光纤光栅（FBG）技术详解：从基础原理到传感应用
光纤光栅（FBG）技术详解：从基础原理到传感应用
光纤光栅（FBG）技术是现代光纤通信和传感领域的重要组成部分，它利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯中刻写周期性折射率变化的光栅结构，实现对光波的精确调控。这种技术不仅能够实现高精度的光波长选择和滤波，还能够通过监测光栅反射波长的变化，实现对温度、应力等物理量的高灵敏度传感。本文将详细介绍光纤光栅的基本原理、结构特点以及其在传感领域的应用和解调方案。
光栅
由大量间距规律变化的平行狭缝构成的光学器件被称为光栅，其中最常见的是平行狭缝间距宽度相同的等间距光栅。
常用的等间距光栅大多数被刻写在玻璃片、金属片、塑料板上，刻痕可以是不透光的，也可以是部分透光的。但是两刻痕之间的光滑部分一般都是可以透光的。
精致的光栅在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕，由于光栅栅距（光栅周期）与光波波长接近，因此其衍射光或者是透射光会产生光波的干涉现象。
其中利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。
光纤光栅
把上述大量间距规律变化的平行狭缝利用光纤材料的光敏性刻写到光纤纤芯上，就构成了光纤光栅。
其中光栅栅距（光栅周期）均匀一致的光纤光栅被称为布拉格光栅（FBG），布拉格光栅的反射波非常小；布拉格光纤光栅的反射点之间的距离总是相等的。光栅包括了无数个可反射特定波长的反射点。
布拉格光纤光栅结构示意图与实物图如下所示：
- BBS：宽带光源
- OSA：光谱分析仪
根据布拉格法则，光栅只能反映特定波长的公式：
λ B = 2 n e f f Λ
其中λ B 为反射光波长，Λ 为光纤光栅的光栅栅距，n e f f 为光纤折射率。
光纤光栅串
光纤光栅（FBG）使用灵活的一个表现就是可以实现多点传感，理论上可以在一根传感器里刻写无数个不同波长的光纤光栅（FBG），实现对同一或多个物理参量的分布式检测，刻写了多个光纤光栅的光纤被称为光纤光栅串（FBGs）。具体实物图如下所示：
光纤光栅原理（FBG光纤光栅传感原理）
通过精准匹配两个反射点的距离，符合布拉格条件的光波信号被光栅反射，而其他波长信号基本不被反射。
布拉格条件：光波以特定角度入射并满足以下公式时发生的建设性干涉现象：
n λ = 2 d s i n θ
其中：
- n 是一个整数，代表干涉级次；
- λ 是光波在介质中的波长；
- d 是反射面之间的距离或者是周期性结构的周期；
- θ 是入射角，即入射光线与反射面法线之间的夹角。
当上述条件得到满足时，不同路径上的光波将会同相叠加，从而增强特定方向上的反射光强度。
通过连接光纤光栅解调仪，可以测定独立反射波的光波波长。一旦光纤布拉格光栅遭受应力或温度变化影响，光栅栅距就会发生变化，反射波的光波波长也会随之改变，并且反射不同的波长，这样布拉格波长变化就可以被测量了。
- BBS：宽带光源
- OSA：光谱分析仪
根据布拉格法则，光栅只能反映特定波长的公式：
λ B = 2 n e f f Λ
其中λ B 为反射光波长，Λ 为光纤光栅的光栅栅距，n e f f 为光纤折射率。
光纤光栅传感器解调方案
光纤Bragg（布拉格）光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测量参量的变化转化为作用于光纤Bragg光栅上的温度或应变的变化，从而引起Bragg波长的变化。
通过建立并标定光纤Bragg光栅的温度或应变响应与被测参量变化的关系，由Bragg波长的变化测量出被测量的变化。
在实际应用中，关键的问题是如何精确地解调出有用的信号，这在很大程度上决定了解调系统的分辨力、便携性、可靠性和成本。因此，必须根据实际工程应用对精度的要求选择一种合理的解调方法并设计出一种合理的解调装置。常用的解调方法有光谱分析法、滤波法、波长扫描法等。
光谱分析法
从宽带光源发出的光经耦合器到达传感光栅，以Bragg波长为中心的窄带光波被光栅反射，经耦合器后进入光谱仪。
可以直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等。
当传感光栅受到外部微扰时，反射谱的特性就会发生变化，如峰值位置、谱形的变化等。
所以从光谱仪中光反射谱特性的变化可获得传感光栅上所受外部微扰的信息，或者利用光谱仪监测光纤光栅的透射谱，同样可以确定扰动信息。
滤波法
在光纤光栅的输出光路中安置滤光器，滤出与被测量相应的波长偏移。
线性滤波法和可调谐光纤F-P滤波法是常用的两种基本滤波方法。
线性滤波法
线性滤波法是一种便携式的波长检测方法，其原理图如下所示：
- 上图中，L为光源，C为定向耦合器，D为光探测器；
- 来自FBG的布拉格反射光经3dB耦合器C2分为两束，分束比为M N ，其中一路光经光谱透过率为线性函数F ( λ ) 的滤光器后作为信号光I s ，为光电探测器D1接收；另一路作为参考光I r 直接为探测器D2接收；
- F ( λ ) = A ( λ − λ 0 ) ，式中A 为线性滤光器斜率，λ 0 为零输出( F ( λ ) = 0 ) 的波长。
- 两路信号经放大后相除。
可调谐光纤（F-P）腔滤波法
可调谐光纤（F-P）腔滤波法如下图所示：
- 可调谐F-P腔可以作为一个窄带滤波器，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-P腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。
- 利用F-P腔的这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行检测。
- 从宽带光压发出的光经隔离器至FBG传感器，FBG传感器反射回的光经过一个3dB耦合器引入到可调谐F-P腔中，从光纤入射的光经透镜L1变成平行光入射到F-P腔，出射光经透镜L2汇聚到探测器上。
- 构成F-P腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可运动且背面贴有一个压电陶瓷。给压电陶瓷施加扫描电压，压电陶瓷产生伸缩，从而改变F-P腔的腔长，使透过F-P腔的光的波长发生改变。
- 若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，此时给压电陶瓷施加的电压V就代表了FBG的反射波长 。
波长扫描法
- 用一个波长与光纤光栅光谱接近，谱宽小于布拉格反射光的谱线宽度的可以调谐的激光光源，通过调谐激光的输出波长进行光谱扫描。
- 只有当λ = λ B 时，后向布拉格反射光才在探测器上产生强输出，通过可调谐滤波器将窄带光源的中心波长锁定在该状态即可以测知λ B 。
- 当布拉格波长受外界信号调制偏移至λ B 时，光源L的波长亦随之调协至λ = λ B 。
- 也可设置一个参数与传感FBG完全相同的参考FBG，通过调谐参考光栅的布拉格反射波长追踪传感FBG到中心波长，直至两光纤光栅的中心波长相等时产生强输出，则参考FBG的中心波长值即为测得值。