Fiber Bragg gitter - Fiber Bragg grating

En fiber Bragg-gitter ( FBG ) er en type distribueret Bragg-reflektor konstrueret i et kort segment af optisk fiber, der reflekterer bestemte lysbølgelængder og transmitterer alle andre. Dette opnås ved at skabe en periodisk variation i fiberkernens brydningsindeks , der genererer et bølgelængde-specifikt dielektrisk spejl . Derfor kan et fiber-Bragg-gitter anvendes som en optisk fiber inline til at blokere bestemte bølgelængder, eller det kan bruges som bølgelængde-specifik reflektor.

Figur 1: En Fiber Bragg-gitterstruktur med brydningsindeksprofil og spektral respons

Historie

Det første Bragg-gitter i fiber blev demonstreret af Ken Hill i 1978. Oprindeligt blev gitterene fremstillet ved hjælp af en synlig laser, der formerer sig langs fiberkernen. I 1989 demonstrerede Gerald Meltz og kolleger den meget mere fleksible tværgående holografiske inskriptionsteknik, hvor laserbelysningen kom fra siden af ​​fiberen. Denne teknik bruger interferensmønsteret for ultraviolet laserlys til at skabe den periodiske struktur af fiber Bragg-gitteret.

Fremstille

Fiber Bragg-gitre er skabt ved "indskrivning" eller "skrivning" systematisk (periodisk eller aperiodisk) variation af brydningsindeks i kernen i en speciel type optisk fiber ved hjælp af en intens ultraviolet (UV) kilde, såsom en UV- laser . To hovedprocesser anvendes: interferens og maskering . Den metode, der foretrækkes, afhænger af typen af ​​gitter, der skal fremstilles. Selvom polymeroptiske fibre begynder at vinde forskningsinteresse i 2000'erne, anvendes germaniumdoperet silicafiber mest. Den germaniumdoterede fiber er lysfølsom , hvilket betyder, at brydningsindekset for kernen ændres med eksponering for UV-lys. Ændringens størrelse afhænger af intensiteten og varigheden af ​​eksponeringen samt fiberens lysfølsomhed. For at skrive en Bragg-gitter med høj reflektionsevne direkte i fiberen skal dopingniveauet med germanium være højt. Imidlertid kan standardfibre anvendes, hvis lysfølsomheden forbedres ved forudblødning af fiberen i brint.

Interferens

Dette var den første metode, der blev brugt i vid udstrækning til fremstilling af fiber-Bragg-riste og bruger interferens med to stråler . Her er UV- laseren opdelt i to stråler, der interfererer med hinanden, hvilket skaber en periodisk intensitetsfordeling langs interferensmønstret. Brytningsindekset for den lysfølsomme fiber ændres i henhold til lysintensiteten, som den udsættes for. Denne metode giver mulighed for hurtige og lette ændringer i Bragg-bølgelængden, som er direkte relateret til interferensperioden og en funktion af laserlysets indfaldsvinkel .

Sekventiel skrivning

Komplekse gitterprofiler kan fremstilles ved at udsætte et stort antal små, delvist overlappende gitre i rækkefølge. Avancerede egenskaber såsom faseforskydninger og varierende moduleringsdybde kan introduceres ved at justere de tilsvarende egenskaber for undergrupperne. I den første version af metoden blev undergrupper dannet ved eksponering med UV-impulser, men denne tilgang havde flere ulemper, såsom store energifluktuationer i impulser og lav gennemsnitlig effekt. En sekventiel skrivemetode med kontinuerlig UV-stråling, der overvinder disse problemer, er blevet demonstreret og anvendes nu kommercielt. Den lysfølsomme fiber oversættes af en interferometrisk styret luftbærende vogn. De forstyrrende UV-stråler er fokuseret på fiberen, og når fiberen bevæger sig, bevæger frynserne sig langs fiberen ved at oversætte spejle i et interferometer. Da spejle har et begrænset rækkevidde, skal de nulstilles hver periode, og frynserne bevæger sig i et savtandsmønster. Alle gitterparametre er tilgængelige i kontrolsoftwaren, og det er derfor muligt at fremstille vilkårlige ristestrukturer uden ændringer i hardwaren.

