Worin unterscheiden sich LPGs und kurzperiodische FBG-Sensoren grundlegend in Prinzip und Anwendung?
Die grundlegenden Unterschiede zwischen Long Period Gratings (LPGs) und Kurzperioden-Faser-Bragg-Gittern (FBGs) liegen in ihrer Gitterperiode, ihrem Lichtkopplungsmechanismus und folglich ihren Hauptanwendungsbereichen.
Prinzipielle Unterschiede:
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Gitterperiode:
- FBGs (Kurzperiode): Haben eine sehr kurze Gitterperiode, typischerweise im Bereich von Hunderten von Nanometern (z. B. ~0,5 µm). Diese kurze Periode ist vergleichbar mit der halben geführten Wellenlänge in der Faser, was eine Kopplung zwischen vorwärts und rückwärts propagierenden Kernmoden ermöglicht.
- LPGs (Langperiode): Besitzen eine wesentlich längere Gitterperiode, typischerweise im Bereich von Hunderten von Mikrometern (z. B. 100 µm bis 1000 µm). Diese lange Periode erleichtert die resonante Kopplung zwischen dem vorwärts propagierenden Kernmodus und verschiedenen vorwärts propagierenden Mantelmoden.
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Lichtkopplungsmechanismus:
- FBGs: Wirken als wellenlängenselektiver Spiegel. Sie reflektieren ein schmales Wellenlängenband, das die Bragg-Bedingung erfüllt (λ_Bragg = 2 * n_eff * Λ, wobei n_eff der effektive Brechungsindex des Kernmodus und Λ die Gitterperiode ist), während alle anderen Wellenlängen transmittiert werden.
- LPGs: Reflektieren kein Licht. Stattdessen bewirken sie, dass diskrete Wellenlängen vom Kernmodus in mitlaufende Mantelmoden gekoppelt werden. Diese Mantelmoden sind typischerweise verlustbehaftet (aufgrund von Wechselwirkungen mit der Faserbeschichtung oder der externen Umgebung) und strahlen aus der Faser ab, was zu deutlichen Dämpfungsbändern (Einbrüchen) im Transmissionsspektrum führt.
Anwendungsunterschiede:
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Empfindlichkeit und Messgrößen:
- FBGs: Sind hauptsächlich empfindlich gegenüber Änderungen von Dehnung und Temperatur, die den effektiven Brechungsindex des Kerns und die Gitterperiode verändern und somit die Bragg-Wellenlänge verschieben. Sie sind ideal für hochpräzise, lokalisierte Punktmessungen dieser Parameter. Zum Beispiel werden
OFSCN® FBG-Dehnungsmessstreifen
für die Zustandsüberwachung von Bauwerken eingesetzt. - LPGs: Sind sehr empfindlich gegenüber Änderungen des externen Brechungsindex (ERI) des umgebenden Mediums sowie gegenüber Temperatur und Krümmung. Ihre starke Abhängigkeit vom ERI macht sie zu hervorragenden Kandidaten für chemische, biologische und umweltspezifische Sensoranwendungen.
- FBGs: Sind hauptsächlich empfindlich gegenüber Änderungen von Dehnung und Temperatur, die den effektiven Brechungsindex des Kerns und die Gitterperiode verändern und somit die Bragg-Wellenlänge verschieben. Sie sind ideal für hochpräzise, lokalisierte Punktmessungen dieser Parameter. Zum Beispiel werden
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Spektrale Antwort:
- FBGs: Weisen eine scharfe, schmale Reflexionsspitze (und einen entsprechenden Transmissionsdämpfungseinbruch) bei der Bragg-Wellenlänge auf. Dies macht sie gut geeignet für die wellenlängenmultiplexe Übertragung (WDM) für Mehrpunktmessungen entlang einer einzelnen Faser.
- LPGs: Zeigen breite Dämpfungsbänder in ihrem Transmissionsspektrum. Obwohl empfindlich, können ihre breiten spektralen Merkmale das Multiplexing mehrerer LPGs im Vergleich zu FBGs erschweren.
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Umweltbeständigkeit:
- Sowohl FBG- als auch LPG-Sensoren können für verschiedene Umgebungen ausgelegt werden. Zum Beispiel können freiliegende FBGs wie die
OFSCN® Polyacrylat-Faser-Bragg-Gitter
von -40℃ bis 100℃ betrieben werden, während spezielle
OFSCN® Goldbeschichtete Faser-Bragg-Gitter
den Temperaturbereich bis 700℃ erweitern können. Die robuste Verpackung von FBG-Sensoren, wie der
OFSCN® Legierungsrohr-verpackte Faser-Bragg-Gitter-Dehnungssensor
verbessert ihre Haltbarkeit in rauen Industrieumgebungen weiter.
- Sowohl FBG- als auch LPG-Sensoren können für verschiedene Umgebungen ausgelegt werden. Zum Beispiel können freiliegende FBGs wie die
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FBGs durch die Überwachung von Wellenlängenverschiebungen in der Reflexion hervorragend für präzise Dehnungs- und Temperaturmessungen geeignet sind, oft in gemultiplexten Anordnungen. LPGs hingegen eignen sich besser für die Messung des Brechungsindex und spezifische Temperatur- oder Krümmungsanwendungen, indem sie Änderungen in ihren breitbandigen Transmissionsdämpfungseinbrüchen beobachten.
Hier sind einige Standard-Bildlinks für OFSCN’s FBG-Produkte:
