光纤光栅原理及应用PDF电子书下载

1.1 光纤光栅发展概况 1

第1章 概论 1

1.2 光纤光栅分类 2

1.2.1 按光纤光栅的周期分类 3

1.2.2 按光纤光栅的波导结构分类 3

1.2.3 按光纤光栅的形成机理分类 5

1.2.4 按光纤光栅的材料分类 5

1.3 光纤光栅应用概况 6

1.3.1 光纤布拉格光栅在通信领域中的应用 6

1.3.2 光纤布拉格光栅在传感领域中的应用 7

1.3.3 长周期光纤光栅在通信中的应用 10

1.3.4 长周期光纤光栅在传感中的应用 12

1.4 本书提纲 14

参考文献 15

2.1 光敏性介绍 20

第2章 光纤光敏性 20

2.2 硅基光纤的光敏性 21

2.3 光致折变的各向异性 26

2.4 点缺陷 28

2.4.1 硅玻璃中的点缺陷 28

2.4.2 掺锗硅玻璃中的点缺陷 30

2.5 硅光纤光敏性的增强 33

2.5.1 氢载 34

2.5.2 火焰轻擦技术 39

2.5.3 光纤掺杂技术 40

2.6 光敏性机理 41

2.6.1 色心模型 42

2.6.2 电荷漂移模型 43

2.6.3 应力释放模型 43

2.6.4 结构重组模型 44

2.7 其他种类光纤的光敏性 46

2.7.1 共掺氮光纤 47

2.7.2 非掺锗硅氮氧化物光纤 47

2.7.3 光敏塑料光纤 47

2.8 光致折变的清除与保持 48

参考文献 49

第3章 光纤光栅写入方法 55

3.1 内部法写入光纤布拉格光栅 55

3.2 干涉法制作光纤布拉格光栅 56

3.2.1 分振幅干涉法 56

3.2.2 分波前干涉法 58

3.3 相位模板法制作光纤布拉格光栅 59

3.3.1 相位模板中的拼接误差 63

3.3.2 改变相位模板的周期 65

3.4 逐点法写入布拉格光栅 67

3.5 模板成像投影法 68

3.6 光纤光栅写入中的激光光源 69

3.6.1 干涉技术用激光源 69

3.6.2 非干涉技术对激光源的要求 72

3.7 特殊光栅的制作过程 73

3.7.1 单脉冲写入光纤光栅 73

3.7.2 在光纤拉制过程中写入布拉格光栅 76

3.7.3 具有复杂反射率分布的长光纤布拉格光栅 78

3.7.4 啁啾光栅 80

3.7.5 相移光栅 83

3.7.6 光栅变迹 84

3.8 氢载对制作光纤光栅的影响 84

3.9 透过聚合物敷层制作光纤布拉格光栅 85

3.10 长周期光纤光栅写入法 86

3.10.1 紫外光写入法 86

3.10.2 腐蚀刻槽法 88

3.10.3 离子束入射法 89

3.10.4 机械微弯变形法 90

3.10.5 局部加热写入法 91

3.10.6 高频CO2激光脉冲写入法 92

3.10.7 CO2激光写入法的机理 96

参考文献 104

第4章 光纤布拉格光栅理论 110

4.1 光纤布拉格光栅的耦合模理论 111

4.2 非均匀光栅中的双模耦合 117

4.3 倾斜光栅 123

4.4 包层模耦合 126

4.5 辐射模耦合 128

4.6 光纤布拉格光栅的数值算法 130

4.7 布洛赫波 131

4.8 非线性光栅效应 133

参考文献 134

4.9 讨论 134

第5章 光纤布拉格光栅的特性 136

5.1 均匀光纤布拉格光栅 136

5.1.1 均匀光纤布拉格光栅的波导结构 136

5.1.2 均匀光纤布拉格光栅的反射率 137

5.1.3 均匀光纤布拉格光栅的应变与温度灵敏性 138

5.2 光纤布拉格光栅的种类 140

5.2.1 普通布拉格反射元件 140

5.2.2 闪耀光纤布拉格光栅 141

5.2.3 啁啾光纤布拉格光栅 143

5.2.4 其他类型光纤布拉格光栅 144

5.3 光纤布拉格光栅的脉冲响应 147

5.3.1 超短波脉冲的传输响应 147

5.3.2 高强度脉冲的传输响应 150

5.3.3 光纤布拉格光栅的非线性机理 152

5.4.1 光纤布拉格光栅的热衰减 153