Fotomaske

En fotomaske med de tilsigtede gitterfunktioner kan også anvendes til fremstilling af fiber-Bragg-gitre. Fotomasken placeres mellem UV-lyskilden og den lysfølsomme fiber. Fotomaskens skygge bestemmer derefter gitterstrukturen baseret på den transmitterede lysintensitet, der rammer fiberen. Fotomasker anvendes specifikt til fremstilling af kvidrede Fiber Bragg-riste , som ikke kan fremstilles ved hjælp af et interferensmønster.

Punkt for punkt

En enkelt UV- laserstråle kan også bruges til at 'skrive' gitteret ind i fiberen punkt for punkt. Her har laseren en smal stråle, der svarer til gitterperioden. Hovedforskellen ved denne metode ligger i interaktionsmekanismerne mellem infrarød laserstråling og dielektrisk materiale - multiphotonabsorption og tunnelionisering. Denne metode kan specifikt anvendes til fremstilling af fiberriste i lang periode . Punkt for punkt bruges også til fremstilling af skrå gitter.

Produktion

Oprindeligt blev fremstillingen af ​​den lysfølsomme optiske fiber og 'skrivningen' af fiberen Bragg-gitter gjort separat. I dag trækker produktionslinjer typisk fiberen fra præformen og 'skriver' gitteret, alt sammen i et enkelt trin. Ud over at reducere de dermed forbundne omkostninger og tid, muliggør dette også masseproduktion af Bragg-ristefibre. Masseproduktion letter især anvendelser i smarte strukturer, hvor der anvendes et stort antal (3000) af indlejrede fiber-Bragg-riste langs en enkelt fiberlængde.

Teori

Figur 2: FBG reflekterede effekt som en funktion af bølgelængde

Det grundlæggende princip bag driften af ​​en FBG er Fresnel-refleksion , hvor lys, der bevæger sig mellem medier med forskellige brydningsindeks, både kan reflektere og bryde ved grænsefladen.

Brydningsindekset skifter typisk over en defineret længde. Den reflekterede bølgelængde ( ), kaldet Bragg-bølgelængden, er defineret af forholdet, ${\ displaystyle \ scriptstyle \ lambda _ {B}}$

${\ displaystyle \ lambda _ {B} = 2n_ {e} \ Lambda \,}$

hvor er det effektive brydningsindeks for gitteret i fiberkernen og er gitterperioden. Det effektive brydningsindeks kvantificerer hastigheden af ​​formeringslys sammenlignet med dets hastighed i vakuum. afhænger ikke kun af bølgelængden, men også (for multimode bølgeledere) af den tilstand, hvor lyset udbreder sig. Af denne grund kaldes det også modalt indeks. ${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {e}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Lambda}$${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {e}}$

Bølgelængdeafstanden mellem de første minima (nuller, se fig. 2) eller båndbredden ( ) er (i den stærke gittergrænse) givet af, ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda}$

${\ displaystyle \ Delta \ lambda = \ left [{\ frac {2 \ delta n_ {0} \ eta} {\ pi}} \ right] \ lambda _ {B}}$

hvor er variationen i brydningsindekset ( ) og er brøkdelen af ​​kraft i kernen. Bemærk, at denne tilnærmelse ikke gælder for svage gitre, hvor gitterlængden,, ikke er stor sammenlignet med \ . ${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {3} \, - \, n_ {2}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ eta}$${\ displaystyle \ scriptstyle L_ {g}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$

Toppen reflektion ( ) er omtrent givet af, ${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {B} (\ lambda _ {B})}$

${\ displaystyle P_ {B} (\ lambda _ {B}) \ approx \ tanh ^ {2} \ left [{\ frac {N \ eta (V) \ delta n_ {0}} {n}} \ right] }$

hvor er antallet af periodiske variationer. Den fulde ligning for den reflekterede effekt ( ) er givet af, ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {B} (\ lambda)}$

${\ displaystyle P_ {B} (\ lambda) = {\ frac {\ sinh ^ {2} \ left [\ eta (V) \ delta n_ {0} {\ sqrt {1- \ Gamma ^ {2}}} {\ frac {N \ Lambda} {\ lambda}} \ højre]} {\ cosh ^ {2} \ venstre [\ eta (V) \ delta n_ {0} {\ sqrt {1- \ Gamma ^ {2} }} {\ frac {N \ Lambda} {\ lambda}} \ højre] - \ Gamma ^ {2}}}}$

hvor,

${\ displaystyle \ Gamma (\ lambda) = {\ frac {1} {\ eta (V) \ delta n_ {0}}} \ left [{\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {B}}} - 1 \ højre]}$

