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栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿器等。此外，利用光纤光栅还可以制成光纤传感器和各种传感网，用于检测应力、应变、温度等诸多参量。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。光纤光栅作为优良的传感及通信器件始源于1987年，当时加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。十余年后，在1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm波长的紫外光干涉条纹侧面照射纤芯掺锗的光纤，将任意工作波长的位相光栅写进了纤芯形成光纤芯内部布拉格光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。1993年，K.O.Hill等人提出的相位掩膜制法使光纤光栅的制造技术得到重大发展。使得光纤光栅灵活的制造大批量的生产成为可能，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一，它的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起的一场新的技术革命。该项技术促进了全光纤通信技术的发展，而且在光纤传感领域另辟了新的重要分支-----光纤光栅传感。
光纤光栅分为很多种类，按结构的空间周期分布是否均匀可分为周期性光栅和非周期性光栅两类，均匀周期光纤光栅分为光纤布拉格光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅、切指光纤光栅和超结构光纤光栅。周期性结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期机构制造困难，其特性容易满足各种要求。从功能上可分为滤波性光栅和色散补偿的波矢方向、空间周期分布及周期大小，光纤光栅可分为四种基本类型，即光纤布拉格光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅、长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅（FBG）是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。光纤布拉格光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。该类光纤光栅在通信和传感领域均有广泛的应用。
近年来，光纤光栅的制作方法得到了人们的广泛研究并发展了多种制作方法，目前制作光纤光栅的方法主要有全息成栅法、相位掩膜法和干涉法。目前制作光纤光栅使用最为广泛的方法是相位掩膜法，这种方法大大降低了制作光纤光栅的复杂性，而且不需要高相干性的紫外光源。
随着光纤光栅制造技术的不断成熟和完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤技术应用中的传统设计思想，并使全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。
1.3光纤光栅传感技术的特点和应用
1.3.1 光纤布拉格光栅传感技术的特点
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光通信技术的发展而逐步形成的。由
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于光纤传感技术中的传感与传输信号都是光信号，而并不是传统的电信号，因而光纤传感技术具有许多独特的优点，如具有抗电磁干扰能力强、适合高电压场所、能远离传输信号、电绝缘性好、灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、可构成光纤传感网等诸多优点，它在航天、航海、电力传输、石油开采、核工业、医疗、科学研究等众多领域都有广阔的应用前景。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。很明显，在这类应用中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化，将引起光纤光波参数发生变化，如引起光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能够测出光波参数的变化，就可以得到导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。
图1-2 光纤传感原理图
光纤光栅传感器的关键技术主要包括对光栅中心反射波长移动的探测与解调、对温度和应力/应变的交叉敏感测试以及多个光纤光栅传感器的复用等。光纤传感技术是利用光纤光栅对光栅对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以测量的信号的技术，即由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁场等）的作用而直接或间接发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量，其示意图见图1-2.
