簡(jiǎn)介一套基于Matlab的光纖光柵仿真源碼包圍繞布拉格光柵FBG與長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG的光譜特性計(jì)算展開(kāi)面向光纖通信、光學(xué)傳感及光纖激光器領(lǐng)域的研究者和高校學(xué)生可直接用于計(jì)算并繪制兩類(lèi)光柵的反射譜或傳輸譜。資源共包含9個(gè)m腳本壓縮包大小僅7KB覆蓋均勻、切趾、啁啾等布拉格光柵以及溫度變化下的光譜響應(yīng)等典型模型每個(gè)文件對(duì)應(yīng)獨(dú)立功能便于按需調(diào)用和參數(shù)修改。已有294人學(xué)習(xí)下載。通過(guò)運(yùn)行源碼讀者可結(jié)合耦合模理論觀察周期、長(zhǎng)度、折射率調(diào)制深度等參數(shù)對(duì)光譜峰值、帶寬和漂移的影響深入理解布拉格反射條件與長(zhǎng)周期模式耦合機(jī)制也可作為科研預(yù)研或課程實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)快速上手光纖光柵的Matlab建模仿真。特別適合光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生用于課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)中的光柵特性分析。1. 拿著FBG去測(cè)液體折射率紋絲不動(dòng)換上LPFG才偏移光纖光柵的互補(bǔ)邏輯FBG光纖光柵和LPFG長(zhǎng)周期光纖光柵很多人一開(kāi)始以為只是周期長(zhǎng)短不同實(shí)際用起來(lái)才發(fā)現(xiàn)是完全不同的兩類(lèi)傳感器。剛接觸光纖光柵的人最常見(jiàn)的翻車(chē)場(chǎng)景是把布拉格光纖光柵貼到待測(cè)液體上期待反射峰跟著折射率移動(dòng)結(jié)果光譜紋絲不動(dòng)換上LPFG之后透射譜確實(shí)動(dòng)了可溫度一變它也東飄西飄。這篇筆記把FBG和LPFG放在一起講——它們不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而是互補(bǔ)關(guān)系FBG擅長(zhǎng)測(cè)溫度和應(yīng)變LPFG擅長(zhǎng)測(cè)周?chē)橘|(zhì)折射率串在一根光纖上可以同時(shí)把三路物理量分開(kāi)。下面的內(nèi)容覆蓋選型參數(shù)、仿真腳本、串接方案和落地坑給做光纖傳感或準(zhǔn)備把光柵寫(xiě)進(jìn)監(jiān)測(cè)方案的人一份能復(fù)現(xiàn)的路徑。2. 設(shè)計(jì)FBG前先看耦合模中心波長(zhǎng)、帶寬和反射率由哪幾個(gè)數(shù)決定2.1 布拉格光纖光柵為什么對(duì)溫度和應(yīng)變敏感FBG的反射原理可以用一個(gè)極其簡(jiǎn)潔的相位匹配條件描述λ_B 2 n_eff Λ其中λ_B是布拉格波長(zhǎng)n_eff是纖芯導(dǎo)模的有效折射率Λ是光柵周期。典型通信光纖的n_eff在1550 nm附近約為1.448那么一個(gè)1550 nm的FBG周期只有535 nm左右屬于亞微米量級(jí)。正因?yàn)檫@個(gè)周期小FBG內(nèi)部發(fā)生的是前向?qū)Ｅc反向?qū)５鸟詈戏瓷渥V表現(xiàn)為一個(gè)尖銳的窄帶峰。溫度和應(yīng)變?nèi)绾胃淖儾祭癫ㄩL(zhǎng)對(duì)上面的式子求全微分能得到工程界常用的簡(jiǎn)化式Δλ_B / λ_B (1 - p_e) ε (α ζ) ΔTp_e是有效彈光系數(shù)對(duì)石英光纖約為0.22α是熱膨脹系數(shù)約0.55×10?? /°Cζ是熱光系數(shù)約6.4×10?? /°C。代入1550 nm可得到兩個(gè)非常好用的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)應(yīng)變靈敏度約1.2 pm/με溫度靈敏度約10.4 pm/°C。