Typer af riste

Udtrykket type refererer i denne sammenhæng til den underliggende lysfølsomhedsmekanisme , hvormed der produceres gitterfrynser i fiberen. De forskellige metoder til at skabe disse frynser har en signifikant effekt på fysiske egenskaber ved det producerede gitter, især temperaturresponsen og evnen til at modstå forhøjede temperaturer. Indtil videre er fem (eller seks) typer FBG rapporteret med forskellige underliggende lysfølsomhedsmekanismer. Disse er opsummeret nedenfor:

Standard eller type I, gitter

Skrevet i både hydrogenerede og ikke-hydrogenerede fibre af alle typer, er type I-gitre normalt kendt som standardgitre og fremstilles i fibre af alle typer under alle hydrogeneringsbetingelser. Typisk er refleksionsspektrene for en type I-gitter lig med 1-T, hvor T er transmissionsspektrene. Dette betyder, at refleksions- og transmissionsspektrene er komplementære, og at der er ubetydeligt tab af lys ved refleksion i beklædningen eller ved absorption. Type I-gitre er den mest almindelige af alle gittertyper, og de eneste gitartyper, der er tilgængelige fra hylden i skrivende stund.

Type IA-riste

• Regenereret gitter skrevet efter sletning af en type I-gitter i hydrogeneret germanosilikatfiber af alle typer

Type IA-gitre blev først observeret i 2001 under eksperimenter designet til at bestemme virkningen af ​​hydrogenbelastning på dannelsen af ​​IIA-gitre i germanosilikatfibre. I modsætning til det forventede fald (eller 'blå skift') af risten 'Bragg-bølgelængde, blev der observeret en stor stigning (eller' rød skift ').

Senere arbejde viste, at stigningen i Bragg-bølgelængde begyndte, når en indledende type I-gitter havde nået maksimal reflektionsevne og begyndte at svække. Af denne grund blev det mærket som et regenereret gitter.

Bestemmelse af type IA-ristes temperaturkoefficient viste, at den var lavere end et standardgitter skrevet under lignende betingelser.

Hovedforskellen mellem indskriften på type IA og IIA-gitre er, at IA-gitre er skrevet i hydrogenerede fibre, mens type IIA-gitre er skrevet i ikke-hydrerede fibre.

Type IIA, eller type In, gitter

• Dette er gitter, der dannes, når den negative del af den inducerede indeksændring overgår den positive del. Det er normalt forbundet med gradvis afslapning af induceret stress langs aksen og / eller ved grænsefladen. Det er blevet foreslået, at disse gitre kan ommærkes type In (for type 1 gitre med negativ indeksændring; type II-etiket kan reserveres til dem, der er tydeligt lavet over glassets skadesgrænse).

Senere forskning foretaget af Xie et al. viste eksistensen af ​​en anden type gitter med lignende termiske stabilitetsegenskaber som type II gitter. Dette gitter udviste en negativ ændring i fiberens middelindeks og blev betegnet type IIA. Gitterene blev dannet i germanosilikatfibre med impulser fra en frekvensdoblet XeCl-pumpet farvelaser. Det blev vist, at den oprindelige eksponering dannede en standard (type I) gitter inde i fiberen, som gennemgik et lille rødt skift, før det blev slettet. Yderligere eksponering viste, at et gitter reformeredes, som gennemgik et konstant blåt skift, mens det voksede i styrke.

Regenererede riste

Disse er gitre, der genfødes ved højere temperaturer efter sletning af gitre, normalt type I gitre og normalt, men ikke altid, i nærværelse af brint. De er blevet fortolket på forskellige måder, herunder diffus af doping (ilt er den mest populære nuværende fortolkning) og glasstrukturændring. Nyligt arbejde har vist, at der eksisterer et regenereringsregime ud over diffusion, hvor gitre kan fås til at fungere ved temperaturer over 1.295 ° C, der overgår selv type II femtosekundsgitre. Disse er ekstremt attraktive til applikationer med ultrahøj temperatur.

