Wie viel länger ist seine Periode als die eines normalen Gitters? Was kann damit Besonderes gemessen werden?
Langperiodische Faser-Gitter (LPG, Long-Period Fiber Grating) unterscheiden sich erheblich von gängigen normalen Faser-Bragg-Gittern (FBG, Fiber Bragg Grating, auch kurzperiodische Faser-Gitter genannt) hinsichtlich ihres physikalischen Mechanismus, ihrer Strukturgröße und ihrer Anwendungsbereiche.
Im Folgenden wird dies aus zwei Perspektiven – Vergleich der Periodenskalen und spezielle Messanwendungen – akademisch erläutert.
I. Vergleich der Perioden: Wie viel länger sind Langperioden-Faser-Gitter als normale Gitter?
Die „Periode“ eines Faser-Gitters bezieht sich auf den physikalischen Gitterabstand (\Lambda) des periodisch variierenden Brechungsindexmusters.
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Skalenvergleich:
- Normale kurzperiodische Faser-Gitter (FBG): Ihre Periode (\Lambda_{FBG}) liegt typischerweise im Bereich von hunderten Nanometern (nm). Beispielsweise beträgt die Gitterperiode eines FBG im für Kommunikation und Sensorik üblichen 1550\text{ nm}-Bereich normalerweise nur etwa 500\text{ nm} \sim 540\text{ nm}.
- Langperiodische Faser-Gitter (LPG): Ihre Periode (\Lambda_{LPG}) liegt typischerweise zwischen zig Mikrometern und hunderten Mikrometern (\mu\text{m}), wobei der typische Bereich 100\ \mu\text{m} \sim 1000\ \mu\text{m} beträgt.
- Größenunterschied: Die Periode eines LPG ist etwa 3 Größenordnungen (d.h. etwa 1000-mal) länger als die eines normalen FBG.
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Unterschiede im physikalischen Mechanismus:
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FBG (reflektierend): Es tritt eine Kopplung zwischen dem im Kern vorwärts propagierenden Grundmodus und dem rückwärts propagierenden Grundmodus auf. Die Bragg-Bedingung lautet:
\lambda_B = 2 n_{co} \Lambda_{FBG}(wobei n_{co} der effektive Brechungsindex des Kerns ist), was sich als schmalbandiger Reflexionsfilter manifestiert.
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LPG (transmission): Es tritt eine Kopplung zwischen dem vorwärts propagierenden Grundmodus des Kerns und mehreren koaxialen, vorwärts propagierenden Moden des Mantels (Cladding Modes) auf. Die Resonanzbedingung lautet:
\lambda_i = (n_{co} - n_{cl}^{i}) \Lambda_{LPG}(wobei n_{cl}^{i} der effektive Brechungsindex der i-ten Ordnung des vorwärts propagierenden Mantelmodus ist). Da die Mantelmoden an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung schnell abklingen und verloren gehen, zeigt das Spektrum eines LPG eine Reihe von spezifischen Absorptionsverlustspitzen im Transmissionsspektrum.
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II. Was kann mit LPG speziell gemessen werden?
Aufgrund seines einzigartigen physikalischen Kopplungsmechanismus ist das LPG in der Lage, spezielle Umgebungsparameter zu messen, die mit normalen nackten FBG-Gittern nicht direkt gemessen werden können:
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Brechungsindex (Refractive Index, RI) des Umgebungsmediums:
Dies ist die repräsentativste spezielle Messfähigkeit des LPG. Da das LPG Energie in Mantelmoden koppelt, deren elektromagnetisches Feld (Evanescent Wave) direkt exponiert ist und sich in das Umgebungsmedium außerhalb der Faser erstreckt. Wenn sich der Brechungsindex des Umgebungsmediums geringfügig ändert, ändert sich der effektive Brechungsindex n_{cl}^{i} der Mantelmoden erheblich, was zu einer extrem empfindlichen Wellenlängenverschiebung der Transmissionsresonanzspitzen führt.- Anwendungsbereiche: Überwachung der Konzentration chemischer Lösungen, Nachweis des Salz- oder Zuckergehalts von Flüssigkeiten, Echtzeitüberwachung biochemischer Reaktionen (z. B. Antigen-Antikörper-Bindung). Normale nackte FBG-Gitter, bei denen das Lichtfeld vollständig im Kern eingeschlossen ist, reagieren, solange der Fasermantel intakt ist, praktisch nicht auf den Brechungsindex der externen Umgebung.
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Biegung (Bending) und Verdrehung (Torsion) mit extrem hoher Empfindlichkeit:
LPGs sind extrem empfindlich gegenüber geringfügigen Verformungen der Faser selbst (insbesondere Biegung und Verdrehung), die zu einer Asymmetrie des Mantels führen. Biegung kann zu einer Rekonstruktion der Moden und einer Aufspaltung der Spektrallinien im Mantel führen, was sie ideal für hochpräzise Messungen von Durchbiegung, Verdrehung und Verformungsrichtung in der Struktursicherheit-Überwachung macht. -
Entkopplung von Temperatur- und Dehnungs-Kreuzempfindlichkeit:
Im Transmissionsspektrum von LPGs gibt es mehrere verschiedene Mantelmoden-Resonanzspitzen, und verschiedene Mantelmoden haben unterschiedliche Empfindlichkeitskoeffizienten für Temperatur und Dehnung. Durch die Lösung eines Systems von Mehrgleichungssystemen können LPGs gleichzeitig Temperatur und Dehnung an einem einzelnen Punkt auf einer einzelnen Faser entkoppelt messen und so das schwer zu überwindende Problem der Temperatur-Dehnungs-Kreuzempfindlichkeit traditioneller FBG-Sensoren lösen.
III. Offizielle technische Hinweise
Es muss besonders darauf hingewiesen werden, dass Langperioden-Faser-Gitter (LPG) derzeit nicht zur Kernproduktreihe von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) gehören.
Die Kernprodukte und Technologielösungen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) konzentrieren sich hauptsächlich auf die hochpräzisen, hochtemperaturbeständigen und hochfesten kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitter (FBG) Produktreihen, einschließlich FBG-Produkten mit Polyimid-Neubeschichtung, FBG-Produkten mit Femtosekunden-Laserstrukturierung, sowie FBG-Temperatur- und Dehnungs-Sensoren mit nahtloser Stahlrohrkapselung.