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光纤布拉格光栅类型

光纤布拉格光栅类型

潜在的光敏机制,通过该机制在光纤中产生光栅条纹。产生这些条纹的不同方法对所产生的光栅的物理属性,特别是温度响应和承受高温的能力,具有重大影响。迄今为止,已经报道了五种(或六种)FBG具有不同的潜在光敏机理。

标准或I型光栅

I型光栅既用各种类型的氢化纤维制成,也用非氢化纤维制成,通常被称为标准光栅,并在所有氢化条件下用所有类型的纤维制成。通常,I型光栅的反射光谱等于1-T,其中T为透射光谱。这意味着反射和透射光谱是互补的,并且由于反射到包层或吸取而导致的光损失可忽略不计。I型光栅是所有光栅类型中最常用的,并且在撰写本文时,只有现成的光栅类型可用。

IA型光栅

  • 擦除所有类型的氢化锗硅酸盐纤维中的I型光栅后写入的再生光栅

IA型光栅于2001年首次观察到,该实验旨在确定氢负载对锗硅酸盐纤维中IIA光栅形成的影响。与预期的光栅布拉格波长的减小(或“蓝移”)相反,观察到较大的增大(或“红移”)。

后来的工作表明,一旦初始I型光栅达到峰值反射率并开始减弱,布拉格波长便开始增加。因此,它被标记为再生光栅。

确定IA型光栅的温度系数表明,该温度系数低于在类似条件下写入的标准光栅。

IA型和IIA型光栅的主要区别在于,IA型光栅写在氢化纤维中,而IIA型光栅写在非氢化纤维中。

IIA型或In型光栅

  • 这些光栅形成为诱导折射率变化的负部分超过正部分。它通常与沿轴和/或在界面处的感应应力逐渐松弛有关。已经提出,这些光栅可以被重新标记为In型(对于折射率变化为负的1型光栅; II类标签可以保留给那些明显高于玻璃损伤阈值的光栅)。

Xie等人的后续研究。表明存在另一种具有与II型光栅相似的热稳定性能的光栅。该光栅在纤维的平均折射率上表现出负变化,被称为IIA型。用倍频XeCl泵浦染料激光器的脉冲在锗硅酸盐纤维中形成光栅。结果表明,初始曝光在光纤内形成了标准(I型)光栅,该光栅在擦除前经历了很小的红移。进一步的曝光表明,光栅进行了改型,在强度增加的同时进行了稳定的蓝移。

再生光栅

这些是在擦除光栅之后在较高温度下重生的光栅,通常是I型光栅,通常(尽管并非总是)在氢存在下。对它们的说明有多种方式,包括掺杂剂扩散(当前最流行的氧气说明)和玻璃结构变化。最近的工作表明,存在扩散以外的再生机制,在这种再生机制下,光栅可以在超过1,295°C的温度下工作,甚至胜过II型飞秒光栅。这些对于超高温应用极为有吸引力。

II型光栅

  • 多光子激发用更高强度的激光刻划的损伤光栅超过了玻璃的损伤阈值。通常采用脉冲激光以达到这些强度。它们包括飞秒脉冲在多光子激发中的最新发展,其中短时标(与类似于局部弛豫时间的时标相当)为感应变化提供了前所未有的空间定位。玻璃的无定形网络通常通过不同的电离和熔化途径进行转化,以产生更高的折射率变化,或者通过微爆炸产生由更致密的玻璃围绕的空隙。

有可能在牵引塔上的光纤中用单个UV脉冲刻写反射率约为100%(> 99.8%)的光栅。结果表明,所产生的光栅在高达800°C(在某些情况下高达1,000°C,在飞秒激光铭文下更高)下稳定。使用来自准分子激光器的单个40 mJ脉冲刻划光栅在248 nm。进一步表明,在?30 mJ处有一个明显的阈值。高于此水平,折射率调制增加了两个数量级以上,而低于30 mJ时,折射率调制随脉冲能量线性增长。为了便于识别,并认识到热稳定性的显着差异,他们将在阈值以下制造的光栅标记为I型光栅,在阈值之上制造的光栅称为II型光栅。对这些光栅的显微镜检查显示,在光纤内的光栅位置处有周期性的损坏轨迹[10]。因此,II型光栅也称为损坏光栅。但是,这些裂缝可能非常局限,因此如果准备得当,它们在散射损失中不会起主要作用

光纤布拉格光栅的主要应用是在光通信系统中。它们专门用作陷波滤波器。它们也可用于在光学多路复用器和多路分解器与光循环器或光分插复用器(OADM)。通过光循环器撞击到FBG的4个通道(分别表示为4种颜色)。FBG设置为反射其中一个通道,这里是通道4。信号被反射回环行器,在环行器中被向下定向并从系统中丢弃。由于通道已断开,因此可以在网络中的同一点添加该通道上的另一个信号。