Type II gitre

• Beskadigede skrevne riste indskrevet af multiphoton-excitation med lasere med højere intensitet, der overstiger glassets skadesgrænse. Brugte lasere pulseres normalt for at nå disse intensiteter. De inkluderer nyere udvikling inden for multiphoton-excitation ved hjælp af femtosekundimpulser, hvor de korte tidsskalaer (svarende til en tidsskala svarende til lokale afslapningstider) tilbyder hidtil uset rumlig lokalisering af den inducerede ændring. Det amorfe netværk af glasset transformeres normalt via en anden ioniserings- og smeltesti for at give enten højere indeksændringer eller skaber gennem mikroeksplosioner hulrum omgivet af mere tæt glas.

Archambault et al. viste, at det var muligt at indskrive gitre med ~ 100% (> 99,8%) reflektans med en enkelt UV-puls i fibre på trækketårnet. De resulterende gitre viste sig at være stabile ved temperaturer så høje som 800 ° C (op til 1.000 ° C i nogle tilfælde og højere med femtosekund laserindskrift). Gitterene blev indskrevet ved anvendelse af en enkelt 40 mJ puls fra en excimerlaser ved 248 nm. Det blev yderligere vist, at en skarp tærskel var tydelig ved ~ 30 mJ; over dette niveau steg indeksmodulationen med mere end to størrelsesordener, mens indeksmodulationen under 30 mJ voksede lineært med pulsenergi. For at gøre det lettere at identificere og anerkende de forskellige forskelle i termisk stabilitet, mærkede de gitre fremstillet under tærsklen som type I gitre og over tærsklen som type II gitre. Mikroskopisk undersøgelse af disse gitre viste et periodisk skadespor på gitterets sted inde i fiberen [10]; derfor er type II gitre også kendt som skaderiste. Disse revner kan dog være meget lokaliserede for ikke at spille en vigtig rolle i spredning af tab, hvis de er ordentligt forberedt.

Gitterstruktur

Figur 3: Struktur af brydningsindeksændringen i en ensartet FBG (1), en kvidret FBG (2), en skrå FBG (3) og en overbygning FBG (4).

Figur 4: brydningsindeksprofil i kernen af, 1) en ensartet positiv kun FBG, 2) en Gauss-apodiseret FBG, 3) en hævet-cosinus-apodiseret FBG med nul-DC-ændring og 4) en diskret faseskift FBG.

FBG's struktur kan variere via brydningsindekset eller gitterperioden. Gitterperioden kan være ensartet eller gradueret og enten lokaliseret eller fordelt i en overbygning. Brydningsindekset har to primære egenskaber, brydningsindeksprofilen og forskydningen. Typisk kan brydningsindeksprofilen være ensartet eller apodiseres, og brydningsindeksforskydningen er positiv eller nul.

Der er seks almindelige strukturer for FBG'er;

1. ensartet positiv kun indeksændring,
2. Gaussian undskyldte ,
3. rejst-cosinus apodiseret,
4. kvidrede ,
5. diskret faseskift, og
6. overbygning.

Den første komplekse gitter blev lavet af J. Canning i 1994. Dette understøttede udviklingen af ​​de første distribuerede feedback (DFB) fiberlasere og lagde også grundlaget for de mest komplekse gitre, der fulgte, inklusive de samplede gitre, der først blev lavet af Peter Hill og kolleger i Australien.

Apodiserede riste

Der er dybest set to størrelser, der styrer egenskaberne af FBG. Disse er gitterlængden , givet som ${\ displaystyle \ scriptstyle L_ {g}}$

