实验-光纤光栅温度传感.docVIP

实验名称 光纤光栅温度传感实验 一 实验目的 1、了解在光纤的纤芯中制作光栅的基本方法（光纤光栅的制作）； 2、掌握光纤光栅信号传输的原理； 3、掌握光纤光栅温度传感的原理； 4、进一步掌握新的光纤光栅布喇格波长的检测方法（长周期光纤光栅线性滤波解调方法）； 5、掌握普通光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。 二 实验仪器 ASE自发辐射宽带光源，光纤跳线，法兰盘，光谱仪（单模通信光纤接口），光纤耦合器（测反射谱峰值时用，测透射谱峰值不需要），温度控制仪（模拟实际测量温度场），光纤熔接机（代价大，仅限备用） 三 实验原理 1. 光纤布喇格光栅原理 光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为： （1） 式中 F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性： 式中 a1 为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。 因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。 图1 光纤光栅折射率分布示意图 为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐变函数φ(z)，以及采用 △n(r）代表折射率调制来描述。为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列 一般性函数来描述光致折射率变化： (2) 式中Fo(r,φ,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,φ,z）max＝ l , 这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；kg＝ 2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为光栅周期； q 为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合； aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数，对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开。可以得到光栅区的实际折射率分布为 （3） 该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。 光纤布喇格光栅的制备 系统所用的光纤光栅是利用紫外光的相位掩模法写入的。为增加光纤的光敏性，通常在石英纤芯材料中掺入一定量的锗，浓度一般大约是在3％mol( 去涂覆层( 扩束光系统准直( 光器件逐件插入( 采用He-Ne激光器对准( 光纤相位版压紧过程中螺钉均横拧紧( 放到辐照支架上制备等几个主要步骤。在制备光纤光栅的过程中应注意应该注意通过光谱仪对光栅的实际生长过程进行实时的监测。 为了在较短的时间内去除光纤中的氢气，提高光栅的稳定性，通常采用高温退火的方法。所谓的高温退火就是将光栅在温度高达几百摄氏度的环境中放置一段时间，通常在十几至几十个小时左右。而且具体的退火温度应控制恰当。光纤光栅的实际制作涉及很多细节的方面，例如：对于制作不同长度的光栅，可以对紫外激光光斑进行聚焦或者是扩束，或者采用扫描的方法；光纤和振幅掩模板在光栅制作的时候一般是保持垂直，但是有时候也可以通过调节它们的夹角来对光栅的周期进行微调；在对光栅刻制的实时监控时必须考虑由于光栅区温度的明显升高导致谐振波长的变化等等。 3. 光纤布喇格光栅的温度传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出： (4) 这里λUV是紫外光源波长，θ是两相干光束之间的夹角。 由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光谱中传播时，入射光将会在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先由威廉．布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件称为布拉格条件。在布拉格光栅中，反射波