【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ragg 光纖光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)。第 1 章為光纖光柵的基本知識(shí)，包括什么是光纖光柵，以及光纖光柵傳感技術(shù)；第 2 章為光的偏振及光通過(guò)波片能量變化；第 3 章提出了使用光纖光柵測(cè)量電磁 場(chǎng)的新方法，介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是對(duì)模塊功能的介紹，并且用 MATLAB 軟件對(duì)結(jié)果的仿真。 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 2 1 光纖光柵的基本概念 光纖的基本概念 光纖的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。光纖的纖芯是由折射率比周圍包層略高的光學(xué)材料制作而成的，折射率的差異引起全反射，引導(dǎo)光纖在纖芯內(nèi)傳播。光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長(zhǎng)多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維。自內(nèi)向外為：纖芯（芯層） → 包層 →涂覆層（被覆層）（如圖 11）。核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo)，形成對(duì)光信號(hào)的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸，所以又將二者構(gòu)成的光纖稱為裸光纖。其中 涂覆層又稱被覆層，是一層高分子涂層，主要對(duì)裸光纖提供機(jī)械保護(hù)，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差，韌性差，為提高光纖的微彎性能，涂覆高分子涂層。且如將若干 根這樣 的裸光纖集束成一捆，相互間極易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能。為防止這種損傷采取的有效措施就是在裸光纖表面涂高分子 層 。 圖 11 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖纖芯和包層的尺寸根據(jù)用途不同，有許多類型。 按照制造光纖所用的材料分類有：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖。 按折射率分布情況分 類：光纖主要有三種基本類型：突變型多模光纖（多模階躍折射率光纖）、漸變型多模光纖（多模漸變射率光纖）、單模光纖。 光纖光柵器件 光纖光柵 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 3 射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。 圖 12 均勻周期光纖光柵結(jié)構(gòu)圖 圖 13 原理圖 FBG 好像一個(gè)窄帶的反光鏡，只反射一個(gè)波長(zhǎng)而透射其余的波長(zhǎng)。被反射的波長(zhǎng)稱為 Bragg 波長(zhǎng)，滿足條件： Bneff ???2 (11) 這里 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是纖芯等效折射率； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是光柵周期（相鄰折射率最大點(diǎn)間的距離）。 可以看出改變光柵的有效折射率或周期就能改變光柵反射的中心波長(zhǎng)，利用這一特性可以將光纖光柵用于許多物理量的傳感測(cè)量。例如溫度和應(yīng)力是光纖光柵能夠直接敏感的兩個(gè)物理量。 光纖光柵的光學(xué)特性 光纖光柵是一種參數(shù)周期變化的波導(dǎo)，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過(guò)將一個(gè)光纖模式的功率部分地或完全地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖模式中區(qū)來(lái)改變?nèi)肷涔獾念l譜。主要依賴于相位匹配條件： 錯(cuò)誤 ! 未 找 到 引 用 源 。 （ 12） 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 4 光纖光柵的分類 按周期長(zhǎng)短 光纖光柵按折射率變化周期的長(zhǎng)短可以分為兩類 （ 1） 短周期光纖光柵（ FBG，也叫反射或布喇格光柵）： 光柵周期一般為零點(diǎn)幾個(gè)微米，耦合發(fā)生在正向與反向傳輸?shù)哪Ｊ街g， 它的一個(gè)重要特性是將某一頻段內(nèi)的光反射回去。 圖 14 短周期光柵（ FBG） （ 2） 長(zhǎng)周期光纖光柵（ LPG，也叫傳輸光柵）： 光柵周期在 m?100 以上，耦合發(fā)生在同向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到包層中損耗掉而讓其他頻段的光通過(guò)。 圖 15 長(zhǎng)周期光柵（ LPF） 按折射率分布 光纖光柵按常見(jiàn)的折射率分布大體可分為周期性光纖光柵和非周期性光柵。周期性光纖光柵也叫均勻光纖光柵，而非周期性光纖光柵又稱為啁啾光（ chirped gratings），又可分為線性 Chirped 光柵、 Taper 型光柵和 Blazed 型光柵等類型。 