光纖光柵制作方法及傳感應用*

王義平， 唐 劍， 尹國路， 鐘曉勇， 廖常銳

(深圳大學光電子器件與系統教育部/廣東省重點實驗室 深圳，518060)

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光纖光柵制作方法及傳感應用*

王義平， 唐 劍， 尹國路， 鐘曉勇， 廖常銳

(深圳大學光電子器件與系統教育部/廣東省重點實驗室 深圳，518060)

詳細闡述了光纖光柵常用的幾種制備方法，包括紫外激光曝光法、CO2激光照射法、電弧放電法、飛秒激光法等，并分析比較了各種方法的適用性和局限性；系統綜述了光纖光柵在傳感領域的應用，討論了光纖光柵溫度、應力、彎曲、壓力、扭曲以及生化等幾種典型的傳感器；最后，對光纖光柵傳感技術的發展進行了總結和展望。

光纖傳感； 光纖光柵； 制作方法； 傳感器

1 引 言

光纖傳感以其靈敏度高、成本低、體積小、能埋入工程結構、操作簡便等特點使其在傳感領域越來越倍受關注，使得智能結構成為可能，極大地改變了人們的生活方式。隨著光纖與光纖器件制備方法和技術的不斷發展和完善，光纖光柵已成為最具代表性、最有發展前途和發展最為迅猛的光纖無源器件之一。

光纖光柵出現至今，隨著研究的深入和應用需求的不斷擴大，用途各異的光纖光柵層出不窮且各具特性。根據光纖光柵的周期大小主要可以分為短周期光纖光柵和長周期光纖光柵兩種。短周期光纖光柵，也叫光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, 簡稱FBG)，其周期通常小于1 μm，能實現反向模式間耦合的光纖光柵，屬反射型光纖光柵。由加拿大通信研究中心的Hill 等人在1978 年首次利用駐波法在摻鍺光纖中研制成功[1]。LPFG(Long-period fiber grating, 簡稱LPFG)的周期為幾十到幾百微米，由AT&T貝爾實驗室的Vengsarkar等[2]于1996 年用紫外光通過振幅掩模板照射氫載硅鍺光纖的方法研制而成，可實現基模耦合到同向傳輸的各包層模，屬透射型光纖光柵。此外，光纖光柵還可以根據光柵的波導結構、形成機理、光纖材料類型等不同進行分類。

光纖光柵傳感是利用在光纖中寫制的光柵作為傳感頭，當外部應力、壓力、溫度、濃度等環境發生改變時，引起光纖有效折射率、光柵周期等參數發生變化，從而導致通過光柵區域的光波受到的調制情況發生改變來實現傳感。通過測量光纖光柵諧振波長或譜形邊沿的響應變化量可實現對外部環境的參量監測，而且光纖光柵的傳感信息通常是以波長編碼的，使其克服了強度調制傳感器必須補償光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏的不足。光纖光柵傳感器與傳統的電子或機械傳感器相比具有一系列優點，如抗電磁干擾、高靈敏度、高可靠性、低成本、緊湊性、耐腐蝕、可埋入智能結構等。這使其在強磁場、輻射性、腐蝕性或危險性大的環境監測方面有良好的適用性，已經在橋梁、大壩、建筑物、飛行器、艦船、火車、礦井、油田、油罐等方面的實時健康監測得到了廣泛應用。

1 光纖光柵的寫制方法

光纖光柵出現至今，國內外學者對光纖光柵的寫入方法進行了廣泛的研究，形成了多種多樣的寫制方法。它們各有優勢，而且通過不同制備方法得到的光纖光柵的光學特性也有不相同之處。FBG和LPFG的光傳輸原理分別如圖1中(a)和(b)所示。以下對迄今為止常見的光纖光柵寫入方法進行簡單描述。