這兩個(gè)系數(shù)是所有FBG傳感方案設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)后面做實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的時(shí)候就是用它們來(lái)核對(duì)實(shí)測(cè)值是否正常。這里要特別強(qiáng)調(diào)一個(gè)新手容易誤解的點(diǎn)FBG對(duì)外界折射率幾乎不敏感是因?yàn)閷?dǎo)模的能量被約束在纖芯內(nèi)倏逝波在包層外已經(jīng)衰減殆盡。哪怕把FBG整個(gè)泡進(jìn)水里反射峰也不會(huì)移動(dòng)超過(guò)幾個(gè)皮米。所以在一個(gè)折射率傳感項(xiàng)目里把FBG當(dāng)作主傳感器從一開(kāi)始方向就錯(cuò)了——FBG在這個(gè)場(chǎng)景的角色應(yīng)該是溫度補(bǔ)償。2.2 一個(gè)最小可運(yùn)行的FBG反射譜仿真腳本選好了中心波長(zhǎng)、調(diào)制深度和柵區(qū)長(zhǎng)度之后先用腳本把反射譜算出來(lái)再動(dòng)手寫(xiě)柵能省掉大量試錯(cuò)。均勻FBG的反射譜不需要?jiǎng)佑脧?fù)雜的商業(yè)軟件用傳輸矩陣或者解析解就能算。下面這段Python腳本用的是均勻光柵的解析公式核心是耦合模方程在均勻折射率調(diào)制條件下的閉合解。import numpy as np import cmath import matplotlib.pyplot as plt # 光纖與光柵參數(shù) lambda_B 1550e-9 # 設(shè)計(jì)布拉格波長(zhǎng) 1550 nm n_eff 1.448 # 纖芯有效折射率SMF-28典型值 dn 1.5e-4 # 折射率調(diào)制幅度紫外寫(xiě)入常見(jiàn)量級(jí) L 10e-3 # 柵區(qū)長(zhǎng)度 10 mm # 波長(zhǎng)掃描范圍 wl np.linspace(1548.5e-9, 1551.5e-9, 4000) def fbgr(wl, lambda_B, n_eff, dn, L): # 直流耦合系數(shù)描述失諧程度 sigma 2 * np.pi * n_eff * (1 / wl - 1 / lambda_B) # 交流耦合系數(shù)描述折射率調(diào)制強(qiáng)度 kappa np.pi * dn / wl R np.zeros_like(wl) for i, (sig, kap) in enumerate(zip(sigma, kappa)): # 復(fù)數(shù)傳播常數(shù)統(tǒng)一處理帶內(nèi)與帶外 gamma cmath.sqrt(kap**2 - sig**2) s cmath.sinh(gamma * L) c cmath.cosh(gamma * L) r -kap * s / (sig * s 1j * gamma * c) R[i] abs(r)**2 return R R fbgr(wl, lambda_B, n_eff, dn, L) # 打印中心反射率與3dB帶寬 peak np.max(R) idx np.argmax(R) band wl[abs(R - 0.5 * peak).argmin()] # 簡(jiǎn)單找3dB左側(cè)邊界 print(f峰值反射率: {peak:.3f}) print(f峰值波長(zhǎng): {wl[idx]*1e9:.3f} nm)這段代碼的關(guān)鍵在耦合系數(shù)的處理上sigma是失諧項(xiàng)波長(zhǎng)偏離布拉格波長(zhǎng)越遠(yuǎn)sigma越大kappa是折射率調(diào)制幅度的直接體現(xiàn)dn越大纖芯里被反射回來(lái)的能量越強(qiáng)。