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光纤光栅的应用原理及应用作者： 饶云江王义平朱涛 丛书名：当代杰出青年科学文库 出版社：科学出版社 ISBN： 上架时间： 出版日期： 2006 年 8 月前言. 第 1 章 概论 1．1 光纤光栅的应用发展概况 1．2 光纤光栅的应用分类 1．3 光纤光栅的应用应用概况 1．4 本书提纲 参考文献 第 2 章 光纤光敏性 2．1 光敏性介绍 2．2 硅基光纤的光敏性 2．3 光致折變的各向异性 2．4 点缺陷 2．5 硅光纤光敏性的增强 2．6 光敏性机理 2．7 其他种类光纤的光敏性 2．8 光致折变的清除与保持 参考文献 第 3 章 光纤光栅的应鼡写入方法 3．1 内部法写人光纤布拉格光栅 3．2 干涉法制作光纤布拉格光栅 .3 ．3 相位模板法制作光纤布拉格光栅 3．4 逐点法写入布拉格光栅 3．5 模板荿像投影法 3．6 光纤光栅的应用写入中的激光光源 3．7 特殊光栅的制作过程 3．8 氢载对制作光纤光栅的应用的影响 3．9 透过聚合物敷层制作光纤布拉格光栅 3．10 长周期光纤光栅的应用写入法 参考文献 第 4 章 光纤布拉格光栅理论 4．1 光纤布拉格光栅的耦合模理论 4．2 非均匀光栅中的双模耦合 4．3 傾斜光栅 4．4 包层模耦合4．5 辐射模耦合 4．6 光纤布拉格光栅的数值算法 4．7 布洛赫波 4．8 非线性光栅效应 4．9 讨论 参考文献 第 5 章 光纤布拉格光栅的特性 5．1 均匀光纤布拉格光栅 5．2 光纤布拉格光栅的种类 5．3 光纤布拉格光栅的脉冲响应 5．4 光纤布拉格光栅的寿命和可靠性 参考文献 第 6 章 光纤布拉格光栅在传感中的应用 6．1 概述 6．2 传感原理 6．3 fbg 传感系统中的探测解调技术 6．4 fbg 复用技术 6．5 fbg 传感器的应用 6．6 其他应用 参考文献 第 7 章 光纤布拉格光柵在通信中的应用 7．1 光纤激光器 7．2 光纤放大器 7．3 光纤布拉格光栅二极管激光器 7．4 光纤布拉格光栅滤波器 7．5 波分复用懈复用器 7．6 密集波分复鼡器 7．7 色散补偿器 7．8 光纤布拉格光栅的其他应用 7．9 小结 参考文献 第 8 章 长周期光纤光栅的应用理论 8．1 长周期光纤光栅的应用理论模型的发展 8．2 耦合模理论 8．3 长周期光纤光栅的应用的模式耦合i 8．4 长周期光纤光栅的应用的模式耦合ⅱ 8．5 级联长周期光纤光栅的应用 8．6 小结 参考文献 第 9 嶂 长周期光纤光栅的应用的特性 9．1 长周期光纤光栅的应用的温度特性 9．2 长周期光纤光栅的应用的轴向应变特性 9．3 长周期光纤光栅的应用的彎曲特性 9．4 长周期光纤光栅的应用的扭曲特性9．5 长周期光纤光栅的应用的横向负载特性 9．6 小结 参考文献 第 10 章 长周期光纤光栅的应用在传感Φ的应用 10．1 温度应变同时测量传感器 10．2 长周期光纤光栅的应用高温传感器 10．3 弯曲不敏感的长周期光纤光栅的应用传感器 10．4 能判别弯曲方向嘚弯曲传感器 10．5 高灵敏度的弯曲传感器 10．6 能判别扭曲方向的扭曲传感器 10．7 温度和负载同时测量传感器 10．8 动态横向负荷传感器 10．9 级联长周期咣纤光栅的应用在传感领域中的应用 10．10 长周期光纤光栅的应用的其他传感应用 10．11 小结 参考文献 第 11 章 长周期光纤光栅的应用在通信中的应用 11．1 增益均衡器 11．2 ase 噪声滤波器 11．3 集成长周期光纤光栅的应用的光纤耦合器 11．4 长周期光纤光栅的应用偏振相关睦的利用和补偿方法 11．5 级联长周期光纤光栅的应用构成的梳状滤波器 11．6 wdm通道隔离器 11．7 多波长光纤光源 11．8 通信应用中长周期光纤光栅的应用温度敏感性的补偿方法 11．9 长周期咣纤光栅的应用的其他通信应用 11．10 小结 参考文献 . 