一个多路分解器可以通过级联OADM的多个分出部分来实现,其中每个分出元素使用一个FBG设置为要多路分解的波长。相反,可以通过级联OADM的多个添加部分来实现多路复用器。FBG解复用器和OADM也是可调的。在可调谐多路分解器或OADM中,FBG的布拉格波长可通过压电传感器施加的应变进行调谐。FBG对应变的敏感性将在下面的光纤Bragg光栅传感器中进行讨论。

布拉格光纤光栅传感器

除了对应变敏感外,布拉格波长对温度也敏感。这意味着光纤布拉格光栅可以用作光纤传感器中的传感元件。在FBG传感器中,被测物会导致布拉格波长发生偏移,可以将光纤布拉格光栅用作应变和温度的直接传感元件。它们也可以用作换能元件,转换另一个传感器的输出,该传感器从被测物体产生应变或温度变化,例如光纤布拉格光栅气体传感器使用吸取性涂层,该涂层在气体存在时会膨胀而产生应变,可通过光栅测量。从技术上讲,吸取材料是传感元件,可将气体量转化为应变。然后,布拉格光栅将应变转换为波长的变化。

具体而言,光纤布拉格光栅正在诸如地震学等仪器应用中找到应用,[23]?极端恶劣环境中的压力传感器,以及油气井中的井下传感器,用于测量外部压力,温度,地震振动和管道内流量的影响测量。因此,与用于这些应用的传统电子仪表相比,它们提供了显着的优势,因为它们对振动或热量的敏感性较低,因此可靠性更高。在1990年代,进行了调查以测量飞机和直升机结构的复合材料中的应变和温度

光纤激光器中使用的光纤布拉格光栅

最近,高功率光纤激光器的发展为光纤布拉格光栅(FBG)带来了一系列新的应用,它们以以前认为不可能的功率水平工作。对于简单的光纤激光器,FBG可用作高反射器(HR)和输出耦合器(OC)形成激光腔。激光的增益由一定长度的稀土掺杂光纤提供,最常见的形式是使用Yb?3+离子作为石英光纤中的活性激射离子。这些掺Yb的光纤激光器基于自由空间腔以1 kW CW功率工作,但直到很久以后才显示可与光纤布拉格光栅腔一起工作。

这种单片全光纤设备由全球许多企业生产,功率水平超过1 kW。这些全光纤系统的主要优点是,将自由空间镜替换为一对光纤布拉格光栅(FBG),因为在光纤系统中,FBG直接拼接到掺杂的光纤和光纤上,因此消除了系统寿命期间的重新对准。永远不需要调整。面临的挑战是,如何在大模面积(LMA)光纤(例如20/400(直径为20μm的纤芯和直径为400μm的内包层))中以kW CW功率水平操作这些单片腔,而不会在腔内的熔接点和光栅。一旦优化,这些整体式腔体就不需要在设备的使用寿命内重新对准,从而可以从激光器的维护计划中消除光纤表面的任何清洁和降解。但是,在这些功率水平下,接头和FBG本身的封装和优化并不简单,因为各种光纤的匹配也是如此,因为掺入Yb的光纤以及各种无源和光敏光纤的组成需要仔细地匹配。整个光纤激光链。尽管光纤本身的功率处理能力远远超过了该水平,并且可能高达> 30 kW CW,但由于组件的可靠性和熔接损耗,实际极限要低得多。

有源和无源光纤的匹配过程

在双包层光纤中,有两个波导–形成信号波导的掺纤芯和泵浦光的内包层波导。有源光纤的内包层通常被成形为扰乱包层模式并增加泵浦与掺杂纤芯的重叠。有源和无源光纤的匹配以改善信号完整性需要优化纤芯/包层同心度,以及通过纤芯直径和NA的MFD,从而减少了接头损耗。这主要是通过收紧所有相关的光纤规格来实现的

为了改善泵的耦合,匹配光纤需要优化无源和有源光纤的包层直径。为了使耦合到有源光纤的泵浦功率最大化,有源光纤的包层直径设计成比传输泵浦功率的无源光纤的包层直径稍大。例如,包层直径为395μm的无源光纤与包层直径为400μm的有源八边形光纤熔接,可以改善泵浦功率与有源光纤的耦合。示出了这种接头的图像,示出了掺杂的双包层光纤的成形包层。

有源和无源光纤的匹配可以通过几种方式进行优化。匹配载光信号的最简单方法是使每根光纤具有相同的NA和纤芯直径。但是,这并不能说明所有的折射率分布特征。MFD的匹配也是一种用于创建匹配的信号传输光纤的方法。已经证明,匹配所有这些组件可提供最佳的光纤集,以构建高功率放大器和激光器。本质上,对MFD进行建模并开发最终的目标NA和芯直径。制成芯棒,并在将其拉制成纤维之前,先检查其芯直径和NA。基于折射率测量,确定最终纤芯/包层比并将其调整为目标MFD。

光纤联系

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