gamma取復(fù)數(shù)是為了讓公式同時(shí)覆蓋禁帶內(nèi)與禁帶外兩個(gè)區(qū)域避免了分段判斷。如果手頭沒(méi)有matplotlib把R輸出成CSV文件導(dǎo)入任何繪圖工具也一樣用。用上面這組參數(shù)跑出來(lái)的結(jié)果中心反射率約0.963dB帶寬約0.25 nm這是一個(gè)典型的10 mm柵區(qū)、中等調(diào)制深度的FBG。如果實(shí)際寫(xiě)柵后測(cè)到的帶寬比仿真寬很多大概率是光柵非均勻或者包層模耦合漏掉了。2.3 三個(gè)必調(diào)參數(shù)中心波長(zhǎng)、3dB帶寬、峰值反射率FBG設(shè)計(jì)時(shí)真正要拍板的參數(shù)就三個(gè)中心波長(zhǎng)、3dB帶寬、峰值反射率。它們之間存在耦合關(guān)系不能孤立地定。中心波長(zhǎng)直接由相位掩膜板的周期決定選1550 nm還是1310 nm取決于解調(diào)儀的光源范圍和待測(cè)對(duì)象的譜線干擾。如果用光譜儀加寬帶光源建議讓FBG反射峰避開(kāi)光源的ASE尖峰和熔接點(diǎn)的菲涅爾反射區(qū)。3dB帶寬主要受兩個(gè)因素控制柵區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)光譜越窄折射率調(diào)制越深光譜先變窄后展寬。弱調(diào)制條件下帶寬與柵長(zhǎng)近似成反比所以做高精度應(yīng)變測(cè)量時(shí)喜歡用20 mm以上的長(zhǎng)柵但代價(jià)是空間分辨率下降。分布式應(yīng)變測(cè)量里空間分辨率由柵長(zhǎng)決定這個(gè)trade-off要在方案設(shè)計(jì)階段就寫(xiě)清楚。峰值反射率由dn和L的乘積決定。dn1e-4、L5 mm時(shí)的反射率只有約0.08而dn2e-4、L10 mm時(shí)輕松超過(guò)99%。實(shí)際工程里不建議追99.9%的極致反射率因?yàn)檫^(guò)強(qiáng)的折射率調(diào)制會(huì)導(dǎo)致光譜邊模振蕩反射峰兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則的旁瓣給多光柵復(fù)用帶來(lái)麻煩。我一般把目標(biāo)定在70%到95%之間既能保證信號(hào)強(qiáng)度邊模也能控制在可接受范圍。3. LPFG的周期與相位匹配為什么100μm量級(jí)光柵能感知折射率3.1 LPFG和FBG的本質(zhì)差異前向耦合決定了折射率敏感LPFG的周期通常在100 μm到500 μm之間比FBG大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。周期不同耦合的對(duì)象就完全不同F(xiàn)BG把前向?qū)ｑ詈系椒聪驅(qū)PFG把纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽?。包層模不像?dǎo)模那樣被約束在纖芯內(nèi)它的倏逝場(chǎng)會(huì)一直延伸到包層外表面因此外界介質(zhì)的折射率會(huì)直接影響包層模的有效折射率。正是這個(gè)機(jī)制讓LPFG對(duì)外界折射率高度敏感。當(dāng)環(huán)境折射率從1.33變化到1.44附近時(shí)LPFG諧振峰的偏移可以達(dá)到幾十納米比FBG對(duì)折射率的響應(yīng)大四到五個(gè)數(shù)量級(jí)。代價(jià)是LPFG的透射譜帶寬很寬單峰動(dòng)輒十幾納米沒(méi)法像FBG那樣在一根光纖里密集復(fù)用。LPFG的諧振波長(zhǎng)滿足相位匹配條件λ_res (n_core - n_clad,m) Λ這里的n_clad,m是第m階包層模的有效折射率不是包層材料的折射率。