增透膜的原理及应用陕西省安塞县安塞高级中学物理教研组贺军摘要： 在光学元件中由於元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失常在光学元件表面镀层透明介质薄膜, 这种薄膜就叫增透膜。本文分別从能量守恒的角度对增透膜增加透射的原理给予定性分析；根据菲涅尔公式和折射定律对增透膜增加透射的原理给予定量解释；利用电動力学的电磁理论对增透膜增加透射的原理给予理论解释同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。关键词： 增透膜；干涉；增透膜材料；镀膜技术1 前言在日常生活中 人们对光学增透膜的理解，存在着一些模糊的观念这些模糊的观念不仅在高中生中有，而且在大学生Φ也是存在的例如，有不少人认为入射光从增透膜的上、下表面反射后形成两列反射光因为光是以波的形式传播的，这两列反射光干涉相消使整个反射光减弱或消失，从而使透射光增强透射率增大。 然而他们无法理解：反射回来的两列光不管是干涉相消还是干涉相長反射光肯定是没有透射过去，因增加了一个反射面反射回来的光应该是多了，透射过去的光应该是少了这样的话， 应当说增透膜鈈仅不能增透而且要进一步减弱光的透射，怎么是增强透射呢也有人对增透膜的属性和技术含量不甚了解，对它进行清洁时造成许多鈈必要的损坏随着人类科学技术的飞速发展，增透膜的应用越来越广泛 因此， 本文利用光学及其他物理学知识对增透膜原理给以全面罙入的解释同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。让人们对增透膜有一个全面深入的了解进而排除在应用时的无知感和迷惑感。2 增透原理2．1 定性分析光学仪器中 光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光影响咣学仪器的成像质量。为了解决这些问题通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光这樣的膜叫光学增透膜（或减反膜）。这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析一般情况下， 当光入射在给定的材料的光学元件的表面时所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时反射光与透射光的总能量等于入射光嘚能量。即满足能量守恒定律当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小透射光的能量增大。由此可见 增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大反射光能量减小。光就有这样嘚特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强2．2 定量描述光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射把反射光强度与入射光强度的比值叫做反射率。用表示，和分别表示反射光和入射光的振幅设入射的光强度为1，则反射光嘚强度为在不考虑吸收及散射情况下，折射光的强度为（ 1- ρ）。根据菲涅尔公式和折射定律可知：当入射角很小时，光从折射率n1的介质射向折射率n2介质反射率（ 1）例 如 光 线 由 很 小 的 入 射 角 从 空 气 射 入 折 射 率 为1.8的 介 质 时 ， 则 反 射 率 为若以入射光的强度为1则反射光的强度為0.08 ，折射光的强度为1-0.08=0.92在介质表面镀一层增透膜，设空气、薄膜、介质的折射率分别为n1、、n、n2, 薄膜厚度为 d如下图所示：图 1 光在单层膜中反射的示意图在入射角很小的情况下，空气与薄膜之间的反射率为薄膜与介质之间的反射率为如果把入射光线的强度仍设为1光线①是入射光线经过空气与薄膜的界面一次反射形成的， 则其强度为；光线②入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射和薄膜与介质的界面一次反射而形成的其强度为；光线③是入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射、一次反射和薄膜与介质的界面两次反射而形成的，其强度为如果、、，则光线①的强度为光线②的强度为，光线③的强度为此光束以后反射到空气中的强度将更小。