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光纤布拉格光栅（FBG）技术：原理、特性与应用

分类： 博客Blogs 发布日期： 2025-07-31

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）技术作为分布式光纤传感领域的核心技术之一，近年来在众多领域得到了广泛的应用与关注。FBG 具有独特的优势，如高精度传感、抗电磁干扰、易于分布式测量等，使其成为解决许多复杂测量问题的理想选择。本文将深入探讨 FBG 技术的基本原理、制作工艺、特性以及其在各个领域的应用。

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FBG 的基本原理

光栅的形成

FBG 是通过在光纤纤芯内引入周期性的折射率变化而形成的。常用的制作方法有全息干涉法和相位掩膜法。全息干涉法利用两束相干紫外光在光敏光纤中产生干涉条纹，使纤芯折射率发生周期性变化；相位掩膜法则是将相位掩模板置于光纤前，紫外光透过掩模板后在光纤中形成周期性的干涉条纹，从而实现折射率的周期性调制。这种周期性的折射率变化区域就像一个波长选择性的反射镜，对特定波长的光具有高反射率，而对其他波长的光则几乎透明。

布拉格条件

FBG 反射特定波长的光遵循布拉格条件，其表达式为：

λ_{B} = 2 n_{e ff} Λ

，其中

λ_{B}

是布拉格波长，即 FBG 反射光的中心波长；

n_{e ff}

是光纤纤芯的有效折射率；

Λ

是光栅周期。当外界环境因素，如温度、应变、压力等发生变化时，会引起光纤的光栅周期

Λ

和有效折射率

n_{e ff}

改变，进而导致布拉格波长

λ_{B}

发生漂移。通过检测布拉格波长的变化，就可以实现对这些外界物理量的精确测量。

温度和应变传感原理

温度传感原理：温度变化会对光纤产生两方面影响。一方面，温度改变会引起光纤材料的热膨胀或收缩，导致光栅周期
$Λ$
发生变化；另一方面，温度变化会影响光纤的折射率，即改变有效折射率
$n_{e ff}$
。综合这两个因素，温度变化
$Δ T$
引起的布拉格波长变化
$Δ λ_{B}$
可以表示为：
$Δ λ_{B} = λ_{B} (α + ξ) Δ T$
，其中
$α$
是光纤的热膨胀系数，
$ξ$
是光纤的热光系数。对于常见的石英光纤，在布拉格波长约为 1550nm 时，温度灵敏度大约为 10pm/°C，即温度每变化 1°C，布拉格波长漂移约 10 皮米。

应变传感原理：当光纤受到轴向应变
$ε$
时，光栅周期
$Λ$
会相应改变，同时由于光弹效应，光纤的有效折射率
$n_{e ff}$
也会发生变化。应变引起的布拉格波长变化
$Δ λ_{B}$
可以表示为：
$Δ λ_{B} = λ_{B} (1 - ρ_{ε}) ε$
，其中
$ρ_{ε}$
是光纤的光弹系数。在典型情况下，对于布拉格波长约为 1550nm 的光纤，应变灵敏度大约为 1.2pm/με，即每微应变（με）会导致布拉格波长漂移约 1.2 皮米。

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