5.4 光纤布拉格光栅的寿命和可靠性 153

5.4.2 光纤布拉格光栅的机械强度 154

参考文献 156

第6章 光纤布拉格光栅在传感中的应用 160

6.1 概述 160

6.2 传感原理 161

6.2.1 应变 161

6.2.2 温度 163

6.2.3 压力 163

6.2.4 动态磁场 164

6.2.5 应变和温度的同时测量 165

6.3 FBG传感系统中的探测解调技术 168

6.3.1 探测解调方法原理 169

6.3.2 基于边缘滤波器的探测系统 171

6.3.3 基于可调滤波器的探测系统 173

6.3.4 基于干涉扫描法的探测系统 175

6.3.5 基于双腔干涉扫描法的探测系统 176

6.4 FBG复用技术 178

6.4.1 波分复用 178

6.4.2 时分复用方法 181

6.4.3 空分复用（SDM） 182

6.5 FBG传感器的应用 184

6.5.1 大型复合材料和混凝土结构健康监测应用 184

6.5.2 在电力工业中的应用 193

6.5.3 医学应用 195

6.5.4 油井应用 200

6.5.5 化学传感 201

6.6 其他应用 201

参考文献 202

7.1.1 掺铒光纤激光器 208

第7章 光纤布拉格光栅在通信中的应用 208

7.1 光纤激光器 208

7.1.2 包层泵浦光纤激光器 214

7.1.3 拉曼光纤激光器 215

7.1.4 锁模光纤激光器 216

7.2 光纤放大器 218

7.2.1 改善掺铒光纤放大器性能 218

7.2.2 增益平坦和增益控制 219

7.2.3 拉曼光纤放大器 221

7.3 光纤布拉格光栅二极管激光器 222

7.3.1 单模激光器 223

7.3.2 锁模激光器 224

7.3.3 coherence-collapsed激光器 225

7.3.4 基于布拉格光栅的光纤激光器新发展 226

7.4 光纤布拉格光栅滤波器 226

7.4.2 环形器型光纤光栅滤波器 227

7.4.1 简单布拉格光栅滤波器 227

7.4.3 干涉型光纤光栅滤波器 228

7.4.4 莫尔型光纤光栅滤波器 229

7.4.5 相移型光纤光栅滤波器 229

7.4.6 Fabry-Perot型光纤光栅滤波器 230

7.4.7 梳状结构和超结构光纤光栅型滤波器 230

7.4.8 闪耀型光纤光栅滤波器 230

7.4.9 受抑耦合型光纤光栅滤波器 231

7.5 波分复用／解复用器 231

7.5.1 一种结构简单的光纤光栅波分复用器 231

7.5.2 干涉型光纤光栅波分复用器 232

7.5.3 非干涉型光纤光栅波分复用器 235

7.6 密集波分复用器 239

7.7 色散补偿器 240

7.8 光纤布拉格光栅的其他应用 243

7.9 小结 244

参考文献 244

第8章 长周期光纤光栅理论 251

8.1 长周期光纤光栅理论模型的发展 251

8.2 耦合模理论 252

8.3 长周期光纤光栅的模式耦合Ⅰ 253

8.3.1 自耦合率和交叉耦合率 253

8.3.2 谐振波长和带宽 255

8.3.3 传输谱的模拟计算 257

8.4 长周期光纤光栅的模式耦合Ⅱ 259

8.4.1 纤芯基模和包层模的有效折射率和传输常数 260

8.4.2 纤芯基模和包层模的模场分布和归一化常量 263

8.4.3 耦合系数和耦合常数 265

8.4.4 长周期光纤光栅的模式耦合方程 266

8.4.5 长周期光纤光栅的谐振波长 268

8.4.6 长周期光纤光栅透射谱的模拟计算 269

8.5 级联长周期光纤光栅 271

8.5.1 级联长周期光纤光栅的模式耦合 272

8.5.2 级联长周期光纤光栅透射谱干涉峰间距 274

8.6 小结 277

参考文献 277

第9章 长周期光纤光栅的特性 279

9.1 长周期光纤光栅的温度特性 279

9.1.1 温度特性的理论分析 279

9.1.2 紫外光写入的长周期光栅的温度特性 284