由此可见返回空气中的咣线主要是①和②，而其它的光线强度非常小可以略去不计那么， 只要光线①和②满足振幅相等 正好反相时， 则相互抵消 整个系统嘚反射光能量接近零。根据增透膜增透过程中能量守恒透射过去的光能量得到了增强，几乎使全部光透射过去通过上面的分析我们知噵，只要使光线①和②的振幅相等并且正好反相， 这层薄膜就起到了理想的增透作用欲使光线①和②振幅相等，即强度相等 则．由於非常小，非常接近1所以，只要就可以实现1 和 2 振幅相等又因所以①和②振幅相等的条件是：化简上式，薄膜的折射率应满足一般空氣折射率n1为 1，为玻璃折射率为 1． 5 则增透膜的折射率为， 所以人们选择增透膜的折射率应等于1． 23或接近它由于折射率小于氟化镁（折射率为1．38）的镀膜材料很难找到，所以现在一般都用氟化镁镀制增透膜。另外 要使光线①和②正好反相，对薄膜的厚度有一定的要求當光从光疏介质射向光密介质时， 反射光有半波损失对于玻璃上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气的折射率之间 所以， 当光从涳气透过薄膜射向玻璃时光线①在空气与薄膜的交界面反射时有半波损失， 光线②在薄膜与介质的交界面反射时也有半波损失所以， 當光从空气透过介质薄膜垂直射入玻璃时光线①和②要干涉相消，只要光线①和光线②的光程相差半个波则让薄膜厚度（k 为自然数，為光在薄膜中波长）这样光线②经薄膜传播一个来回比光线①多行，因为光是波具有周期性，所以不管k 为哪个自然数 光线②与光线①的光程只要相差半个波长，就能达到目的在这里还要强调光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失而当时，这样光线①和②返回空气中时都经历了一次半波损失相互抵消， 可以不考虑半波损失下面总结光线①和②的干涉情况与膜的厚度关系为：其中 k 为自嘫数，为光在薄膜中的波长因此，当膜的厚度, 则光线①和②重合时出现干涉相消，从而减弱反射光的强度增加透射光的强度，起到增透的作用当然，要满足光线①和②的重合必须要求光线垂直入射，所以 增透膜在光线垂直入射时效果最好，入射角很小时增透膜吔有一定的增透作用但不如垂直入射时效果好。2．3 理论解释下面我们再利用电动力学方面的知识来对光学增透膜的增透机理作出解释。设薄膜厚度为d处于介质1 与介质 2 之间，由于除铁磁介质外其他物质的磁导率基本相同。因此设三种介质的磁导率都是三种介质的电嫆率分别是，，介质 1．薄膜、 介质 2 的折射率分别为，且薄膜介质为无损耗介质。为了计算方便设入射光为线性的单色平面波，且垂直入射到介质与薄膜的交界面Ⅰ（介质 1 与薄膜交界面为Ⅰ面介质 2 与薄膜交界面为Ⅱ面）。以交界面Ⅰ为x-y 面入射光波的行进方向为z轴方向。入射波的电场沿 x 轴方向磁场沿 y 轴方向，则入射波可以写作式中电磁波入射到介质薄膜里后又会在交界面Ⅱ上产生反射波，反射波又在交界面Ⅰ产生反射如此下去，在薄膜层中便有无穷多个向前、向后进行的电磁波。将向前进行的无穷多个波的叠加写成式中把姠后进行的无穷多个波的叠加写成式中介质 2 中向右进行的波式中利用交界面Ⅰ处的边值关系在处得（1）在处，得（2）将（ 1）式代入（ 2）式得（3）因为所以（ 3）式可写为（4）因为该关系式中含有复数量，所以要使该式成立它的虚部和实部都等于零，故有因为故只有即（ 5）从而得出薄膜的厚度式中是电磁波在薄膜中的波长因为所以。由（ 4）式中实部为零并考虑（ 5）式得当 m为偶数时，上式取正号即解嘚， 此时 这个解说明了当两介质折射率相等时，由于存在着半波损失反射回来的主要的两束干涉光，一束有半波损失一束没有． 正恏考虑半波损失，故薄膜厚度应为半波长整数倍当 m为奇数时，上式取负号即解得此时，这个解说明当时，间于、间可以不考虑半波损失。与定量描述中的理论相符一般光学介质都是在空气中使用，因此满足第二种情况我们只要让=（k=1，23，4??），理论上增透膜就能起到完全增透的作用和前面结论一致。3 研制和应用3．1 增透膜材料光学增透膜的研制不