圖1 光纖光柵傳輸原理圖Fig.1 1 The optic transmission schematic of fiber grating

(1)紫外曝光寫入法

紫外激光曝光法是出現較早也是最常見的光纖光柵寫入方法，主要是利用紫外激光經過振幅掩模板曝光載氫摻鍺光纖，引起纖芯折射率周期性調制形成光纖光柵，其制作原理如圖2所示。該方法技術比較成熟，而且具備批量生產條件，但要求光纖具有摻雜稀土元素(鍺、磷等)的光敏纖芯，而且常常需要載氫來增強光纖的光敏性，但載氫對光柵熱穩定性有較大影響。此外，由于相位掩模板的周期是固定的，使得這種寫入法不夠靈活多變。1989年，Meltz等[3]首次通過兩束相干紫外光形成的干涉條紋對載氫光纖進行側面曝光寫入FBG。并且通過改變激光波長或兩束相干光之間的夾角可以在任何感興趣的可用波段寫入FBG。1993年，Hill等[4]在Meltz的研究基礎上利用紫外光垂直照射相位掩模法在載氫光纖寫入FBG，有力地推動光纖光柵真正走向實用化和產業化。盡管紫外曝光法最先應用于FBG的寫制，但該法對LPFG同樣適用[2，5-7]。多年來，研究者們對該方法進行了各種改進優化，主要是采用不同的掩膜板如微透鏡陣列法、介質膜幅度掩模法、莫爾條紋振幅法，或選用不同的激光器如193 nm ArF準分子激光器、244 nm Ar離子激光器或是264 nm紫外飛秒激光器等。

圖2 紫外激光寫制光纖光柵實驗裝置Fig.2 Experiment setup for fabricating fiber grating using UV laser

(2)CO2激光寫入法

CO2激光照射法寫入光纖光柵是近年來實驗室比較常用的方法，主要是通過CO2激光脈沖周期性加熱光纖造成殘余應力釋放或者物理變形引起折射率調制從而形成光纖光柵。該方法可直接在任意類型光纖上寫制光柵，不需要光纖具有光敏性或其他載氫增敏處理，寫制效率高、成本低，寫制的光柵熱穩定性好，而且可通過軟件控制靈活改變光柵的周期大小以及周期數目等。但由于目前CO2激光聚焦的最小焦斑直徑大小在30 μm左右，遠大于FBG的周期，該法不適用于FBG的寫制。1998年，Davis等[8]首次用聚焦的CO2激光沿光纖軸向逐點加熱寫入LPFG，使LPFG的制作進入一個新的階段。2002年，等[9]利用該方法首次在純硅光子晶體光纖中寫入LPFG。2003年，饒云江等[10]提出由計算機精確控制的高頻CO2激光脈沖二維掃描寫入LPFG的方法。2004年，韓國的Oh等[11]報道了利用高頻CO2激光連續曝光同時旋轉和移動光纖的方法形成螺旋結構的LPFG。2008年，王義平等[12]首次利用高頻CO2激光脈沖二維掃描法周期性塌陷空氣芯光子帶隙光纖包層空氣孔成功寫入LPFG，打破了長期以來阻礙光子帶隙光纖光柵發展的瓶頸。2009年，H. F . Xuan等[13]用CO2激光在微納光纖上制得LPFG。2014年，鐘曉勇等[14]利用改進的CO2激光掃描法結合氣壓輔助方式，首次在光子晶體光纖中寫入一種膨脹式的LPFG，其寫制原理和光路如圖3所示。到目前為止，國內外學者對CO2激光照射法做了廣泛的研究，提出了各種改進CO2激光寫入光纖光柵的方法，包括單側周期性刻槽[15-17]、對稱聚焦刻寫[18-19]、周期性拉錐[20]等。

圖3 氣壓輔助式CO2寫制膨脹式LPFGFig.3 Experimental setup of inflated LPFG inscription with a pressure-assisted CO2laser beam scanning technique