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 5 光纖光柵傳感系統(tǒng) 光纖光柵系統(tǒng)的組成 光纖布喇格光柵傳感器的基本原理結(jié)構(gòu)如圖 16 所示，其中包括寬譜光源（如面發(fā)光二極管 SLED 或放大自發(fā)輻射光源 ASE 等）將有一定帶寬的光通過(guò)光耦合器或者光環(huán)行器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長(zhǎng)具有選擇性作用，符合條件的光被反射回來(lái)，再通過(guò)耦合器或者環(huán)行器送入解調(diào)裝置測(cè)出光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化。當(dāng)布喇格光纖光柵做探頭裝置測(cè)量外界的溫度、壓力或應(yīng)力等被測(cè)量時(shí)，光柵自身的折射率或柵距發(fā)生變化，從而引起反射波長(zhǎng)的變化，解調(diào)裝置即通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化推導(dǎo)出外界被測(cè)溫度、壓力或應(yīng)力等值。 圖 16 光纖光柵（ FBG）傳感原理圖 在光纖光柵傳感系統(tǒng)中，有各種各樣的器件巧妙地將光路連接起來(lái)，處理光信號(hào)。主要分為無(wú)源器件和有源器件兩種。所謂無(wú)源器件就是光纖器件在工作過(guò)程中無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)電源；而有源器件就是需要加入外加驅(qū)動(dòng)單元才能正常工作的器件。 光纖光柵傳感系統(tǒng)中的無(wú)源器件 光纖耦合器 利用連接器可以將兩端光纖連接起來(lái)，這樣可以滿足兩個(gè)器件之間的光信號(hào)的傳輸。但是在很多應(yīng)用中，需要連接的不只是儀器的兩個(gè)端口。耦合器就是用來(lái)連接 3 個(gè)或者更多的連接點(diǎn)。耦合器是將輸入信號(hào)分成兩路或更多路 輸出，或?qū)陕坊蚋嗦份斎牒喜⒊梢宦份敵?。光信?hào)在每條支路中的比例分配可以相同，也可以不同。 光纖隔離器及環(huán)形器 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 6 與光纖耦合器不同，光纖隔離器只能沿一個(gè)方向傳輸光信號(hào)。它們?cè)诠饫w系統(tǒng)中起著非常重要的作用，可以阻止后向反射和散射的光達(dá)到敏感器件，尤其是激光器。光隔離器的內(nèi)部工作機(jī)制依賴于偏振。它包括一對(duì)線偏振器，兩個(gè)偏振器的偏振面放置成 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 光環(huán)行器的功能與光隔離器的類似。它的功能是作為一個(gè)單行道使光 通過(guò)一系列的端口。和光隔離器一樣，環(huán)行器的工作也利用了偏振現(xiàn)象。 光開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本單元，并廣泛用于光路監(jiān)控系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)。光開(kāi)關(guān)在光傳輸過(guò)程中的作用有 3 類：其一是將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開(kāi)通；其二是將波長(zhǎng)光信號(hào)由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；其三是在同一光纖通道中將一種波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一波長(zhǎng)的光信號(hào)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器）。 根據(jù)工作原理的不同，光開(kāi)關(guān)分為微機(jī)電開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)和磁光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)。 波分復(fù)用器 在光纖通信系統(tǒng)中采用光的頻分復(fù)用的方法來(lái)提 高系統(tǒng)的傳輸容量，在接收端使用解復(fù)用器（等效于光帶通濾波器）將各信號(hào)光載波分開(kāi)。 波分復(fù)用器有光柵型波分復(fù)用器、介質(zhì)薄膜濾波器型波分復(fù)用器、熔錐型波分復(fù)用器和集成光波導(dǎo)型（ WDM）器件。 光纖光柵傳感器 光纖光柵傳感器（ Fiber Bragg Grating Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（ Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。 由于光纖光柵與光纖之間天然的兼容性，很容易將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣 列，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感，加上光纖光柵具有普通光纖的許多優(yōu)點(diǎn)外，且本身的傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗不受光源功率波動(dòng)和系統(tǒng)損耗影響的特點(diǎn)，因此光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用引起了世界各國(guó)有關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。自從 1989 年 Morey 等人首先對(duì)光纖光柵的應(yīng)變和溫度傳感特性進(jìn)行了研究后，光纖光柵傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，現(xiàn)在人們已將其逐步應(yīng)用于多種物理量的測(cè)量，制成了各種傳感器。 