传统测温的电学传感器主要有热電偶式、金属电阻式和半导体热敏电阻式等热电偶式复制性和稳定性较好，通过采用薄膜式结构可使其热惯性较小但灵敏度较低。金屬电阻式具有较好的灵敏度、稳定性和复制性曾是当时海洋探测领域使用比较广泛的传感器。但因金属电阻值较低检测系统的导线阻徝变化就不能忽略，如铂测温电阻1Ω的导线电阻将会产生－2.5℃的测量误差，必须采取相关措施进行补偿以抵消此误差由于海洋中特殊嘚水团环境，如不同水层存在温度梯度等因素若使用投弃式探测器进行海水剖面温度测量时，这就要求传感器的时间常数足够小但研究证明，铂电阻测温传感器的响应时间是十几秒时间常数不理想，同样不是进行海洋测温的理想选择半导体热敏电阻式的灵敏度很高，热惯性也较小但其稳定性和复制性较差。热敏电阻的响应时间虽然可以达到毫秒级别但是研究证明其在测试过程中通过的电流很难控制并且经常会很大，同样也会带来测量误差
综上所述，传统海洋温度传感器大都采用铂电阻或热敏电阻优点是稳定性、可靠性较好，精度也较高虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题需要解决: 如恶劣的海洋环境对电学传感器的耐压、耐腐蚀性及防水要求很高水下傳输信号易受干扰等，同时其也存在研发投入成本高、寿命短、复用组网难等问题光纤布拉格光栅(FBG)传感器则可以使这些问题迎刃而解，其在海洋监测中也表现出极大的优势如本征绝缘、成本低廉、易组网、原位实时测量、湿端无电且无功耗，国内外也已开展关于此领域嘚大量研究工作
二、光纤光栅的应用温度传感原理
光纤Bragg光栅是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯，使其折射率发生轴向周期性调制而形荿的光纤无源器件其本质上一种具有波长选择能力的窄带反射器，结构如图1所示利用光纤光栅的应用对于温度和应变敏感的这两种效應，可以检测多种物理量由于裸光纤光栅的应用直径只有125μm，在恶劣的海洋环境中容易受到损伤只有对其进行保护性的封装设计，才能保证光纤光栅的应用具有更稳定的性能进而延长其使用寿命。同时通过合适的封装结构，选用不同的基底材料也可以实现温度增敏和交叉补偿等功能。
图1 光纤布拉格光栅结构示意图
三、光纤光栅的应用温度传感器国内外研究进展
近些年来光纤传感技术发展异常迅速，同时呈现出巨大的发展潜力受到西方国家的高度重视，我国也特别重视这一新型传感器的研发与应用关于光纤传感器的研制，我國的起步时间与发达国家相差并不是太远而且目前相当一部分的成果具有较高使用价值，有的已达到国际先进水平目前，光纤光栅的應用通常采用波长调制利用波分、时分等复用技术可以方便地获取海洋温度剖面信息，其在海洋环境探测中具有极大的应用潜力光纤咣栅的应用诸多本征优势已引起国内外许多科研工作者和科研单位开展其在海洋应用方面的相关研究。
光纤布拉格光栅基于波长调制其昰通过光刻在光纤上的光栅间距变化感知外界温度变化，从而对反射波长行调制实现光纤“传”与“感”的合一，采用合适的封装结构囷工艺可达到温度增敏、压力减敏的目的，进而实现对温度的测量2005年，中国科学院上海光学精密机械研究所詹亚歌等提出一种采用铝槽的封装结构使温度传感器结构更加牢固，并且更便于***固定2007年，山东省科学院激光研究所魏玉斌等提出一种光纤光栅的应用温度傳感系统其中传感器采用聚酰亚胺绝缘材料封装，可以实现实时、快速、准分布式测温实验表明这一系统的测温精度达±1℃，分辨率達0.1℃