工程上說(shuō)的階數(shù)決定諧振峰的個(gè)數(shù)和位置同一個(gè)LPFG周期高階包層模的n_clad,m更小諧振波長(zhǎng)更長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)選哪個(gè)模式取決于這個(gè)模式對(duì)外界折射率的靈敏度曲線。3.2 手算諧振波長(zhǎng)波長(zhǎng)-周期曲線怎么用設(shè)計(jì)LPFG的第一步通常是手算一個(gè)粗略的諧振波長(zhǎng)再用仿真軟件精修。核心公式就一個(gè)λ_res (n_core - n_clad,m) Λ公式看起來(lái)簡(jiǎn)單難點(diǎn)在n_clad,m的取值。拿SMF-28來(lái)說(shuō)1550 nm附近的基模有效折射率n_core約1.446二階包層模的有效折射率大約在1.444到1.445之間具體值由波長(zhǎng)、模式和外界折射率共同決定。如果手頭沒(méi)有模式求解工具可以從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)或者用Bessel函數(shù)特征方程自己算。舉個(gè)例子想要諧振波長(zhǎng)落在1550 nm附近取n_core - n_clad,m 0.0062那么周期Λ 1550 nm / 0.0062 ≈ 250 μm。這是一個(gè)非常典型的LPFG設(shè)計(jì)周期。寫(xiě)柵的時(shí)候掩膜板周期稍微偏一點(diǎn)諧振波長(zhǎng)就會(huì)大幅漂移——這既是LPFG難寫(xiě)的地方也是它能做高靈敏度折射率傳感的原因。需要提醒的是這個(gè)式子里的n_core和n_clad,m都隨波長(zhǎng)變化所以λ_res和Λ不是嚴(yán)格線性關(guān)系。真要精確設(shè)計(jì)必須把Sellmeier色散方程代進(jìn)去做迭代求解。下面給一段可直接運(yùn)行的波長(zhǎng)-周期計(jì)算代碼。import numpy as np # Sellmeier 系數(shù)純石英近似值 B1, C1 0.6961663, 0.0684043**2 B2, C2 0.4079426, 0.1162414**2 B3, C3 0.8974794, 9.896161**2 def n_silica(wl_um): # wl_um 單位是微米 w2 wl_um**2 return np.sqrt(1 B1*w2/(w2-C1) B2*w2/(w2-C2) B3*w2/(w2-C3)) # 纖芯摻鍺折射率略高于純石英 def n_core(wl_um): return n_silica(wl_um) 0.005 # 典型Δn0.005 # 包層模有效折射率使用近似表達(dá)式精確值需要模式求解 def n_clad_m_approx(wl_um, m): # 簡(jiǎn)化近似包層模有效折射率隨波長(zhǎng)單調(diào)下降 # 這里用基準(zhǔn)點(diǎn) 線性斜率模擬實(shí)測(cè)值需用特征方程求解 return n_silica(wl_um) - 0.0012 - 0.00008 * m # 計(jì)算相位匹配曲線 def phase_matching(wl_target_nm, m): wl_um wl_target_nm / 1000.0 nc n_core(wl_um) ncm n_clad_m_approx(wl_um, m) Lambda wl_target_nm / (nc - ncm) # 單位 nm return Lambda for m in range(2, 7): lam 1550.0 Lambda phase_matching(lam, m) print(fm{m}: 周期 {Lambda:.1f} μm, dn_eff{0.005 0.0012 0.00008*m:.5f})這段腳本沒(méi)有精確求解包層模的有效折射率而是用一個(gè)線性近似模型演示設(shè)計(jì)流程。真正做產(chǎn)品時(shí)n_clad_m要用三層波導(dǎo)特征方程去求Bessel函數(shù)根或者直接用COMSOL、OptiGrating這類(lèi)工具。