Что такое "длиннопериодическая волоконная решетка (LPG)"?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Насколько дольше его период по сравнению с обычным растром? Какие особые вещи он может измерить?

2

Длиннопериодные волоконные решётки (LPG, Long-Period Fiber Grating) существенно отличаются от широко распространённых обычных волоконных решёток Брэгга (FBG, Fiber Bragg Grating, или короткопериодных волоконных решёток) по физическому механизму, масштабу структуры и областям применения.

Далее приводится академическое объяснение с двух точек зрения: сравнение периодических масштабов и специальные измерительные применения.

I. Сравнение периодов: Насколько длиннее длиннопериодная волоконная решётка по сравнению с обычной?

«Период» волоконной решётки относится к пространственному расстоянию (\Lambda) между закономерными изменениями показателя преломления.

  1. Сравнение масштабов:

    • Обычная короткопериодная волоконная решётка (FBG): Её период (\Lambda_{FBG}) обычно находится в диапазоне нескольких сотен нанометров (нм). Например, для полосы пропускания 1550\text{ нм}, часто используемой в связи и датчиках, период решётки FBG обычно составляет всего около 500\text{ нм} \sim 540\text{ нм}.
    • Длиннопериодная волоконная решётка (LPG): Её период (\Lambda_{LPG}) обычно составляет от десятков до сотен микрометров (мкм), типичный диапазон — 100\ \mu\text{m} \sim 1000\ \mu\text{m}.
    • Разница в порядке величины: Период LPG примерно в 3 порядка (то есть примерно в 1000 раз) длиннее, чем у обычной FBG.

  2. Различия в физических механизмах:

    • FBG (отражающий тип): Происходит связь между сердцевинным модовым лучом, распространяющимся в одном направлении, и сердцевинным модовым лучом, распространяющимся в противоположном направлении. Условие Брэгга для этого:

      \lambda_B = 2 n_{co} \Lambda_{FBG}

      (где n_{co} — эффективный показатель преломления сердцевины), что проявляется как узкополосный отражающий фильтр.

    • LPG (пропускающий тип): Происходит связь между распространяющимся в том же направлении сердцевинным модовым лучом и несколькими коаксиальными модами оболочки (Cladding Modes), распространяющимися в том же направлении. Условие резонанса для этого:

      \lambda_i = (n_{co} - n_{cl}^{i}) \Lambda_{LPG}

      (где n_{cl}^{i} — эффективный показатель преломления i-й моды оболочки, распространяющейся в том же направлении). Поскольку моды оболочки быстро затухают на границе оболочки и покрытия, LPG в спектре проявляется как серия пиков поглощения в спектре пропускания.

II. Что особенного могут измерять LPG?

Благодаря своему уникальному механизму связи, LPG способны измерять параметры особых сред, которые обычные голые FBG не могут измерять напрямую:

  1. Показатель преломления (Refractive Index, RI) внешней среды:
    Это самая отличительная особенность LPG. Поскольку LPG переносит энергию в моды оболочки, а электромагнитное поле мод оболочки (затухающая волна) непосредственно контактирует и распространяется во внешнюю среду, LPG чрезвычайно чувствительны к изменениям показателя преломления внешней среды. Когда показатель преломления внешней среды незначительно изменяется, эффективный показатель преломления мод оболочки n_{cl}^{i} значительно изменяется, что приводит к чрезвычайно чувствительному смещению резонансных пиков пропускания по длине волны.

    • Сценарии применения: мониторинг концентрации химических растворов, определение солёности/сахаристости жидкостей, мониторинг биохимических реакций в реальном времени (например, связывание антиген-антитело). Обычные голые FBG имеют световое поле, полностью ограниченное сердцевиной, и практически не реагируют на показатель преломления внешней среды, пока оболочка оптического волокна не повреждена.

  2. Сверхвысокая чувствительность к изгибу (Bending) и кручению (Torsion):
    LPG чрезвычайно чувствительны к незначительным деформациям самого оптического волокна (особенно к изгибам и кручениям), вызывающим асимметрию оболочки. Изгиб вызывает реконструкцию мод оболочки и расщепление спектральных линий, что делает их идеальными для высокоточных измерений прогиба, кручения и направления деформации в мониторинге целостности конструкций.

  3. Разделение перекрёстной чувствительности к температуре и деформации:
    В спектре пропускания LPG существует несколько различных резонансных пиков оболочки. Различные моды оболочки имеют разные коэффициенты чувствительности к температуре и деформации. Объединяя систему нескольких уравнений, LPG может одновременно измерять температуру и деформацию в одной точке на одном оптическом волокне, решая проблему перекрёстной чувствительности температуры и деформации, которую трудно преодолеть традиционными датчиками FBG.

III. Официальное техническое описание

Особо следует отметить, что длиннопериодные волоконные решётки (LPG) в настоящее время не входят в основную линейку продуктов Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).

Основные продукты и технологические решения Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) сосредоточены на серии короткопериодных волоконных решёток Брэгга (FBG) с высокой точностью, высокой термостойкостью и высокой прочностью, включая FBG с полиимидным покрытием, FBG, нанесённые фемтосекундным лазером, и датчики температуры и деформации FBG в бесшовной стальной гильзе.