(3)電弧放電寫入法

電弧放電法是通過電極周期性放電使光纖熔融變形，使光纖折射率受到周期性調制從而形成光纖光柵。該方法寫制機理與CO2激光類似，制作簡單、可控性好，可隨意改變光柵周期數，寫制光柵溫度穩定性好，而且可自由調節電流的大小和放電時間來控制折射率調制大小。這種方法的不足主要是電弧放電區域較大，限制了其寫制周期寬度大小，不適合于FBG寫制。同時電極容易氧化影響放電強度穩定性，而且寫制過程不能重復放電，靈活性不如CO2激光。1998年，Kosinski等[21]首次提出用電弧放電的方法來寫制LPFG。1999年，In Kag Hwang等[22]利用電弧放電法使光纖發生周期微彎從而形成LPFG。2011年，Smietana等[23]利用自行改進的計算機控制的電弧放電技術將LPFG的寫制周期從之前的345 μm 減小到221 μm ，是目前為止電弧放電所能寫制的最短的LPFG。同年，Agostino Iadicicco等[24]利用氣壓輔助式的電弧放電技術在空氣芯光子帶隙光纖中成功寫入無塌陷的LPFG。2014年，Yin等[25]用100P+熔接機通過二次程序開發改進電弧放電，利用計算機程序控制的周期性放電拉錐光纖形成LPFG，其實驗原理和制作裝置如圖4所示。

圖4 改進的電弧放電法寫制光纖光柵Fig.4 Experiment setup for inscribing a LPFG with improved electric discharge method

(4)飛秒激光寫入法

飛秒激光刻寫光纖光柵主要有3種方法：相位掩模板法、逐點法和掃線法。該法是利用近紅外或紫外飛秒激光直接誘導折射率改變從而寫入光纖光柵，光纖無需具有光敏性和增敏處理，且同時適用FBG和LPFG的寫制。該法聚焦光斑尺寸小，加工精度高，屬于“冷”加工特性，避免熱融化發生，保證了光柵的機械強度，制作的光柵熱穩定性好且不易老化。典型的飛秒激光加工平臺如圖5所示。通過控制位移平臺移動速度與激光脈沖重復率之比就能設定光柵周期，刻寫快速，操作靈活，但需要復雜的聚焦光學系統以及精確機械位移平臺，而且外界振動對寫制光柵的影響較大。1999年，Kondo等[26]首次用波長800 nm的紅外飛秒激光逐點曝光在單模光纖上成功寫制了LPFG。2003年，Adrian Dragomir等[27]利用264 nm紫外飛秒激光照射的相位掩模法寫制FBG。2004年，Hindle等[28]首次用紅外飛秒激光在純硅纖芯的光纖柵寫入LPFG。2010年，K.M. Zhou等[29]利用波長800 nm的紅外飛秒激光采用線掃描的方法寫制出四階FBG。2013年，Robert J. Williams等[30]利用直接在纖芯連續掃描技術寫入低損耗的FBG。近年來，飛秒激光寫制法以其獨特的優勢受到廣大學者的青睞，許多研究者都開展了相應的研究工作。

圖5 飛秒激光寫制光纖光柵Fig.5 Experiment setup for fabricating fiber grating with femtosecond laser

(5)腐蝕刻槽寫入法

腐蝕刻槽法是利用化學腐蝕的方法在光纖包層腐蝕出周期性的環槽結構從而寫入光纖光柵。該方法無需激光曝光，無需光纖具有光敏性，制作成本低，簡單易行，可直接用氫氟酸周期性改變光纖的波導結構，形成光柵穩定性好，但機械強度較弱。此外由于刻槽部分主要發生在包層上，纖芯基模和包層模之間的耦合一般較弱，而由于刻槽部分和未刻槽部分的直徑不同，若在兩端施加一定應力將引起折射率調制從而形成強耦合的光纖光柵。1999年，Lin等[31]首次報道了用腐蝕刻槽法在光纖上寫入LPFG。隨后Lin和J. Yan等[32-33]對這種結構LPFG的應力、彎曲、扭曲等多種傳感特性進行了比較深入的研究。2011年，R. Yang等[34]先利用飛秒激光誘導折射率變化，然后采用腐蝕微孔陣列的方法制作出FBG。2013年，J.C.Guo等[35]利用飛秒激光燒蝕單模光纖表面，然后通過腐蝕微流通道的方法寫制出LPFG。