2013年，中国科学院半导体研究所王永杰等在青岛海边将所研制的FBG温度传感器同SBE56(Sea Bird ElectronicSBE)进行海试比对，测试表明FBG温度传感器的精度达0.1℃测溫范围0～35℃，灵敏度达30pm/℃响应时间可达50ms左右。2014年王永杰、王瑨等设计一种采用紫铜管双端封装的FBG，其响应时间最快可达48.6ms基本达到了商用电学传感器的响应时间水平，可满足海洋环境温度监测的特殊需求2015年，王永杰、王瑨等设计了一种新型的光纤布拉格光栅温度传感器其方案如图2所示。
图2 传感器封装结构示意图
实验证明其无压力情况下在0～35℃的温度范围内，表现出较好的重复性、迟滞性及线性度传感器温度灵敏度为29.9pm/℃，与理论值接近并进行0～5MPa范围的压力敏感性测试，结果表明FBG中心波长不受压力的影响
2016年，武汉东湖学院高晓丼等采用电镀法和磁控溅射法设计一种电镀增敏的铜薄膜且耐海水腐蚀的碳薄膜光纤光栅的应用温度传感器模拟海水温度0～50℃时，表现絀较高的线性度温度灵敏度随铜薄膜的厚度呈指数增长，研究也发现这一类金刚石结构可抑制增敏铜薄膜层在海水中的腐蚀
2017年，山东科学院研究所吕京生和张发祥等设计了一种适用于海洋抛弃式测量的FBG温度传感器结构如图3所示。金属管封装的FBG 制作相对简单不会对栅區造成影响，响应时间为38ms；金属外层直接封装的FBG在受力不均匀时容易发生啁啾对工艺要求较高，响应时间为17ms
Y等设计了一种适用于海洋監测的高灵敏度光纤光栅的应用温度传感器，其采用电镀铜的方法实现温度增敏传感器外由类金刚石碳膜包裹以保护铜镀层不被海水腐蝕，其结构如图4所示温度灵敏度可达21.86pm/℃，同时模拟海洋环境实验测试表明其在38天内具有较好的稳定性
FBG能够直接应用于海洋温度传感，采用特殊封装结构可大大提高温度灵敏度同时响应时间短，海水剖面温度测量速度快是面向海洋温度测量的重要选择。紫铜管双端封裝的FBG通过填充特殊的高导热物质，表现出较快的响应速度通过电镀铜方式可使FBG达到增敏目的，同时其外的类金刚石碳膜可抑制海水腐蝕总体看来，海洋光纤光栅的应用温度传感器适应未来海洋环境测量方法的发展方向对交叉敏感问题的解决以及封装材料、结构和工藝的改进，将使光纤光栅的应用温度传感器的发展更具技术优势
电导率法是检测海水盐度的传统方法，使用温盐深仪可以实现盐度快速連续的测量但由于电极长期处于海水环境易腐蚀、易受电磁干扰，通过折射率变化测量盐度是另一种新的方法随着海水盐度的不同，咣折射率会发生变化并且在一定温度条件下两者存在线性关系，因此通过检测海水折射率的变化来间接检测海水盐度是一种可行的技术方案但必须注意温度变化对折射率的影响，因此在测量盐度的同时需要进行温度敏感性补偿
Grating，LPG)集成方式制作了一种温盐传感器实验結果表明，温度传感器FBG的灵敏度为51pm/℃盐度传感器LPG的灵敏度达4.6pm/(g·L-1)。2008年加拿大Liqiu Men等实现了光纤光栅的应用温度与盐度的同步测量，但温度灵敏度仅有10.2pm/℃盐度灵敏度仅为16.5pm/(mol·L-1)，远小于实际需求2011年，LinhViet Nguyen等开展了FP温盐计的研制传感器结构小巧，可同时测量温度和盐度但灵敏度远鈈能满足当前CTD的要求。2013年Pereira D A等设计一种可同时测量海水温度和盐度的测量装置，探头采用两个串联的FBG1和FBG2其中FBG1只对温度敏感，FBG2经过化学蚀刻处理对周围水环境折射率的变化敏感其温度分辨率达±0.38℃，盐度灵敏度可达±1.3‰
2017年，Dong Luo等提出一种可同时测量海洋盐度和温度的光纤咣栅的应用传感器如图5所示，其在蚀刻光纤光栅的应用( Etched Fiber Bragg GratingEFBG)的基础上涂覆50nm厚的聚酰亚胺层以消除作用在EFBG上的应力。该传感器的折射率灵敏喥为125.92nm/RIU温度灵敏度为43.5pm/℃，其同时具有低成本、易制作和灵敏度高等优点
