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采用紫外激光器刻写布拉格光纤光栅原理


制作布拉格光纤光栅(FBG)的方法很多,比如驻波法、光刻法、物理压制法等等。但使用紫外激光配合相位掩模版的方法是所有方法中效率最高、最稳定、最经济的一种方式。其基本原理如下。


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图一光纤光栅刻写示意图


从激光器出来的紫外光经过光路的反射镜后,进入到柱透镜中。柱透镜的作用是把激光在垂直方向压缩成一条线,以此来提高光的能量密度。聚焦的激光线进入纤芯之前,经过相位掩模版,掩模版一般设计为正负一级衍射,激光经过相位掩模版后分成两束,并且在相位掩模版附近形成干涉条纹。在干涉条纹区域放置光纤,这些干涉条纹直接作用在光纤纤芯上,对纤芯的折射率形成周期性的调制,以此来形成光栅。


激光经过相位掩模版后的刻写原理如下所示。


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图二激光经过相位掩模版后示意图

   


利用以上原理刻写的均匀光纤光栅谱线如下所示:


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图三均匀光栅谱线

   

从图三的谱线可以看出,均匀光栅反射峰的两侧存有大量的杂峰,在此称为旁瓣。这些旁瓣的存在有时会对解调仪造成困扰,即很难判断反射峰的精确漂移位置。为此,发展出光栅切趾技术,即在刻写过程中,在栅区的两端减少曝光强度,使曝光能量中间强,两边弱。如此相当于在原有的谱线上增加一个调制函数,以去除主峰两边的旁瓣。如图四所示。

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图四   切趾光栅示意图


采用准分子激光器和相位掩模版方法刻写光纤光栅具有以下优势和缺点。


优势:

(1)系统搭建简单;

(2)效率高,支持大批量生产;

(3)系统稳定,维护成本低;

(4)容易进行中心波长的调整和控制;

(5)适合工业化生产;

(6)容易刻写任意反射率的光栅;

缺点:

(1)剥除涂敷层会导致光纤光栅容易断裂,不适于做应变传感

(2)剥离区域需要二次涂敷;

(3)全手工操作;


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