(6)機械微彎寫入法

機械微彎法是通過帶刻槽的面板施加機械壓力使光纖發生周期性的微彎變形，由于彈光效應使光纖軸向產生周期性的折射率調制從而寫入光纖光柵。該法主要通過改變光纖與凹槽之間的夾角便可調節光柵周期，通過改變施加壓力的大小可實現損耗峰幅值的調節，寫制的光柵溫度穩定性好，機械強度高。但是一塊刻槽板的光柵周期調節范圍有限，而且很難精確控制施加的機械壓力，所以光柵諧振峰強度不好調節，另外寫制的光柵不能長久保留，多次施壓會損壞光纖結構。2000年，Savin等[36]首次用機械微彎法在單模光纖上成功寫入LPFG。2002年，Ham等[37-38]分別提出了對于機械微彎法寫入的LPFG的雙折射補償方法。2004年，Lim等[39]利用機械壓力法在光子晶體光纖上寫入了LPFG。2007年，Danny Noordegraaf等[40]利用機械壓力法在液晶填充的光子晶體光纖中寫制了LPFG，并對其電光特性進行了研究。由于機械壓力法簡單易行，制作方便，不需光纖具有光敏性，適用光纖類型多，利用其寫制光纖光柵的工作也頗多。

(7)離子束寫入法

離子束注入法是用聚焦的離子束沿軸向周期性入射到光纖表面并注入到纖芯和包層中，引起折射率周期性改變從而形成光纖光柵。其折射率變化機理主要是注入的離子(He2+或H+)與玻璃中的原子核相互作用引起玻璃結構致密化，從而導致折射率改變。該方法在室溫下可使硅玻璃的折射率變化高達1%，因而可在任意常用光纖中寫入光纖光柵，而且可以通過調節入射粒子束的劑量改變光纖折射率調制大小，寫入的光柵高溫穩定性較好，適應在高溫環境下工作。2000年，Fujimaki等[41]首次用氦(He2+)離子通過掩模板注入到光纖中成功寫入LPFG。2001年，M.L.vonBibra等[42]提出用聚焦氫離子(H+)逐點入射光纖的方法寫入LPFG。2003年，Grant等[43]中利用2.4MeV氫離子(H+)在多模光纖中通過纖芯調制寫制LPFG。

2 光纖光柵傳感器研究

自從1989年聯合技術研究中心的Morey[44]首次報道將光纖光柵用于傳感領域以來，經過20多的發展，光纖光柵在光纖傳感領域的作用日益突出，各類傳感器不斷涌現。根據實際應用環境不同，光纖光柵傳感器大致可分為以下幾種。

(1)溫度傳感器

溫度傳感是光纖光柵傳感器最主要和最直接的應用之一, 通過研究溫度與光纖光柵諧振波長漂移量的關系來實現溫度傳感。盡管FBG和LPFG的光波傳輸理論模型不同，但其溫度傳感機理主要都是熱脹冷縮效應引起光纖光柵的周期和光纖內部的有效折射率發生變化，從而導致光纖光柵的中心波長的變化。對于普通的硅光纖，FBG的溫度靈敏度在800 nm和1.55 μm兩個波長處的典型溫度值分為6.8 pm/℃和13 pm/℃[45]。普通單模光纖刻寫的長周期光纖光柵的溫度靈敏度的范圍在30 pm/℃到100 pm/℃之間，比FBG的溫度靈敏度高1個數量級。迄今為止許多方法技術已用以進一步提高LPFG的溫度靈敏度，包括利用纖芯摻雜光纖，不同幾何結構的光纖和在包層涂覆特殊的熱敏材料等。1999年，Abramov等[46]在特殊設計的聚合物微光纖中實現了溫度可達800 pm/℃的LPFG[46]。2001年，X. W. Shu等[47]通過在纖芯摻有B-Ge的光敏光纖上寫制的LPFG的溫度靈敏度可達到2.75nm/℃。2002年，Khaliq等[48]用在LPFG周圍涂覆高熱光系數的材料的方法，將其溫度靈敏度提升到19nm/℃，是目前知道的最高靈敏度的LPFG溫度傳感器。2006年，Wang等利用周期性刻槽的LPFG構成了一個強度調制的溫度傳感系統，如圖6所示，其測試精度可達到0.1℃。此外，溫度傳感器在實際溫度測量中還需考慮到光纖光柵的高溫穩定性。近年，國內外的科研工作者基于不同光纖類型和不同寫制技術的光纖光柵的溫度特性開展了大量系統性研究工作。

圖6 由CO2刻槽型LPFG構成的基于強度調制的溫度傳感系統原理圖Fig.6 Schematic of the CO2 laser-grooved LPFG temperature sensor system based on the intensity modulation

