性高，光柵參數（長度、周期及折射率輪廓）可調控，適用于在線寫入。缺點：需要復雜的聚焦光學系統和精確的位移移動技術，光柵制作耗時長，成柵效率低。2.3.3 組合寫入法組合寫入法是將前述各種寫入方法與寫入裝置進行有機組合，同時考慮光源性質及光纖的制作及連接等因素，可以制作結構豐富、形式多樣、性能優異的光纖光柵。主要有以下幾種寫入方法：(1)兩次曝光法基于相位掩膜法。首先，用一不透光擋板沿光纖軸向勻速（或非勻速）移動，同時用均勻紫外光

46、對光纖曝光，形成一個漸變的折射率梯度；然后，再通過相位模板在第一次曝光區域上寫入周期均勻的光柵。該法適用于各種類型啁啾光纖光柵的制作。(2)變跡曝光法基于相位掩膜法，通過曝光光束的輸出功率控制及變速掃描相位模板以控制纖芯折射率分布的包絡變化。該法適用于非均勻特種光纖光柵的制作，但曝光光束的輸出功率及掃描速率須精確調控。(3)外場作用法基于相位掩膜法，但在曝光時同時對芯徑均勻光纖施加外場（如應力拉伸與彎曲、力矩扭曲、溫度變化等）以控制纖芯的折射率分布。該法適用于多鐘結構的非均勻光纖光柵的制作，但外場的施加與分布須精確調控。(4)在線寫入法是全息相干法與逐點寫入法的有機組合。在光纖拉制過程及纖芯未

47、包層之前將光柵寫入光纖。改變脈沖激光功率、干涉光束的交角及光纖拉制速度，可靈活地調控光柵參數。該法對大批量生產光纖光柵及在同一根光纖上制作光纖光柵陣列具有重要的應用價值。(5)刻槽拉伸法首先用精密切割機對光纖進行精密性機械刻槽；然后用氫氣火焰對v形槽區域的光纖進行拉伸退火，導致纖芯折射率的周期性變化。該法適用于制作長周期光纖光柵，對機械加工的精度要求較高，目前很少被采用。(6)透鏡陣列法設計一種相互無間隙的微透鏡陣列，將一平行的寬束準分子激光聚焦成平行等間距的光條紋投影到單模光纖上，使纖芯折射率呈現周期性的變化，光柵周期由微透鏡之間的中心距離決定。該法可快速制作布拉格及長周期光纖光柵，但微透鏡

48、模板的制作非常困難。(7)激光寫入法采用1.6um自由空間激光器對光纖直接曝光并輔以計算機平臺控制，可制作周期不同的長周期光纖光柵。該法無須紫外光，光纖亦不用載氫處理，具有良好的應用前景24。第 16 頁 共 45 頁3. 光纖布拉格光柵傳感原理3.1 光纖光柵傳感原理光纖bragg光柵傳感器的基本原理是:當光柵周圍的溫度、應變、應力或其它待測物理量發生變化時,將導致光柵周期或纖芯折射率的變化,從而產生光柵bragg信號的波長位移,通過監測bragg波長位移情況,即可獲得待測物理量的變化情況。如圖3.1為光纖bragg 光柵的傳感原理圖。圖3.1 光纖布拉格光柵傳感原理光纖布拉格光柵是通過改變

49、單模光纖芯區的折射率,使其產生小的周期性調制而形成的。將光纖置于周期性空間變化的激光光源下,即可在光纖纖芯中產生這種折射率變化,由于周期性折射率的擾動僅會對很窄的一小段光譜產生影響,這樣光纖光柵實際上就起到了光波選擇反射鏡的作用, 當光柵所受應變和其周圍溫度發生變化時,會導致其芯區的有效折射率和光柵周期的變化,從而使布拉格波長發生偏移(如圖3.1)。 通過檢測的偏移量,即可獲得相應的應變和周圍的溫度大小,這就使得fbg可以作為傳感器。當光纖布拉格光柵受到外力作用產生應變時,光柵周期將發生變化,同時有效折射率由于彈光效應也會發生變化，如圖3.2所示。圖3.2 光纖傳感器原理結構圖3.2 光纖布拉

50、格光柵耦合模理論耦合模理論是詮釋光波在波導中的物理行為即波導中的同類模和不同類模之間功率交換行為的基本方法，亦是分析光纖光柵的最有效方法。3.2.1 光纖布拉格光柵特性光纖布拉格光柵是由于紫外光在光纖纖芯內的干涉，使纖芯折射率被調制成周期性變化，形成空間相位光柵。其結構如圖3.3所示。圖3.3 光纖布拉格光柵結構由于纖芯折射率發生變化導致光波導條件的改變，讓特定波長的光波發生相應的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現奇異性。對于階躍光纖，在光纖的曝光區域，可以由下列表達式給出折射率分布較為一般的描述25： (3.1)式中為光致折射率變化函數，其表達式為： (3.2)很顯然，當0<

51、;z<l時，即在光柵折射率調制區域內有： (3.3)而在柵區以外，即z>l，由于折射率的不變，則： (3.4)上面式子中，為光纖纖芯半徑；為光纖包層半徑；為相應的纖芯初始折射率；為包層折射率；為光致折射率變化；為空氣的折射率；為折射率最大變化量?；诠饫w光柵的非均勻分布，非均勻性主要包括光柵周期以及折射率調制的漸變性以及折射率調制在橫截面上的非均勻分布等?？梢灾苯硬捎酶盗⑷~級數的形式對折射率周期變化或準周期變化進行分解?？刹捎孟铝械囊话愫瘮祦砻枋龉庵抡凵渎首兓?(3.5)式中表示由于纖芯對紫外光吸收作用而造成光纖橫向界面曝光不均勻性或其它因素造成光纖軸向折射率調制不均勻性，表示光柵傳播常數，為光柵