光纤光栅传感器是利用光波波长的变化来探测外界物理量的。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，外界参量的变化会引起光纤光栅折射率的变化，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。
传统的光纤传感器绝大部分都是光强型和干涉型的。光强型光纤传感器的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。干涉型光纤传感的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而要使干涉条纹清晰就必须要求两路干涉光的光强相等，从而使光纤光路的灵活性和连接的方便性等优点大打折扣。而且它是一种过程传感器而不是状态传感器，因此必须要有一个固定的参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。
根据光纤光栅的特性，可以利用光纤光纤制成用于检测应力/应变、温度
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等诸多参量的光纤光栅传感器和各种光纤传感器网络。与传统的电学传感器相比，它具有一般光纤传感器所具备的所有优点。此外，因为自身的特点，光纤光栅传感器也具有普通光纤传感器无法具备的优点：
1. 光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，它的传感过程是通过外界参量对光栅中心波长的调制来获取传感信息，这样可以避免光纤光栅传感器中各种光强起伏对测量精度引起的干扰。
2. 由于光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，所以其测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。
3. 因为光纤光栅对应力/应变和温度的双重敏感性，利用光纤光栅可以制作应力/应变和温度同时测量的双参量传感器。
4. 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，结合波分复用（WDM）和时分复用（TDM）技术，每根光纤中可以设置多个光纤光栅构成分布式的传感点，便于空间组网，分辨精度高，光纤光栅传感器具有波长编码的特点，它更便于构成分布式传感器网络，可以再大范围内对多点同时进行测量。
5. 光纤光栅很容易的埋入或嵌入到被测材料中并对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构地理想器件。
6. 光纤光栅输出的是绝对波长量（它具有内在的波长度量刻度），可以作为绝对量的测量。
7. 利用复合结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备多参数智能传感元件等。
8. 光纤具有非传导性，所以对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。
因此，基于以上的优点，自1989年首次报道将光纤光栅用作传感器以来，光纤光栅传感受到了世界范围的广泛重视，并且已经取得了持续和快速地发展。利用掩埋或贴附技术把光纤光栅复合到各种建筑或器件中，可以对被测体的各种参量如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大面积的实时综合测量、诊断和控制。 1.3.2 光纤传感技术在实际中的应用
1989年，Morey首次报道将光纤Bragg光栅用作传感上面，由于光纤Bragg光栅传感器自身具备的优点，因此光纤Bragg光栅传感器受到了全世界范围内的广泛关注，并且已经取得了持续和快速的发展。到目前为止光纤Bragg光栅传感器已经应用在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面。此外，光纤Bragg光栅还应用在加速器、水声器、形变检测、腐蚀探测器、身份和物品的识别系统等。总之，光纤Bragg光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。
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第2章 光纤光栅传感理论
2.1 光纤光栅的基本原理
2.1.1 光纤光栅的基本光学性能
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率
率将随激光光强的空间分布发生相应的变化，其变化的大小与光强成线性关系，并且能够永久的保存下来。根据制作方法的不同，不同的曝光条件，不同类型的光纤可以产生多种不同折射率分布的光纤光栅。
图2-1 光纤布拉格光栅的基本结构及折射率分布
图2-1是光纤布拉格光栅的基本结构原理及折射率分布，它是一种性能优异的窄带反射滤波
条件的就会被反射回来，为满足布拉格光栅波长条件的光波就会透射过去。
对于光纤光栅来说，其基本光学参数对于我们研究光纤传感来说是非常重要的。光纤光栅的基本光学参数有：反射率、透射率、光栅方程、反射带宽等。利用耦合模理论对周期性光栅进行分析，可得到光纤光栅的反射率R和透射率T的表达式如下：
R=
当
>
(2-1)
R= 当 (2-2)
T= (2-3)
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在上式中，L是光栅的长度，K为耦合系数，
，为光栅周期，
为一个整数。
S=Q=
（2-4） （2-5）
=0时，R取最大值，对于一阶场，P=1， （2-6）
为模传播常数，
为等效折射率，为自由空间工作波长，P
当波长匹配时，即
=
对于单模光纤为
=
[
]=
[
] (2-7)
由波长匹配条件 可以推出布拉格方程
再由反射带宽的定义：R（给出Bragg反射半值带宽
上面我们给出了光纤Bragg光栅的反射率R，Bragg波长
和线宽
等几个重
=
（2-9）
）=R（
）可以求出两个的值，并进一步
=2
（2-8）
要参数，这些参数对于光栅的制作及其应用都有重要的意义。从式中我们可以看到，光栅的长度L的改变、折射率变化
，以及光纤光栅中心波长
都能引起反
射率和线宽的变化，这对光纤光栅的调制提供了重要的依据。
2.1.2 光纤光栅的传感原理
当光纤光栅所处环境的温度、应力发生变化的时候，光栅的纤芯折射率以及光栅的周期也都会相应的发生变化，从而由光纤光栅反射回的波长就会有一个偏移
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