(2)應力傳感器

由彈性力學基本理論和二氧化硅材料的彈光效應可知，當在光纖兩端施加軸向應力時，彈光效應將引起纖芯基模和包層模有效折射發生改變，從而導致光柵諧振峰漂移，諧振峰波長會隨應變增加線性變化，應變靈敏度與光纖類型、光柵結構、光柵周期及模式階次有關。對于普通單模FBG在800 nm和1.55 μm兩個波長處典型的應力靈敏度為0.64 pm/με、1.15 pm/με[45]。紫外光或CO2激光寫入的無物理變形的LPFG，其軸向應變靈敏度較低僅為-0.727 nm/mε[49]和-0.428 nm/mε[10]。2006年，Wang等[15]在普通單模光纖上單側用CO2激光周期性刻槽的LPFG，軸向應變時會引起光柵微彎而產生較大折射率調制，從而使應變靈敏度提高到-102.89 nm/mε[15]，與無物理結構形變的CO2激光寫制的LPFG的相比，提高了兩個數量級，其結構如圖7所示。在實際工程測量中，往往需要解決光纖光柵的應變和溫度的交叉敏感問題。1996年，Patrick等[50]用組合LPFG和FBG的方法解決了溫度和應變間的交叉敏感問題，實現了對溫度和應變的同時測量。2006年，Wang等[16]用CO2激光掃描實芯光子晶體光纖使其空氣孔周期性塌陷寫入低溫度靈敏度的LPFG，在單個LPFG上成功解決了溫度與應變的交叉敏感問題[16]。2009年，Zhu等[51]利用CO2激光在單模光纖上旋轉刻槽形成LPFG，使光柵諧振峰分裂成兩個峰，從而實現了溫度不靈敏的高靈敏度應力傳感器。2010年，廖常銳等人利用飛秒激光在全實芯的光子帶隙光纖中寫制的LPFG其應力靈敏度為-1.8 nm/mε，比普通LPFG的應力靈敏度高四倍，同時具有更低的溫度靈敏度[52]。為克服光纖光柵傳感器存在應變和溫度交叉敏感問題，國內外學者在此方面做了許多研究工作。

圖7 CO2激光寫制的刻槽型LPFGFig.7 Schematic diagram of the CO2-laser-carved LPFG

(3)彎曲傳感器

1994年，Xu等[53]利用在懸臂梁兩邊分別固定一個FBG構成了彎曲傳感器。2000年，Giinder等[54]首次在利用多芯光纖中寫入的FBG構成了彎曲傳感器，靈敏度為48.9 pm/m-1。2002年，SeunginBaek等[55]實驗研究了傾斜FBG作為彎曲傳感器的特性。相對于FBG而言， LPFG對彎曲則更為敏感，更適合于做彎曲傳感器。當彎曲LPFG時，不僅使光纖變成彎曲波導引起雙折射，而且將使LPFG折射率調制區域發生傾斜引起模式變化，在光譜上表現為三種變化：諧振波長漂移，諧振峰強度變化以及諧振峰分裂。彎曲使光纖內側擠壓導致折射率減小，外側拉伸導致折射率增大，由于兩側折射率變化的非對稱性使高階包層模發生變化，導致纖芯基模與包層模的耦合模場失疊，光柵的諧振峰會相應地展寬或分裂。因此LPFG具有極高的彎曲靈敏度, 即使微彎也會使其的透射譜發生明顯的變化。1998年，Patrick等[56]首先提出紫外寫入的LPFG可用于結構彎曲曲率的測量，隨后他們在纖芯偏移的特殊光纖上實現了既能測量彎曲量又能判別彎曲方向的彎曲傳感器。2000年，VanWiggeren等[57]發現CO2激光寫制的LPFG彎曲靈敏度具有較強方向相關性。同年，C. C. Ye等[58]在摻硼光纖上寫入LPFG實現了溫度與彎曲的同時測量。2004年，Chen等[59]基于LPFG的彎曲特性制作出對應變和溫度均不敏感的彎曲傳感器[59]。2005年，Wang等[60]利用高頻CO2激光寫制的非對稱型LPFG實現了能判別任意彎曲方向或對彎曲不敏感的的傳感器，如圖所示。該彎曲系統由一個UV寫制的LPFG和兩個CO2激光寫制是LPFGs構成。2010年，Shao等[61]利用LPFG和傾斜的FBG構成了混合結構的高靈敏度彎曲傳感器。2012年，Geng[62]利用空間上相互正交級聯的兩個LPFG構成了二維矢量彎曲傳感器[62]。關于光纖光柵的彎曲傳感特性，國內外學者已開展了諸多的研究。

