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光纤布拉格光栅(FBG)技术原理

光纤布拉格光栅是通过将单模光纤纤芯横向暴露在具有周期性图案的强紫外光下而制作而成的。强紫外光的曝光会永久增大光纤纤芯的折射率,根据曝光图案产生固定的折射率调制。这种固定的折射率调制被称为光栅。

光纤布拉格光栅是通过将单模光纤纤芯横向暴露在具有周期性图案的强紫外光下而制作而成的。强紫外光的曝光会永久增大光纤纤芯的折射率,根据曝光图案产生固定的折射率调制。这种固定的折射率调制被称为光栅。

在每个空间周期性折射率变化处会有少量光发生反射。当光栅周期约为入射光波长的一半时,所有反射光相干组合成一束具有特定波长的大反射。这被称为布拉格条件。实现入射光发生反射的波长被称为布拉格波长。其它波长的光信号几乎不受布拉格光栅影响,将透过光纤光栅继续传输。该原理请参考示意图1。

Figure 1: Working principle of FBG

因此,当光通过光栅进行传播时,几乎不会发生信号衰减或信号变化。只有满足布拉格条件的波长才会受到影响并产生强烈反射。精确预设和维持光栅波长的性能是光纤布拉格光栅(FBG)的基本特征和优势。
反射光中心波长满足以下布拉格等式:λBragg = 2nΛ, 其中n为折射率,Λ为光栅周期。由于参数n和Λ受温度和应变影响,布拉格反射光的中心波长也会随着温度或应变,或者两者兼有的变化而变化,请参考示意图2。此现象是众所周知的,因此可根据反射光中心波长变化的大小来确定待测部位相应物理量的变化。

Figure 2: FBG response as function of strain

 

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