但即便用近似值也能把周期估算到正負(fù)幾十微米內(nèi)足夠決定該買(mǎi)什么周期的掩膜板了。3.3 LPFG透射譜的簡(jiǎn)化仿真LPFG的透射譜仿真比FBG麻煩得多完整做法需要求解耦合模方程組把基模和多個(gè)包層模之間的能量交換全算進(jìn)去。工程上有一個(gè)足夠用的簡(jiǎn)化把每個(gè)包層模對(duì)應(yīng)的諧振峰看成獨(dú)立的洛倫茲型凹陷透射譜是多個(gè)凹陷的乘積。這種近似在弱耦合和低包層模密度條件下誤差不大。import numpy as np def lpfg_transmission(wl, n_core_val, n_clad_eff_list, Lambda, L, kappa_list): LPFG透射譜簡(jiǎn)化模型每個(gè)包層模對(duì)應(yīng)一個(gè)洛倫茲型凹陷 適用于弱耦合、諧振峰不重疊的常規(guī)設(shè)計(jì) T np.ones_like(wl) for n_clad_eff, kappa in zip(n_clad_eff_list, kappa_list): lam_res (n_core_val - n_clad_eff) * Lambda # 相位失配項(xiàng) delta 2 * np.pi * (n_core_val - n_clad_eff) * (1 / wl - 1 / lam_res) gamma np.sqrt(kappa**2 delta**2) # 交叉耦合功率 P (kappa / gamma * np.sin(gamma * L))**2 T * (1 - P) return T # 參數(shù)設(shè)置 wl np.linspace(1400e-9, 1700e-9, 10000) # 掃描 1400-1700 nm n_core 1.4495 # 纖芯有效折射率 1550 n_clad_list [1.4408, 1.4385, 1.4338] # 不同包層模有效折射率示意值 Lambda 250e-6 # 周期 250 μm L 30e-3 # 柵區(qū)長(zhǎng)度 30 mm kappa_list [8.0, 6.5, 5.0] # 每個(gè)模式的耦合系數(shù)單位 1/m T lpfg_transmission(wl, n_core, n_clad_list, Lambda, L, kappa_list) print(f最小透射率: {T.min():.3f})這個(gè)模型的物理含義很直接每個(gè)包層模對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振波長(zhǎng)kappa越大該模式的能量耦合越強(qiáng)凹陷越深柵區(qū)長(zhǎng)度L越長(zhǎng)模式間的能量交換越徹底。工程上寫(xiě)LPFG時(shí)如果發(fā)現(xiàn)諧振峰深度不夠最常見(jiàn)的手段就是增加曝光長(zhǎng)度或者加大折射率調(diào)制。不過(guò)耦合過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致諧振峰變形甚至分裂這是LPFG設(shè)計(jì)和寫(xiě)制中最常踩的坑之一。4. FBGLPFG串接一根光纖上溫度和折射率怎么分工測(cè)量4.1 兩段光柵串接后光譜怎么讀把FBG和LPFG串在同一根光纖上可以在一段光纖上同時(shí)獲得兩類(lèi)傳感信息。常見(jiàn)的接法是寬帶光源從一端注入光先經(jīng)過(guò)LPFG段再經(jīng)過(guò)FBG段另一端接光譜儀讀透射光譜。光譜儀上會(huì)同時(shí)出現(xiàn)LPFG寬達(dá)十幾納米的諧振凹陷和FBG只有零點(diǎn)幾納米的尖銳凹陷兩者互不干擾。讀譜的方式要根據(jù)解調(diào)設(shè)備區(qū)分。如果用的是光譜儀直接跟蹤兩個(gè)凹陷的中心波長(zhǎng)就行。