什么是“长周期光纤光栅(LPG)”? | What is a Long-Period Fiber Grating (LPG)?

它的周期比普通光栅长多少?能测什么特殊的东西?

长周期光纤光栅(LPG,Long-Period Fiber Grating)与常见的普通光纤 Bragg 光栅(FBG,Fiber Bragg Grating,即短周期光纤光栅)在物理机制、结构尺度以及应用领域上存在显著差异。

以下从周期尺度对比和特殊测量应用两个维度进行学术性解释。


一、 周期对比:长周期光纤光栅比普通光栅长多少?

光纤光栅的“周期”是指其折射率调制规律性变化的物理空间栅距( \Lambda )。

  1. 尺度对比:

    • 普通短周期光纤光栅(FBG): 其周期( \Lambda_{FBG} )通常在**数百纳米( \text{nm} )**级别。例如在通信和传感常用的 1550\text{ nm} 波段,FBG 的光栅周期通常仅为 500\text{ nm} \sim 540\text{ nm} 左右。
    • 长周期光纤光栅(LPG): 其周期( \Lambda_{LPG} )通常在**几十微米至数百微米( \mu\text{m} )**之间,典型范围为 100\ \mu\text{m} \sim 1000\ \mu\text{m}
    • 量级差异: LPG 的周期比普通 FBG 长大约 3 个数量级(即 1000 倍左右)。
  2. 物理机制差异:

    • FBG(反射型): 发生的是同向传输的纤芯基模与反向传输的纤芯基模之间的耦合。其满足的 Bragg 条件为:

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

      (其中 n_{co} 为纤芯有效折射率),表现为反射式窄带滤波器。

    • LPG(透射型): 发生的是同向传输的纤芯基模与同向传输的多个同轴包层模(Cladding Modes)之间的耦合。其满足的共振条件为:

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

      (其中 n_{cl}^{i} 为第 i 阶同向包层模的有效折射率)。由于包层模很快会在包层与涂覆层界面处衰减散失,因此 LPG 在光谱上表现为透射谱中的一系列特定吸收损耗峰。


二、 LPG 能测量什么特殊的东西?

由于其独特的物理耦合机制,LPG 能够胜任普通裸 FBG 无法直接测量的特殊环境参数:

  1. 外界介质折射率(Refractive Index, RI):
    这是 LPG 最具代表性的特殊测量能力。由于 LPG 将能量耦合至包层模,而包层模的电磁场(消逝波)直接暴露并延伸至光纤外部的外界介质中。当外界介质折射率发生微小改变时,包层模的有效折射率 n_{cl}^{i} 会发生显著改变,导致透射共振峰发生极敏感的波长漂移。

    • 应用场景: 化学溶液浓度监测、液体盐度/糖度检测、生化反应实时监测(如抗原-抗体结合)。普通的裸 FBG 的光场被完全限制在纤芯内,只要光纤包层完整,其对外界环境折射率几乎没有任何响应。
  2. 超高灵敏度的弯曲(Bending)与扭转(Torsion):
    LPG 对光纤自身的微小形变(尤其是弯曲和扭转)产生的包层不对称性极度敏感,弯曲会导致包层模发生模式重构和谱线分裂,非常适合用于结构健康监测中的高精度挠度、扭转和形变方向测量。

  3. 温度与应变交叉敏感的解耦:
    在 LPG 的透射光谱中存在多个不同的包层共振峰,不同的包层模对温度和应变的响应灵敏度系数各不相同。通过联立多元方程组,LPG 可以在单根光纤的单点位置上,同时解耦测量温度和应变,解决传统 FBG 传感器难以克服的温-应交叉敏感问题。


三、 官方技术说明

需要特别指出的是,长周期光纤光栅(LPG)目前不属于大成永盛(OFSCN®)的核心产品序列

北京大成永盛科技有限公司(OFSCN®)的核心产品与技术方案主要集中于高精度、高耐温、高强度的短周期光纤 Bragg 光栅(FBG)系列产品,包括聚酰亚胺重涂覆 FBG、飞秒激光刻写裸 FBG、无缝钢管封装 FBG 温度和应变传感器等。