神秘的布拉格

神秘的布拉格（精选五篇）

神秘的布拉格 篇1

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating, FBG)具有抗干扰能力强、结构简单、易于复用等优点,以其为核心的传感器被广泛应用于各种物理量的监测中。

光纤的主要材料成分是SiO2,并掺入微量的锗、铒、氟、铈、铕等元素。通常认为,由于掺锗光纤的主要材料成分为SiO2,所以掺锗光纤应具有非常稳定的理化特性。因此,基于掺锗光纤的光纤布拉格光栅也应该能够稳定地工作数年至数十年。但是在工程应用中发现,高温环境下长期工作的光纤布拉格光栅,其性能会大大衰退,其反射特性甚至将完全丧失。这将严重影响解调信号的准确获取,并导致重大安全事故的发生[1,2,3]。

在以热致衰减为讨论焦点的光纤布拉格光栅性能衰退研究中,国内外研究者提出色心模型[4]、应力释放模型[5]来解释光纤布拉格光栅的热致衰减行为和预测衰减。但就目前的报道而言,尚缺少完备的理论推导和明确的结论。本研究将尝试使用较清晰的理论推导来解释光纤布拉格光栅的热致衰减行为,并预测光纤布拉格光栅在热环境下的衰减。

1 理论

1.1 光纤光栅形成的界面阻隔能分析

掺Ge光纤在拉制过程中将产生Ge-Si和Ge-Ge两种形式的错位键,这两种错位键结合在一起就将形成Ge-O-Si缺陷。同时,Ge-O-Si缺陷的周围将激发电子,形成空穴。这些空穴将导致光纤中产生能量高低连续分布的势阱。这种势阱有别于方形势阱,它是一种不稳定的连续势阱,如图1所示。势阱边界EB即界面阻隔能。

连续势阱的产生与Ge-O-Si缺陷周围空穴的离解有关。空穴的离解能满足Arrhenius定律[6]:

式中:ν为电子的热振动频率,单位为s-1;t为时间;n0在数值上等于光纤纤芯折射率n;Δn为光纤光栅的折射率调制深度。

光纤经载氢处理后,对其进行紫外光曝光。在紫外光的作用下,H和纤芯中的Ge-O-Si缺陷发生反应,缺陷中心的电子被电离出来。电离出的电子立刻被Ge-O-Si缺陷周围(图1(b))的连续势阱捕获。被连续势阱所捕获的电子能量E为[6]:

E=kBTln(ν t) (2)

式中:E为势阱电子能量,单位为eV;kB=1.38×10-23J/K;T为工作温度。

随着紫外光曝光时间的延长,不断有新的电子从缺陷中电离出来,这些电子将陆续“填满”连续势阱,并改变整个纤芯区域的电子能量分布。

联立式(1)、(2),可以得到连续势阱中的电子能量E与光纤折射率调制深度Δn的关系:

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从式(3)中可以看到,当势阱电子能量E不超过界面阻隔能EB时,折射率调制深度Δn随势阱电子能量E的增大而增大。

正是E引起的Δn变化改变了纤芯折射率。这令光纤中的耦合模式发生畸变,使光纤出现特殊的波长选择特性,即形成光纤布拉格光栅。其形成过程如图2所示,Δn为折射率调制深度,n0为纤芯折射率,Λ为栅距,L为栅区长度。

1.2 光纤光栅热致衰减的界面阻隔能分析

与方势阱不同,连续势阱中的电子从外界获得热能后很容易就摆脱势阱的束缚,从而逃逸出势阱[7]。这是因为当光纤光栅处于热平衡状态时,电子的热振动频率ν会随温度T的升高而增大,两者之间的关系为[8]:

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式中:CV为材料的定容热容,r为气体常数(8.314J·mol-1·K-1),ΘE=hν/kB为爱因斯坦特征温度,由电子热振动频率ν决定。根据杜隆-柏替(P. L. Dulong-A. T. Petit)定律[8],当物质与外界的热平衡状态保持一定时,其定容热容CV将为一恒定值,为3r,所以频率ν与温度T的变化正相关。

若温度T升高,光纤光栅从外界获得热能,其电子热振动频率ν也将增大。根据式(2)可知,ν增大将导致势阱电子能量E增大,并且势阱中的电子能量E终将达到界面阻隔能EB。如果这些电子继续获得热能,连续势阱内的电子能量E将超过界面阻隔能EB,电子就会克服势阱的束缚从而逃逸出势阱。一般情况下,逃逸出势阱的电子无法再被势阱二次捕获。所以,E将迅速减小。由式(3)可知,若势阱中的电子能量E减小,折射率调制深度Δn也将减小,过程如图3所示。

2 光纤光栅的热致衰减预测

经上述分析,光纤布拉格光栅的热衰减特性由势阱电子能量E所决定。E取决于光纤光栅在热环境下的工作时间和工作温度,计算式如式(2)所示,其中电子热振动频率ν是需要通过实验数据拟合得到的待定参数。

