En fiberbragg rist (FBG) er en spesialisert optisk enhet basert på optiske fibre. Den oppnår kontroll over refleksjon eller overføring av spesifikke bølgelengder av lys ved å innføre en periodisk brytningsindeksmodulasjonsstruktur i fiberkjernen. På grunn av fordelene som høy følsomhet, immunitet mot elektromagnetisk interferens og enkel integrasjon, er FBG -er mye brukt innen felt som kommunikasjon, sensing, helsetjenester, romfart og mer.
1. Fundamentale prinsipper for FBGs
Kjerneprinsippet for FBG er Bragg -diffraksjon. Når lys forplanter seg gjennom en optisk fiber og møter en region med periodiske brytningsindeksvariasjoner (dvs. ristestrukturen), lys av en spesifikk bølgelengde (Bragg bølgelengde, λB) gjenspeiles, mens andre bølgelengder overføres. Bragg -bølgelengden bestemmes av ristperioden (λ) og den effektive brytningsindeksen til kjernen (neff), uttrykt som: λB = 2neffΛ
Når ytre forhold (for eksempel temperatur, belastning eller trykk) endres, forskyves ristperioden eller brytningsindeksen, noe som forårsaker et tilsvarende skifte i Bragg -bølgelengden. Ved å overvåke dette skiftet, kan høy - presisjonsmålinger av fysiske mengder oppnås.
2. Fabrikasjonsmetoder for FBGS
Foreløpig er FBG -er primært produsert ved bruk av Ultrafiolet (UV) laserinnskriftsteknikker, med vanlige metoder inkludert:
- Fasemaskemetode: En UV -laser bestråler fiberen gjennom en fasemaske, og danner en periodisk brytningsindeksmodulasjon i kjernen. Passer for masseproduksjon.
- interferensmetode: To sammenhengende UV -laserstråler forstyrrer for å skape ristestrukturen på fiberen, og gir høyere fleksibilitet for tilpassede behov.
- femtosecond Laser Direct Writing: Bruker ultrafast pulserte lasere for å innskrive gitter direkte inne i fiberen, egnet for stabil gitter fabrikasjon i tøffe miljøer (f.eks. Høy temperatur eller stråling).
3. Hovedtyper FBG
Basert på brytningsindeksmodulasjonsmønstre og applikasjonskrav, kan FBG -er kategoriseres i:
- Uniform FBG: har en konstant refraktiv indeksmodulasjonsperiode, hovedsakelig brukt til smalbåndsfiltrering og sensing.
- kvitret FBG: Ristperioden varierer gradvis langs fiberaksen, nyttig for spredningskompensasjon og distribuert sensing.
- vippet FBG: Ristkantene vippes i en vinkel til fiberaksen, og kobler kjernemodus med kledningsmodus, egnet for biokjemisk sensing.
- Lang periode FBG (LPFG): har en lengre ristperiode (hundrevis av mikrometer), som muliggjør modus kobling ved spesifikke bølgelengder, ideell for temperatur- og brytningsindeksfølelse.
4. Applikasjoner av FBGs
Takket være deres kompakte størrelse, interferensmotstand og distribuerte sensingfunksjoner, har FBG -er brede applikasjoner:
- Fiberoptisk kommunikasjon: brukt til filtrering, spredningskompensasjon og laserstabilisering i bølgelengdedivisjonsmultiplexing (WDM) -systemer.
- Strukturell helseovervåking: innebygd i store strukturer (f.eks. Bridges, fly, vindturbiner) for å overvåke belastning, temperatur og vibrasjon i sanntid.
- Medisinsk deteksjon: Anvendt i endoskop og minimalt invasive kirurgiske verktøy for tilbakemelding av kraft og temperaturovervåking.
- Olje- og kraftindustri: Brukes for lekkasjdeteksjon i rørledninger og temperaturovervåking i høy - Spenningskabler.
- Aerospace: distribuert i flyvinger og romfartøyskall for å overvåke strukturell deformasjon og termisk spenning.
5. Fremtidige trender for FBG
Med fremskritt innen smart sensing og Internet of Things (IoT) inkluderer viktige forskningsretninger for FBG -er:
- multi - parameter sensing: Utvikle nye ristestrukturer som er i stand til samtidig å måle temperatur, belastning, trykk, brytningsindeks og mer.
- Fleksibel FBGs: Integrering med fleksible materialer for å utvide applikasjoner på bærbare enheter og robot taktil sensing.
- ai - assistert analyse: Kombinasjon av maskinlæringsalgoritmer for å forbedre databehandling og prediktiv nøyaktighet i FBG -sensing -systemer.
Konklusjon
Som en høy - ytelse optisk enhet, har FBG -er blitt en viktig komponent i moderne optoelektronisk teknologi på grunn av deres unike sensingmekanismer og bredt applikasjonspotensial. I fremtiden vil gjennombrudd i nye materialer og fabrikasjonsteknikker ytterligere utvide sin rolle i smart sensing, 5G -kommunikasjon, biomedisinske applikasjoner og mer, drive fremgang i høy - teknisk industri.