圖8 同時測量彎曲和方向的LPFGs傳感器Fig.8 Schematic diagram of LPFGs sensor that cannot only measure curvature but also determine bending direction

(4)扭曲傳感器

2001年，Tian等[63]通過FBG的應力傳感與扭曲之間的轉化，間接地進行扭曲形變量的監測。2002年，Zhang等[64]首次通過利用組合扭力梁的方式解決了FBG溫度和扭曲的交叉敏感問題。2004年，Lo等[65]提出了一種提出了一種高雙折射光纖(Hi-Bi fiber)作傳感探頭，白光作光源測量扭矩的FBG傳感系統。當LPFG被扭曲時，扭曲引起的圓雙折射與光纖內在線雙折射結合，導致沿光纖軸向傳輸的兩個偏振模發生變化，模式耦合系數也隨著變化，因此光柵諧振波長會隨扭曲變化而漂移。2001年，Lin等[66]提出用腐蝕刻槽法寫入的LPFG直接測量扭曲率的方法。2004年，Wang等[67]發現高頻CO2激光脈沖單側寫入LPFG的扭曲特性具有方向相關性,因此可實現既能測量扭曲量又能夠判斷扭曲方向的扭曲傳感器。2006年，Rao等[68]用CO2激光寫入的超LPFG的高階諧振波長獲得了高靈敏度的扭曲傳感器，并用基于光柵邊緣濾波效應的強度解調法實現了扭曲率的實時測量。2011年，Shi等[69]在光纖環形激光器中寫入一對旋轉LPFG形成Mach-Zehnder干涉儀，實現了高分辨率率的扭曲傳感器。隨后Li等70]利用相移超LPFG制作出對應變和溫度均不敏感的扭曲傳感器。目前已經研究出各式各樣的基于光纖光柵的扭曲傳感器。

圖9 扭曲傳感器諧振波長響應Fig.9 Resonant wavelength of twisted sensor

(5)壓力傳感器

當光纖光柵受到橫向負載(壓力)作用時，不僅光纖幾何尺寸發生變化，而且由于彈光效應引起的雙折射可能使光纖的原始光軸發生旋轉，對應的偏振模式的傳播常數發生變化，因此光纖光柵的諧振波長和損耗峰幅值會隨著壓力增加而線性漂移。1993年，英國南安普頓大學的Xu等[71]首次對直接寫制的FBG的壓力靈敏度進行研究，發現在70 MPa壓力作用下光纖光柵的波長移動了0.22 nm,靈敏度僅為-3.04 pm/MPa。該特性也證明了普通FBG幾乎無法直接應用于實際壓力測量，需要通過光纖光柵壓力傳感器的增敏技術對其進行壓力增敏。1999年，Liu等[72]發現紫外光寫入的LPFG的橫向負載靈敏度遠高于光纖布拉格光柵，且諧振峰隨負載線性變化因此可作為壓力傳感器。但紫外光寫入的LPFG具有對稱的橫向負載特性，所以不能辨別施加的壓力方向。2003年，Rao等[73]發現CO2激光寫入的LPFG由于光纖橫截面折射率分布不均勻具有明顯的方向相關性，諧振波長在在特定方向上對負載不敏感而損耗峰幅值則線性變化，因此通過諧振波長和損耗峰幅值兩個參量分別實現了溫度和壓力的同時獨立測量，從而解決了溫度和壓力的交叉敏感問題。2007年，Wang等[74]用CO2激光寫入的LPFG實現了既能測量壓力大小又能判別壓力方向的壓力傳感器，在橫向負載壓力情況下其諧振波長大小和方向變化如圖所示。2012年，Zhang等[75]利用機械壓力方法在實心的光子晶體光纖中寫制的傾斜長周期光纖光柵實現了2.701 nm/MPa的高靈敏度氣壓傳感。