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 7 2 光的解調(diào)及解調(diào)系統(tǒng)的理論分析 光的偏振 光的偏振 光是橫波，光的振動(dòng)方向始終與光的傳播 方向垂直。但是，在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量還可以有不同的振動(dòng)狀態(tài)，我們稱在垂直于光傳播方向的二維平面內(nèi)，光矢量的振動(dòng)狀態(tài)叫做光波的偏振態(tài)。 光波按偏振態(tài)來(lái)劃分，可分為三大類：自然光，完全偏振光 ， 部分偏振光。 自然光 普通光源中包含許許多多分子和原子，不同的原子或分子所發(fā)光波，或同一原子不同時(shí)刻所發(fā)光波，其振動(dòng)方向、振幅、初始相位各不相同。 在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，在觀測(cè)最小時(shí)間間隔內(nèi)，光振動(dòng)在各個(gè)方向的幾率相同，沒(méi)有那一個(gè)方向占更大優(yōu)勢(shì)，我們稱這種光為自然光。 用來(lái)表示垂直于光傳播方向的平 面內(nèi)，光振動(dòng)方向的矢量圖。叫做迎光矢量圖。該圖表示迎著光傳播方向看到的光振動(dòng)的情況。在迎光矢量圖上，自然光是一些均勻分布的輻射線。 圖 21 自然光的表示 完全偏振光 完全偏振光分三種： 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 8 (1)線偏振光 這種偏振光，光振動(dòng)電矢量總是在一個(gè)固定的平面內(nèi)，所以這種偏振光又叫做平面偏振光。在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，電矢量端點(diǎn)的軌跡是一條直線光振動(dòng)只改變振幅大小，不改變方向，如圖 22 所示。 圖 22 線偏振光 上圖中線段表示光振動(dòng)平行于圖面的線偏振光，點(diǎn)子表示光振動(dòng)垂直于圖面。畫(huà)出相同的點(diǎn)和線 段表示自然光，用來(lái)表示各個(gè)方向光振動(dòng)幾率相同。 （ 2）圓偏振光 在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，但隨時(shí)間以角速度錯(cuò)誤 !未找到引用源。 旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓。這種光叫做圓偏振光。在某一固定時(shí)刻 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，在傳播方向上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光矢量的端點(diǎn)軌跡是螺旋線。隨著時(shí)間推移，螺旋線以相速前移。 若在迎光的傳播方向觀察圓 偏振光的光矢量隨時(shí)間變化是右旋的，則這種圓偏振光叫做右旋圓偏振光 ， 反之 ， 叫做左旋圓偏振光。 圖 23 圓偏振光 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 9 (3)橢圓偏振光 在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的方向和大小都在隨時(shí)間改變，光矢量的端點(diǎn)描出一個(gè)橢圓，這樣的偏振光叫做橢圓偏振光。 以上三種偏振光稱為完全偏振光，可以由兩個(gè)互相垂直的，有相位關(guān)系的，同頻率的線偏振光合成。反之，完全偏振光也可以分解為兩個(gè)任意方向，相互 垂直，有相位關(guān)系的同頻率的線偏振光。 設(shè)兩線偏振光沿 z 方向傳播， 在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的平面內(nèi) ,兩光振動(dòng)表達(dá)式為： cos( )xxE A t kz??? （ 21） 0c o s ( )yyE A t k z??? ? ? （ 22） 將兩方程消去 t，得電矢量端點(diǎn)的軌跡方程： 錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。 ?? 22222 s inc os2 ???yxyxyyxx AA EEAEAE (23) 式中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為兩線偏振光的振幅， ? 為兩線偏振光在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 點(diǎn)的相位差。它們決定了合成偏振光的偏振態(tài)。 下圖是不同的相位差對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)： 圖 24 不同的相位差對(duì)應(yīng)的偏振態(tài) 基于 Bragg 光柵磁場(chǎng)測(cè)量解調(diào)系統(tǒng)的研究 10 ○ 1 當(dāng) ?? k2? 時(shí)， ( ...2,1,0 ???k )合成指向 3 象限的線偏振光。 當(dāng) ?? )12( ?? k 時(shí)，（ ...2,1,0 ???k ） 合成指向 4 象限的線偏振光 。 ○ 2 當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 且 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 時(shí)，合成（正）橢圓偏振光。 當(dāng) ?? )2 12( ?? k 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，且 yx AA? 時(shí)，合成圓偏振光。 ○ 3 當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是上面 ○ 1 和 ○ 2 中以外的相位值時(shí)，合成橢圓偏振光。 部分偏振光 由自然光和完全偏振光組成的光，叫做部分偏振光。 (1)