${\ displaystyle L_ {g} = N \ Lambda \,}$

og gitterstyrken . Der er dog tre egenskaber, der skal styres i en FBG. Dette er reflektionsevnen, båndbredden og sidelappens styrke. Som vist ovenfor afhænger båndbredden i den stærke gittergrænse (dvs. for store ) af gitterstyrken og ikke gitterlængden. Dette betyder, at gitterstyrken kan bruges til at indstille båndbredden. Gitterlængden kan derefter effektivt bruges til at indstille spidsreflektionsevnen, som afhænger af både gitterstyrken og gitterlængden. Resultatet af dette er, at styrken på sidelappen ikke kan kontrolleres, og denne enkle optimering resulterer i betydelige sidelapper. En tredje mængde kan varieres for at hjælpe med undertrykkelse af sidelobe. Dette er apodisering af ændringen af brydningsindekset. Udtrykket apodisering henviser til klassificeringen af ​​brydningsindekset for at nærme sig nul i slutningen af ​​gitteret. Apodiserede riste giver signifikant forbedring i undertrykkelse af sidelobe, samtidig med at reflektionsevne og en smal båndbredde opretholdes. De to funktioner, der typisk bruges til at undskylde en FBG, er Gaussisk og rejst-cosinus. ${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0} \ eta}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$${\ displaystyle \ scriptstyle N}$

Bragg-riste med kvidrede fibre

Gitterets brydningsindeksprofil kan modificeres for at tilføje andre træk, såsom en lineær variation i gitterperioden, kaldet en kvidring . Den reflekterede bølgelængde ændres med gitterperioden og udvider det reflekterede spektrum. Et gitter, der har en kvidring, har den egenskab at tilføje dispersion - navnlig forskellige bølgelængder reflekteret fra gitteret vil blive udsat for forskellige forsinkelser. Denne egenskab er også brugt til udvikling af fasede array- antennesystemer og spredningskompensation for polariseringstilstand.

Tilted fiber Bragg riste

I standard FBG'er er sorteringen eller variationen af ​​brydningsindekset langs længden af ​​fiberen (den optiske akse) og er typisk ensartet over bredden af ​​fiberen. I en skråtstillet FBG (TFBG) er variationen i brydningsindekset i en vinkel med den optiske akse. Hældningsvinklen i en TFBG har en effekt på den reflekterede bølgelængde og båndbredde.

Langvarige riste

Gitterperioden er typisk den samme størrelse som Bragg-bølgelængden, som vist ovenfor . For et gitter, der reflekterer ved 1.500 nm, er gitterperioden 500 nm ved anvendelse af et brydningsindeks på 1,5. Længere perioder kan bruges til at opnå meget bredere svar, end det er muligt med en standard FBG. Disse gitre kaldes langvarig fiberrist . De har typisk gitterperioder i størrelsesordenen 100 mikrometer til en millimeter og er derfor meget lettere at fremstille.

Fase-forskudt fiber Bragg riste

Fase-forskudt fiber Bragg riste (PS-FBGs) er en vigtig klasse af riste strukturer, der har interessante anvendelser inden for optisk kommunikation og sensing på grund af deres specielle filtreringsegenskaber. Disse typer gitre kan omkonfigureres gennem speciel emballage og systemdesign.

Forskellige belægninger med diffraktiv struktur anvendes til fiber-Bragg-gitre for at reducere den mekaniske påvirkning af Bragg-bølgelængdeforskydningen 1,1-15 gange sammenlignet med en ubelagt bølgeleder.

Adresserede fiber Bragg strukturer

Adresserede fiber Bragg strukturer (AFBS) er en voksende klasse af FBG'er udviklet for at forenkle forhør og forbedre ydeevnen for FBG-baserede sensorer. Den optiske frekvensrespons for en AFBS har to indsnævringer med smalbånd med frekvensafstanden imellem dem inden for radiofrekvensområdet (RF) . Frekvensafstanden kaldes AFBS adressefrekvens og er unik for hver AFBS i et system. AFBS 'centrale bølgelængde kan defineres uden at scanne dets spektrale respons, i modsætning til konventionelle FBG'er, der undersøges af optoelektroniske forhørere. Et forhørskredsløb af AFBS er signifikant forenklet i sammenligning med konventionelle forhørere og består af en optisk bredbåndskilde, et optisk filter med et foruddefineret lineært skråt frekvensrespons og en fotodetektor.

Ansøgninger

Kommunikation

Figur 5: Optisk add-drop multiplexer.

Den primære anvendelse af Bragg-fiberriste er i optiske kommunikationssystemer. De bruges specifikt som hakfiltre . De bruges også i optiske multiplexere og demultiplexere med en optisk cirkulator eller optisk add-drop multiplexer (OADM). Figur 5 viser 4 kanaler, afbildet som 4 farver, der rammer en FBG via en optisk cirkulator. FBG er indstillet til at reflektere en af ​​kanalerne, her kanal 4. Signalet reflekteres tilbage til cirkulatoren, hvor det ledes ned og falder ud af systemet. Da kanalen er droppet, kan der tilføjes et andet signal på denne kanal på samme sted i netværket.