圖10 CO2激光寫制的LPFG的橫向負載特性Fig.10 The transverse-load characteristics of CO2-laser-induced LPFG

(6)生化傳感器

當外界環境折射率發生變化時，光纖光柵的纖芯或包層的模式有效折射率會隨著變化并引起耦合模相位匹配條件的變化，進而導致光柵諧振峰波長漂移和損耗峰幅值變化。這一特性使得光纖光柵可作為測量折射率、濃度、濕度等參量的生物化學傳感器。FBG應用于實現折射率傳感較早，主要是通過腐蝕包層和側邊拋磨方案進一步增大纖芯模式對外界的敏感性。最近也出現了通過在微納光纖上寫制的FBG來實現折射率傳感[76]。LPFG應用于折射率傳感相對較晚。1997年，V.Bhatia等[77]提出LPFG作為折射率和應力傳感器。1998年，Patrick等[78]對LPFG對外界折射率變化的響應特性作了詳細的分析，并提出其可作為化學濃度傳感器。2002年，Su等人[79]用耦合模理論系統分析了LPFG折射率特性，并指出高階模式具有更高的響應靈敏度。2004年，Chong等[80]人用LPFG實現了甘醇、鹽、糖溶液的濃度測量[80]。2006年，Rindorf等[81]利用CO2激光在光子晶體光纖上寫入LPFG，并用其來檢測生物分子層的厚度，如圖11所示。2007年，Rao等[82]對用CO2激光寫入的超長LPFG和邊緣LPFG進行了折射率實驗。對于普通LPFG只有在外界折射率接近光纖包層折射率時才有較高響應靈敏度。為了提高基于LPFG的折射率計的靈敏度，人們提出了各種各樣的方法，如在光柵表面涂覆敏感材料，減小光纖包層半徑[83-84]等。

圖11 CO2激光在光子晶體光纖中寫制的LPFG用于生化傳感Fig.11 Schematic diagram of biochemical sensing with a CO2-laser-induced LPFG in a PCF

(7)光纖加速度計

加速度傳感器是振動測量、慣性導航中常用的重要傳感器，已廣泛應用在機械、車輛、橋梁以及航空航天、軍事等方面。其中，基于FBG的加速度傳感器因具有光路更簡單、波長調制不受光源強度波動影響、便于分布式測量等優勢引起了廣大科研工作者的極大興趣。相比較而言，基于LPFG的加速度傳感器的研究相對較少。2011年，史翠華等[85]基于高頻CO2激光在普通單模光纖上制作的LPFG的應變和彎曲特性，設計制作了一種新型的加速度傳感器。基于等強度梁理論分析了梁振動與LPFG輸出光強之間的關系,推導出了系統的加速度理論模型。搭建了該加速度計的實驗系統, 進行了特性測試.實驗結果表明,該系統的加速度靈敏度約2.82 v/g, 準確度約為8.96×10-4g,理論和實驗誤差約0.82%。2012年，Zheng等[86]提出一種基于光子晶體光纖的長期光纖光柵構成的Mach-Zehnder干涉儀作為傳感頭實現了溫度不敏感的全光纖加速度計。將干涉峰的漂移通過光電探測器轉換成模擬電壓信號來實現對振動和位移的加速度的監測，靈敏度可達0.08 nm/g，可與普通單模FBG加速度計相比擬。

3 總結和展望

光纖光柵出現至今，已經在各行各業發揮了巨大的作用。我國對光纖光柵傳感技術的研究相對較晚，研究和應用方面與國外仍存在一定差距，多處于實驗室研究階段，在實用化方面仍相對滯后。近年來，各大高校和科研院所都加大了對光纖光柵傳感技術的研究工作，取得了很大的進展。相信隨著國產技術的進步，有關光纖光柵的制作方法和各類傳感器的研制在不斷的改進和完善，光纖光柵傳感技術在國內的實用化領域將會越來越廣泛。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.008

*昆明市科委重點科技計劃項目(編號：昆科工字 2000-17)

2001-11-26；

2002-01-23

TN253; TH741.6

王義平,男，