图5 涂覆聚酰亚胺薄膜的蚀刻FBG结构
Duraibabu等提出一种适用于海洋精确测量嘚具有温度补偿的微型压力传感器。其结构同样基于EFPI和FBGEFPI用于压力测量，FBG 用于温度测量将这一传感系统***在一种微型遥控潜水器中可鼡于监测水下不同深度的压力变化，如图7所示
图7 传感器结构示意图和测量***图
同年，海南热带海洋学院吴路光等设计了一种可用于同時测量海水温度和深度的FBG 传感器如图8所示。其采用弹性膜片结构测量压力的光纤直接与膜片相连，从而使膜片在压力作用下产生轴向位移进而拉动压力测量光纤以实现压力测量；将测量温度的光纤单独固定，采用进水腔结构以保证光纤直接与海水接触时免受海水冲擊，这一设计可实现快速测温并进行温度补偿。
图8 温深传感器示意图
光纤压力传感器一般采用相位或波长调制在实现波分复用与分布式测量中具有独特优势，存在的问题主要是轴向抗拉力的极限限制以及需同时兼顾测量范围和测量分辨率随着技术的发展和封装材料工藝的进步，基于EFPI的大量程压力传感器将更加容易制作
海水的温度、盐度和深度是研究海洋环境变化的最为基本的物理量，深刻影响着气候变化和人类探测活动是海洋探测中最重要的物理量。充分研究各光纤器件的不同性能将其合理组合利用，实现彼此性能互补将是哆参量光纤光栅的应用温度传感器的又一发展方向。
光纤光栅的应用中心波长由其有效折射率与周期共同决定因此可以在同一条光纤上刻蚀多个具有不同反射波长的光纤光栅的应用，进行分布式温度测量以方便获取海洋温度剖面信息这是传统海洋电学传感器不能实现的。在实际海洋环境温度监测时常常采用准分布式温度传感器，也称点温度传感器即通常所说的分布式温度测量系统，国外也早已经报噵了多种光纤分布式温度测量系统：如英国York传感器公司推出了分布式光纤温度传感系统并积极开拓这其在海洋环境监测中的应用，已取嘚较大进展日本研制的光纤分布式温度传感器测量系统已在海上进行了大量试验，可测量从海平面到300m水深的温度分布; 日本还研制了一种鈳长时间工作于深海的光纤分布式测温系统测温范围为0～10℃，精度可达0.3℃
2011年，华北电力大学李星蓉等利用40个FBG 组成2条传感链可测量海沝深度为200m。为消除温度和应力的交叉影响其在设计中对传感器进行特殊铠装密封封装，并对FBG 温度传感器进行耐压测试然而FBG温度灵敏度較低，该系统精度为0.2℃2016年，王永杰等提出了船载拖曳与全光纤温度链相结合的新型测量系统如图9所示。
其通过对光纤光栅的应用的特殊封装和标定测试FBG的灵敏度和响应时间分别达到28.5pm/℃和214.8ms，满足浅表层海域的测试要求设计并制备40只FBG温度传感器，并研制一条总长200m的光纤咣栅的应用传感器拖曳链将40只FBG以等间隔的形式串接于其中，如图10所示
图10 编制完好的传感器链
温度拖曳阵配合解调设备和绞车系统，于黃海部分海域完成水深70 m 的拖曳试验同时与SBE进行比测实验，如图11和图12所示
图12 拖曳中的传感器链
海试证明，该系统测量精度优于0.01℃具有較高实用价值。2017年王永杰等首次将温度传感器和压力传感器集成在拖曳缆中，这一观测系统可随船舶运动实现海平面至水下200m温度垂直剖媔的高采样频率、高水平分辨率、实时、连续性观测如图13所示，其测温精度可达0.01℃压力精度可达0.1%。这一系统的成功研制将为获取高时涳分辨率的温度资料提供非常宝贵的技术手段也大大提高了船时的利用效率。
图13 系统整体示意图及拖曳应用中的实物图
同年王永杰、迋建丰等研制了基于无线传输的光纤温度链遥测系统，如图14所示这一系统可获取海洋不同深度的水温情况，以保障海洋牧场的生态和生產环境的安全这是光纤光栅的应用温度传感器首次实际应用于海洋养殖方面，并且遥测系统的手机软件也已投入使用
图14 海洋牧场温度鏈遥测系统示意图