En demultiplexer kan opnås ved at kaskade flere drop-sektioner af OADM, hvor hvert drop-element bruger et FBG-sæt til den bølgelængde, der skal demultiplexes. Omvendt kan en multiplexer opnås ved at kaskade flere tilføjede sektioner af OADM. FBG demultiplexere og OADM'er kan også indstilles. I en indstillelig demultiplexer eller OADM kan FBG's Bragg-bølgelængde indstilles ved stamme påført af en piezoelektrisk transducer . Følsomheden af ​​en FBG over for belastning diskuteres nedenfor i fiber Bragg gitter sensorer .

Fiber Bragg gittersensorer

Ud over at være følsom over for stamme er Bragg-bølgelængden også følsom over for temperatur . Dette betyder, at fiber-Bragg-gitre kan bruges som sensorelementer i sensorer med optisk fiber . I en FBG-sensor forårsager målestørrelsen et skift i Bragg-bølgelængden . Den relative forskydning i Bragg-bølgelængden på grund af en påført stamme ( ) og en ændring i temperatur ( ) er omtrent givet ved, ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda _ {B} / \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ epsilon}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta T}$

${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta \ lambda _ {B}} {\ lambda _ {B}}} \ right] = C_ {S} \ epsilon + C_ {T} \ Delta T}$

eller,

${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta \ lambda _ {B}} {\ lambda _ {B}}} \ right] = (1-p_ {e}) \ epsilon + (\ alpha _ {\ Lambda } + \ alpha _ {n}) \ Delta T}$

Her er stammekoefficienten , som er relateret til stammeoptisk koefficient . Ligeledes er koefficienten temperatur , som består af den termiske udvidelseskoefficient af den optiske fiber, og den termo-optiske koefficient , . ${\ displaystyle \ scriptstyle C_ {S}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle p_ {e}}$${\ displaystyle \ scriptstyle C_ {T}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ alpha _ {\ Lambda}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ alpha _ {n}}$

Fiber Bragg-riste kan derefter bruges som direkte sensingelementer for belastning og temperatur. De kan også bruges som transduktionselementer, der konverterer output fra en anden sensor, der genererer en belastning eller temperaturændring fra målestørrelsen. F.eks. Anvender fiber Bragg gittergassensorer en absorberende belægning, som i nærvær af en gas udvides, hvilket genererer en stamme , som kan måles ved gitteret. Teknisk set er det absorberende materiale det følende element, der omdanner mængden af ​​gas til en stamme. Bragg-gitteret transducerer derefter stammen til ændringen i bølgelængde.

Specifikt finder fiber Bragg-riste anvendelser i instrumenteringsapplikationer såsom seismologi , trykfølere til ekstremt barske miljøer og som sensorer nede i hullet i olie- og gasbrønde til måling af virkningerne af eksternt tryk, temperatur, seismiske vibrationer og inline flowmåling. Som sådan tilbyder de en betydelig fordel i forhold til traditionelle elektroniske målere, der anvendes til disse applikationer, idet de er mindre følsomme over for vibrationer eller varme og følgelig er langt mere pålidelige. I 1990'erne blev der foretaget undersøgelser for måling af stamme og temperatur i kompositmaterialer til fly og helikopterstrukturer .

Fiber Bragg-riste, der anvendes i fiberlasere

For nylig har udviklingen af ​​højeffektive fiberlasere genereret et nyt sæt applikationer til fiberbragg-riste (FBG'er), der fungerer ved effektniveauer, der tidligere blev anset for umulige. I tilfælde af en simpel fiberlaser kan FBG'erne bruges som højreflektor (HR) og outputkobling (OC) til dannelse af laserhulrummet. Forstærkningen for laseren tilvejebringes af en længde af optisk fiber, der er dopet med sjældne jordarter, med den mest almindelige form ved anvendelse af Yb ³⁺ -ioner som den aktive lasere i silicafibrene. Disse Yb-dopede fiberlasere opererede først ved 1 kW CW-effektniveau i 2004 baseret på hulrum i det fri rum, men det blev ikke vist, at de fungerede med fiberbragg-gitterhulrum før meget senere.

