光纤布拉格光栅（FBG）

光纤布拉格光栅（FBG）

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）简称光纤光栅，是一种典型的波长调制型光纤传感器。它利用硅光纤的紫外光敏性，在纤芯内通过紫外激光刻写形成沿纤芯呈周期性变化的折射率调制结构（光折变），从而在纤芯内产生空间相位周期性分布，构成窄带（透射或反射）滤波器或反射镜。FBG 的传感过程通过外界物理参量（如温度、应变）对布拉格波长的调制来获取信息。

结构与工作原理

FBG 的结构是在纤芯上刻写一段周期性光栅。当宽带光入射时，满足布拉格条件的光波被反射回入射端，形成窄带反射光谱，其余光波继续透射。反射中心波长由布拉格条件决定：

其中 $n_{\text{ef}}$ 为纤芯有效折射率，$/Lambda$ 为光栅周期。

传感原理

外界物理量（温度、应变、压强、磁场等）的变化会引起 FBG 结构特性的改变，导致反射光谱中心波长发生漂移。通过光谱分析仪检测中心波长的漂移量，可间接获得外界物理量的变化量。FBG 传感器可经受几十万次循环应变而不劣化。

应变依赖性

FBG 的布拉格波长随应变线性变化：

应变灵敏度系数 $K_{\epsilon }\approx 0.788$，应变系数约为 $1.2/\text{pm}/\mu \epsilon$。

温度依赖性

FBG 的布拉格波长随温度线性变化，温度灵敏度系数约为 $10/\text{pm}{/}^{\circ }\text{C}$。温度变化通过热光效应和热膨胀效应影响有效折射率和光栅周期。

复用性

数百种布拉格光栅可刻写在一根光纤中，相隔数毫米或数千米，形成传感网络。由于单路光纤上可以制作上百个光栅传感器，因此特别适合组建大范围测试网络，实现多点或分布式测量。

应用

FBG 可附着于机械结构上制造基于应变的力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器和振动传感器等。通过适当封装，可对温度、应变、压力、加速度和位移等参数保持高灵敏度。目前 FBG 的应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（温度、位移、速度、加速度等的测量）。