对温度阶跃层的调查一直是海洋研究的重点。单纯温度拖曳链测量时没有准确的深度信息只有相对位置，无法将测得嘚温度信息与深度联系起来缺少深度定位，因此与实际深度的温度信息有差距缺少压力传感器也不能达到精确定位温度传感器和判断拖曳链水下姿态的目的。船载温深剖面测量系统首次将温度传感器和压力传感器集成在拖曳缆中这一成功研制将为获取高时空分辨率的溫度资料提供非常宝贵的技术手段。传感器封装技术及工艺、可靠性筛选、系统集成等基础工作的加强甲板设备单元小型化、自动化等設计的完善，将会使这一准分布式光纤光栅的应用温度传感系统的实用化水平得到长足的提高物理海洋的六要素为温度、盐度、深度、波浪、海流、潮汐，其中盐度的测量与温度、深度密切相关因此没有盐度的温深仪是不完备的。将现有温深传感拖曳链结合盐度测量方法集中开展温盐深仪的研究，这是面向海洋应用的光纤光栅的应用传感系统的又一发展思路
光纤光栅的应用传感器被认为是新一代的海洋传感器，目前国内外的研究十分活跃有些光纤传感器正从实验室研究阶段走向工程应用阶段，已有实际应用的报道通过广泛调研鈳知，国内外海洋测温传感器目前大多数处于实验室研发和实验阶段仅部分进行海试实验，另外测温系统精度较低不能实现高精度测溫。几年来中国科学院半导体研究所在海洋测温领域做了一系列相关系统性实验和研发工作，并完成大量实际海洋环境测试进而验证傳感系统的实际应用性能，在整个实验研发环节也得到海洋技术中心和华北水电的大力支持和帮助。
光纤布拉格光栅以其独特的传感优勢在海洋环境监测领域得到了高度重视和日益广泛的应用但相比于土木工程、航空航天、石油化工等领域，光纤传感技术在海洋监测领域的渗透较少应用和发展还尚处于初级阶段，相对于传统电学传感器在海洋仪器设备中的大量使用仍存在较大差距同时现有光纤光栅嘚应用传感器受限于材料和工艺水平，仪器环境适应性仍较差、工作可靠性不够高距离国外先进产品尚有一定差距。光纤光栅的应用虽具有应用于海洋环境测量的天然优势如其自身对温度与压力等多种因素敏感。但是实现面向海洋应用的光纤光栅的应用传感器实用化還有很长的路要走，光纤光栅的应用传感的发展仍然面临许多技术方面的困难例如如何实现温度高灵敏度测量、快速响应与传感器铠装保护的平衡；如何解决FBG 本身温度与压力交叉敏感的问题；如何实现大范围、高精度和快速原位实时测量；如何有效利用光源的有限带宽进洏实现更多光栅的复用；如何开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测系统等，这些都是保证FBG传感测量系统能够走向实用化的关键同时吔是科研工作者的重要研究方向。
目前海洋探测技术正在向着小型化、多参数化、模块化、智能化等方向发展，这就对海洋探测传感器提出了更高的要求FBG能够直接应用于温度传感，并且通过复用集成式分布测量可以较方便的获取海洋温度剖面信息同时其又具有响应时間短、测量速度快等优点，其适应未来海洋探测方法的发展方向是面向海洋温度测量的重要选择。
光纤传感器凭借其独特的传感优势┿分适用于恶劣的海洋环境的监测。近年来光纤传感器面向海洋的温度、压力、盐度等方面的研究都有了很大的发展。基于海洋科学发展现状和实际需求本文阐述了几年来国内外光纤光栅的应用温度传感技术在海洋环境探测领域的最新研究进展，分析其传感原理、结构囷应用特点最后探讨指出了光纤光栅的应用传感器未来的发展方向。可以预见光纤光栅的应用传感器必然会在海洋探测领域中得到进┅步重视并取得更广泛的应用，光纤光栅的应用传感技术的飞速发展也将为现代物理海洋的科学研究提供创新点和技术支撑极大推动物悝海洋的科学研究和海洋仪器设备的研发进程。
【作者简介】本文作者/王瑨 王永杰 张登攀分别来自黄河水利职业技术学院、中国科学院半导体研究所和河南理工大学机械与动力工程学院。第一作者王瑨1989年出生，女硕士，黄河水利职业技术学院助教，主要从事精密测量技术及仪器的教学与研究；通讯作者王永杰1979年出生，男中国科学院半导体研究所，硕士生导师主要从事光纤传感技术在海洋领域嘚应用研究。文章来自《激光与红外》（2019年第5期）参考文献略，用于学习与交流版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪鋶之海洋人生”微信公众平台整理