Sådanne monolitiske enheder med alle fibre produceres af mange virksomheder over hele verden og med et effektniveau, der overstiger 1 kW. Den største fordel ved alle disse fibersystemer, hvor spejle i det fri rum udskiftes med et par Bragg-gitre (FBG'er), er eliminering af justering i systemets levetid, da FBG splejses direkte til den doterede fiber og behøver aldrig at blive justeret. Udfordringen er at betjene disse monolitiske hulrum ved kW CW effektniveau i fibre i stort mode (LMA) såsom 20/400 (20 μm diameter kerne og 400 μm indre beklædning) uden for tidlige svigt ved splejsepunkterne inden for hulrummet og gitterene. Når de er blevet optimeret, behøver disse monolitiske hulrum ikke justering i løbet af enhedens levetid, hvilket fjerner enhver rengøring og nedbrydning af fiberoverfladen fra laserens vedligeholdelsesplan. Imidlertid er emballagen og optimeringen af ​​splejsningene og FBG'erne ikke trivielle på disse effektniveauer, ligesom matchningen af ​​de forskellige fibre, da sammensætningen af ​​Yb-dopet fiber og forskellige passive og lysfølsomme fibre skal matches nøje hele fiberlaserkæden. Selvom selve fiberens effekthåndteringsevne langt overstiger dette niveau og muligvis er så højt som> 30 kW CW, er den praktiske grænse meget lavere på grund af komponentpålidelighed og splejsetab.

Fremgangsmåde til at matche aktive og passive fibre

I en dobbeltklædt fiber er der to bølgeledere - den Yb-dopede kerne, der danner signalbølgelederen og den indre beklædningsbølgeleder til pumpelyset. Den indre beklædning af den aktive fiber er ofte formet til at kryptere beklædningen og øge pumpens overlapning med den doterede kerne. Matchning af aktive og passive fibre til forbedret signalintegritet kræver optimering af kernen / klædt koncentritet og MFD gennem kernediameteren og NA, hvilket reducerer splejsetab. Dette opnås hovedsageligt ved at stramme alle de relevante fiberspecifikationer.

Matchende fibre til forbedret pumpekobling kræver optimering af den beklædte diameter for både den passive og den aktive fiber. For at maksimere mængden af ​​pumpeeffekt, der er koblet til den aktive fiber, er den aktive fiber designet med en lidt større beklædt diameter end de passive fibre, der leverer pumpeeffekten. Som et eksempel forbedrer passive fibre med beklædte diametre på 395 um splejset til aktiv ottekantet fiber med beklædte diametre på 400 um koblingen af ​​pumpekraft til den aktive fiber. Et billede af en sådan splejsning vises med den formede beklædning af den doterede dobbeltbeklædte fiber.

Matchingen af ​​aktive og passive fibre kan optimeres på flere måder. Den nemmeste metode til at matche det signalbærende lys er at have identiske NA- og kernediametre for hver fiber. Dette tager dog ikke højde for alle brydningsindeksprofilfunktionerne. Matchning af MFD er også en metode, der anvendes til at skabe matchede signalbærende fibre. Det er vist, at matchning af alle disse komponenter giver det bedste sæt fibre til at opbygge forstærkere og lasere med høj effekt. I det væsentlige er MFD modelleret, og det resulterende mål NA og kernediameter udvikles. Kernestangen er lavet, og inden dens træk i fiber kontrolleres dens kernediameter og NA. Baseret på brydningsindeksmålingerne bestemmes det endelige kerne / klædte forhold og justeres til MFD-målet. Denne tilgang tegner sig for detaljer om brydningsindeksprofilen, som let og med høj nøjagtighed kan måles på præformen, før den trækkes ind i fiber.

Se også

• Braggs lov
• Dielektrisk spejl
• Diffraktion
  • Diffraktionsgitter
• Distribueret temperaturmåling med fiberoptik
• Brintføler
• Langvarig fiberrist
• PHOSFOS- projekt - indlejring af FBG'er i fleksible skind
• Fotonisk krystalfiber

Referencer

eksterne links

• FOSNE - Fiber Optic Sensing Network Europe
• Bragg gitter i Subsea infrastrukturovervågning