如果用的是FBG解調(diào)儀需要注意大部分解調(diào)儀只能識(shí)別反射峰對(duì)LPFG這種透射型光柵無(wú)解這時(shí)需要在光纖末端加反射鏡或者用法布里-珀羅結(jié)構(gòu)把透過(guò)光變成反射光。我一般建議在方案驗(yàn)證階段直接用光譜儀帶寬覆蓋1400 nm到1600 nm一版光譜就能把兩個(gè)光柵的信號(hào)都看清。FBG的溫度靈敏度約10.4 pm/°CLPFG的溫度靈敏度則要看包層模階數(shù)和外界折射率常見(jiàn)值在10 pm/°C到80 pm/°C之間。兩者對(duì)溫度都敏感對(duì)折射率的響應(yīng)卻差了幾百倍。這就帶來(lái)一個(gè)明確的信號(hào)分工FBG的波長(zhǎng)變化主要?dú)w因于溫度和應(yīng)變LPFG的波長(zhǎng)變化主要?dú)w因于折射率和溫度。把FBG當(dāng)作溫度參考在FBG不感受應(yīng)變的安裝方式下可以從LPFG的讀數(shù)里扣除溫度貢獻(xiàn)。4.2 波長(zhǎng)規(guī)劃FBG反射峰必須避開(kāi)LPFG凹陷的三個(gè)約束串接之后不是隨便選波長(zhǎng)就能用規(guī)劃不當(dāng)光譜會(huì)互相污染。第一個(gè)約束是FBG的工作波長(zhǎng)不能落在LPFG諧振峰的半高寬范圍內(nèi)。LPFG凹陷動(dòng)輒十幾納米寬FBG反射峰一旦落進(jìn)它的底部光譜疊加后FBG凹陷會(huì)被淹沒(méi)解調(diào)時(shí)峰值定位會(huì)產(chǎn)生偏移。第二個(gè)約束是LPFG諧振波長(zhǎng)隨折射率變化會(huì)大幅度漂移標(biāo)定條件下避開(kāi)的距離不足以應(yīng)對(duì)測(cè)量范圍工作波長(zhǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)在LPFG凹陷邊緣的延伸區(qū)之外。第三個(gè)約束是FBG的邊模和反射次峰不能用強(qiáng)調(diào)制FBG邊模可能延伸到LPFG凹陷里選型時(shí)優(yōu)先用切趾FBG或者降低折射率調(diào)制。實(shí)際項(xiàng)目里常見(jiàn)的波長(zhǎng)分配是LPFG諧振波長(zhǎng)放1530 nm附近FBG反射峰放1555 nm附近中間留下至少15 nm的凈空。測(cè)折射率最大偏移超過(guò)20 nm的應(yīng)用就要把LPFG放到1510 nm以下或者選擇折射率靈敏度更低的包層模來(lái)壓住偏移量。4.3 解調(diào)方案的成本與精度取舍串接方案選解調(diào)儀有個(gè)繞不開(kāi)的取舍光譜儀便宜直觀但精度受像素間距限制通用機(jī)型橫向分辨率約0.2 nm光纖光柵解調(diào)儀精度能做到1 pm但價(jià)格翻幾倍且不認(rèn)透射光譜。一種折中方案是用CCD光譜儀加高斯擬合算法對(duì)FBG凹陷做亞像素插值可以在不換硬件的條件下把定位精度提到幾個(gè)皮米量級(jí)。處理LPFG凹陷時(shí)洛倫茲擬合比高斯擬合更可靠因?yàn)長(zhǎng)PFG諧振峰偏離理想對(duì)稱(chēng)線型時(shí)洛倫茲擬合的殘差更小。我的做法是先把光譜做基線扣除再用三點(diǎn)重心法做粗定位最后在粗定位波長(zhǎng)附近做洛倫茲精擬合。這一套在純Python里就能實(shí)現(xiàn)不需要專(zhuān)用軟件。下面這段代碼演示了重心法的核心邏輯。