9.1.3 高频CO2激光写入的长周期光纤光栅的温度特性 288

9.2 长周期光纤光栅的轴向应变特性 292

9.2.1 轴向应变特性的理论分析 292

9.2.2 紫外光写入的长周期光纤光栅的轴向应变特性 294

9.2.3 高频CO2激光写入的长周期光纤光栅的轴向应变特性 295

9.3 长周期光纤光栅的弯曲特性 296

9.3.1 紫外光写入的长周期光纤光栅的弯曲特性 297

9.3.2 纤芯偏移的光纤中写入的长周期光纤光栅的弯曲特性 299

9.3.3 B-Ge共掺的单模光纤中的长周期光纤光栅的弯曲特性 301

9.3.4 高频CO2激光写入的长周期光纤光栅的弯曲特性 303

9.3.5 弯曲特性的理论分析 306

9.4 长周期光纤光栅的扭曲特性 310

9.4.1 腐蚀刻槽法写入的长周期光纤光栅的扭曲特性 310

9.4.2 电弧放电写入的LPFG的扭曲特性 315

9.4.3 高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的扭曲特性 316

9.4.4 光纤扭曲特性的分析 321

9.4.5 局部加热法写入的长周期光纤光栅的扭曲特性分析 324

9.5 长周期光纤光栅的横向负载特性 326

9.5.1 紫外光写入的LPFG的横向负载特性 326

9.5.2 高频CO2激光脉冲写入的LPFG横向负载特性 329

9.5.3 光纤横向负载特性分析 335

9.5.4 高频CO2激光写入的LPFG横向负载特性分析 338

9.6 小结 340

参考文献 342

第10章 长周期光纤光栅在传感中的应用 345

10.1 温度应变同时测量传感器 345

10.1.1 单个长周期光纤光栅实现温度应变同时测量 345

10.1.2 LPFG和EFPI集成实现温度应变同时测量 347

10.2 长周期光纤光栅高温传感器 351

10.3 弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器 352

10.4 能判别弯曲方向的弯曲传感器 353

10.5 高灵敏度的弯曲传感器 356

10.6 能判别扭曲方向的扭曲传感器 357

10.7 温度和负载同时测量传感器 359

10.8 动态横向负荷传感器 360

10.9 级联长周期光纤光栅在传感领域中的应用 364

10.9.1 级联长周期光纤光栅弯曲传感器 365

10.9.2 级联长周期光纤光栅横向负载传感器 366

10.9.3 级联长周期光纤光栅化学传感器 367

10.9.4 级联长周期光纤光栅温度传感器 368

10.10 长周期光纤光栅的其他传感应用 371

10.11 小结 371

参考文献 372

第11章 长周期光纤光栅在通信中的应用 376

11.1 增益均衡器 376

11.1.1 EDFA增益均衡器 376

11.1.2 基于弯曲和温度特性的可调谐增益均衡器 378

11.1.3 基于横向负载和温度特性的可调谐增益均衡器 380

11.2 ASE噪声滤波器 382

11.2.1 低噪声前置放大器 382

11.2.2 低噪声、高增益线路放大器 383

11.2.3 利用ASE滤波器优化掺铒光纤放大器的特性 385

11.3 集成长周期光纤光栅的光纤耦合器 386

11.4 长周期光纤光栅偏振相关性的利用和补偿方法 389

11.4.1 长周期光纤光栅波长选择偏振滤波器 389

11.4.2 扭曲降低LPFG的偏振相关损耗 390

11.4.3 光纤旋转器补偿LPFG偏振相关性 391

11.5 级联长周期光纤光栅构成的梳状滤波器 392

11.6 WDM通道隔离器 395

11.7 多波长光纤光源 397

11.8 通信应用中长周期光纤光栅温度敏感性的补偿方法 400

11.8.1 应变特性补偿谐振波长的温度敏感性 400

11.8.2 封装补偿谐振波长温度敏感性 401

11.8.3 弯曲效应降低温度灵敏度 403

11.9 长周期光纤光栅的其他通信应用 403

11.10 小结 405

参考文献 406