import numpy as np def peak_center_by_centroid(wl, T, search_range): # 限制搜索范圍避免把噪聲包進(jìn)去 mask (wl search_range[0]) (wl search_range[1]) wl_m wl[mask] T_m T[mask] # 凹陷深度權(quán)重反轉(zhuǎn)后做重心 depth 1 - T_m # 去掉基線偏置只用凹陷的深度做加權(quán) depth depth - depth.min() if depth.sum() 1e-12: return np.nan center np.sum(wl_m * depth) / np.sum(depth) return center # 示例搜索 1525-1545 nm 范圍內(nèi)的LPFG凹陷中心 center peak_center_by_centroid(wl, T, [1525e-9, 1545e-9]) print(fLPFG凹陷中心: {center*1e9:.2f} nm)這個(gè)重心定位的誤差來(lái)源主要是基線不平整和凹陷重疊。寫(xiě)LPFG時(shí)光譜基線往往帶著寬帶光源的ASE起伏必須先做平滑和基線扣除再做重心計(jì)算不然重心會(huì)被光源輪廓帶偏。5. 光纖光柵落地避坑寫(xiě)柵、退火和串接的踩坑記錄5.1 寫(xiě)柵后反射峰消失光譜上只有平整基線現(xiàn)象紫外曝光完成后立刻接光譜儀測(cè)FBG應(yīng)該出現(xiàn)的反射峰完全不見(jiàn)整條光譜平坦得像沒(méi)寫(xiě)過(guò)柵。原因最常見(jiàn)的是相位掩膜板與光纖貼得太緊或太松導(dǎo)致寫(xiě)入的條紋對(duì)比度極低。掩膜板與光纖接觸過(guò)緊時(shí)高階衍射條紋被抹平距離過(guò)遠(yuǎn)則相干條紋消失。另一個(gè)高頻原因是光纖的載氫處理失效光敏性不足紫外光寫(xiě)不動(dòng)。解決先把掩膜板與光纖的間距控制在50 μm到100 μm之間重新曝光一段短?hào)抛鰷y(cè)試。如果還不行檢查紫外激光器的平均功率和重復(fù)頻率功率密度建議保持在200 mW/mm2以上。寫(xiě)完后不要馬上測(cè)光譜先做24小時(shí)自然老化或者快速退火再看因?yàn)閯倢?xiě)完的柵區(qū)有大量不穩(wěn)定缺陷光譜會(huì)邊漂邊變。5.2 反射峰中心波長(zhǎng)天天漂今天1550.2明天1550.8現(xiàn)象同一只FBG在相同溫度下中心波長(zhǎng)每天漂移幅度超過(guò)0.5 nm完全沒(méi)法做定量測(cè)量。原因紫外寫(xiě)入過(guò)程中光纖內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力梯度和未穩(wěn)定的缺陷中心。沒(méi)有經(jīng)過(guò)退火的光柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)在室溫下會(huì)持續(xù)緩慢弛豫波長(zhǎng)隨弛豫過(guò)程移動(dòng)。解決寫(xiě)柵后必須做退火。常見(jiàn)做法是80°C到120°C下保溫4到12小時(shí)然后再測(cè)常溫波長(zhǎng)。退火后的光柵短期穩(wěn)定性能做到正負(fù)幾個(gè)皮米。這個(gè)后悔藥一定要在標(biāo)定之前吃否則后面所有標(biāo)定數(shù)據(jù)全部作廢。5.3 LPFG諧振峰太淺透射譜上只有0.5 dB的凹陷現(xiàn)象設(shè)計(jì)的諧振波長(zhǎng)位置有反應(yīng)但凹陷深度只有0.5 dB反射率太低信噪比不足以支撐測(cè)量。原因耦合系數(shù)偏小通常是折射率調(diào)制幅度不夠或者柵長(zhǎng)過(guò)短。也可能是選用的包層模階數(shù)本身耦合強(qiáng)度就低能量從基模耦合到該模式的比例很小。解決先加曝光時(shí)間把折射率調(diào)制做大觀察凹陷深度是否同步上升。如果提升不明顯說(shuō)明模式選擇有問(wèn)題換成低階包層模重新匹配周期。寫(xiě)LPFG比寫(xiě)FBG更依賴(lài)試錯(cuò)每寫(xiě)一版就做一次光譜記錄把周期、曝光劑量和凹陷深度對(duì)應(yīng)起來(lái)查。5.4 串接后兩個(gè)凹陷互相干擾FBG凹陷旁邊冒出不認(rèn)識(shí)的次峰現(xiàn)象FBG與LPFG串接后FBG反射峰出現(xiàn)在透射譜中時(shí)旁邊多出一串不規(guī)則的尖峰嚴(yán)重時(shí)主峰定位都受影響。原因FBG折射率調(diào)制過(guò)深產(chǎn)生邊模振蕩或者是LPFG的包層模與FBG的包層模之間發(fā)生了二次耦合。串接后兩個(gè)光柵距離太近耦合還會(huì)疊加。解決把兩個(gè)柵區(qū)的間距拉開(kāi)到1米以上消除近場(chǎng)耦合。FBG寫(xiě)入時(shí)降低調(diào)制深度讓峰值反射率控制在90%以下削弱邊模。如果項(xiàng)目允許優(yōu)先選擇切趾FBG邊模能被壓到主峰下30 dB以上。5.5 溫度補(bǔ)償怎么算都不對(duì)FBG和LPFG測(cè)出的溫度差好幾度現(xiàn)象同一水浴里用FBG算出的溫度和用LPFG算出的溫度不一致差3°C到5°C。原因兩個(gè)光柵對(duì)溫度的響應(yīng)曲線不是同一條。LPFG的溫度靈敏度強(qiáng)烈依賴(lài)包層模階數(shù)和環(huán)境折射率環(huán)境折射率變化時(shí)溫度靈敏度也跟著變。直接用固定溫度系數(shù)做補(bǔ)償超出標(biāo)定區(qū)間自然對(duì)不上。解決在目標(biāo)測(cè)量范圍內(nèi)做矩陣標(biāo)定把溫度、折射率兩維的變化同時(shí)記錄下來(lái)得到交叉靈敏度矩陣而不是單一系數(shù)。使用的時(shí)候用FBG的溫度讀數(shù)先算溫度修正項(xiàng)再解LPFG的折射率。這個(gè)順序不能反過(guò)來(lái)因?yàn)镕BG對(duì)折射率不敏感它的溫度讀數(shù)是干凈的。6. 驗(yàn)證FBGLPFG方案能不能用三個(gè)低成本標(biāo)定實(shí)驗(yàn)6.1 千分尺拉伸臺(tái)應(yīng)變系數(shù)實(shí)測(cè)對(duì)照1.2 pm/με把一個(gè)FBG粘在鋁梁表面梁的一端固定另一端用千分尺推進(jìn)每次給10 με的增量記錄中心波長(zhǎng)。實(shí)測(cè)斜率如果落在1.15到1.25 pm/με之間說(shuō)明光柵寫(xiě)制和退火工藝正常。偏離這個(gè)區(qū)間首要懷疑粘貼膠層蠕變其次是光柵沒(méi)有完全粘貼平直。6.2 蔗糖溶液梯度LPFG折射率靈敏度測(cè)定配一組10%到50%的蔗糖溶液折射率從1.3479變到1.4201把LPFG段浸泡在溶液里記錄諧振波長(zhǎng)。逐點(diǎn)擬合出波長(zhǎng)-折射率曲線。這條曲線注意不要外推到包層折射率1.444以上接近包層折射率時(shí)靈敏度急劇上升曲線非線性非常強(qiáng)標(biāo)定區(qū)間必須覆蓋實(shí)際測(cè)量區(qū)間。6.3 水浴溫度實(shí)驗(yàn)交叉驗(yàn)證兩個(gè)光柵的溫漂把串接好的光柵放入恒溫水浴從25°C加熱到60°C每5°C記錄一次兩個(gè)凹陷的中心波長(zhǎng)。用FBG段的數(shù)據(jù)算出實(shí)際溫度系數(shù)再把這個(gè)系數(shù)代入LPFG段的溫度修正公式里檢驗(yàn)修正后的LPFG讀數(shù)是否還能在純水中回到初始折射率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芤淮涡员┞稖囟妊a(bǔ)償矩陣的錯(cuò)誤。三個(gè)實(shí)驗(yàn)做完這套FBGLPFG方案能不能投入現(xiàn)場(chǎng)就有數(shù)了。我自己的習(xí)慣是每次標(biāo)定都保留原始光譜文件隨時(shí)可以回查當(dāng)時(shí)基線的形狀因?yàn)楣鈻爬匣蠡乜礃?biāo)定記錄是判斷數(shù)據(jù)是否可信的唯一依據(jù)。光纖光柵這東西很多問(wèn)題到現(xiàn)場(chǎng)才暴露但基礎(chǔ)扎實(shí)的標(biāo)定能幫你把排查范圍縮到最小。希望這些筆記能幫你在寫(xiě)柵和標(biāo)定路上少走幾步少燒幾段寶貴的特種光纖。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取