将式(2)代入光纤光栅,归一化反射率η与势阱电子能量E之间的对应关系为[6]:

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式中:E0=2.14eV为光纤布拉格光栅初始激活能[2],T0为室温,η为光纤光栅归一化反射率。η的计算式为:

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式中:R0为光纤光栅的初始反射率,R为高温环境下的光纤光栅反射率。

实施600℃条件下的热加速衰减实验,实验过程中记录反射率R0和R、加速温度T、衰减时间t。将实验数据代入式(2)、(5)、(6)进行拟合,即可求得式(2)中的热振动频率ν。由此可以预测光纤光栅在任意温度、时间下的热衰减趋势。

3 实验研究

3.1 实验内容

实验对象为不同曝光时间的3支光纤布拉格光栅,分别记为FBG1、FBG2、FBG3。光纤采用康宁公司的SMF-28C光纤,载氢30h、10MPa、70℃,激光器为248nm脉冲光准分子激光器,单脉冲能量为6mJ、频率为50Hz,曝光时间分别为10s、30s、50s。

实验仪器为IP05型光纤光栅网络分析解调仪,其分辨率为0.001nm。恒温装置采用超高温箱式电阻炉SGM3817A,升温速率15℃/min,温度稳定性±1℃。

热加速衰减实验中,温度控制在600℃、12h,并将光纤光栅用硅橡胶固定在矩形铁块上;然后随时记录光纤光栅的反射率R,实验装置示意图如图4所示。

3.2 实验结果

图5为3支光纤光栅在600℃时光功率随时间的衰减。将图5的实验数据代入式(2)、(5)、(6),得到3种不同光纤光栅FBG1、FBG2、FBG3的热振动频率ν,分别为ν1=2.556×107s-1、ν2=4.930×107s-1,ν3=2.141×107s-1。若固定式(2)中的温度T,并将热振动频率ν代入式(2)、(5)、(6),就可以推测光纤光栅在固定温度T下反射率随时间t的衰减。这里选取工作温度T为30℃、50℃、100℃,即可求得3种不同曝光时间的光纤光栅在这些工作温度下的反射率衰减曲线,如图6所示。

从图6可以看出,光纤光栅在30℃时反射率衰减到90%的平均时间为23年,在50℃时反射率衰减到90%的平均时间为11年,在100℃时反射率衰减到90%的平均时间为3年。

4 结论

采用界面阻隔能理论分析了光纤布拉格光栅的形成和热致衰减机理。载氢光纤在经紫外光辐照之后,Ge-O-Si缺陷中心的电子被电离出来,这些电子又立刻被连续分布势阱所捕获,直到累积电子总能量达到势阱边界的界面阻隔能后形成光纤布拉格光栅。但是,由于连续势阱俘获的电子并不稳定,当获得热能受到激发时,电子将逃逸出连续势阱,光纤光栅性能因此衰退。该研究结合光纤布拉格光栅界面阻隔能公式、Arrhenius定律、杜隆-柏替定律,对上述物理过程进行了理论推导。

根据光纤布拉格光栅界面阻隔能公式和归一化反射率公式,结合600℃时3支光纤光栅实施的热加速衰减实验,预测了光纤光栅在任意温度水平下、任意时间跨度内的热致衰减趋势。

通过上述光纤布拉格光栅热致衰减特性的研究,为热环境下光纤光栅的工作寿命预测提供了理论依据,为光纤光栅传感器的开发设计提供了支持。

摘要：光纤布拉格光栅的工作寿命是影响光纤光栅传感器性能的关键因素。从光纤布拉格光栅的热致衰减特性出发,以界面阻隔能模型为理论基础,以光纤光栅的反射峰值为研究对象,探讨了光纤布拉格光栅的热致衰减行为。并通过对比试验对3支不同的光纤布拉格光栅进行了600℃热加速衰减实验,初步证明即使进行了退火处理,光纤布拉格光栅的性能仍然存在热致衰减蜕化。从实验数据中得到了光纤布拉格光栅的热振动频率,建立了热致衰减曲线。预测了30℃、50℃、100℃条件下光纤布拉格光栅的反射率衰减到90%的时间分别为23年、11年和3年。

关键词：光纤布拉格光栅,热致衰减,界面阻隔能,热加速衰减实验

参考文献

[1] Douay M,Xie W X,Poumellec B,et al.Densification in-volved in the UV-based photosensitivity of silica glasses andoptical fibers[J].J Lightwave Techn,1997,15(8):1329

[2] Suchandan Pal.Characterization of thermal(in)stabilityand temperature-dependence of type-Ⅰand type-ⅡA Bragggratings written in B-Ge co-doped fiber[J].Optics Com-mun,2006,262(1):68

[3] Nirmail K Viswanathan,Dwaine L,et al.Accelerated-agingstudies of chirped bragg gratings written with deuterium-loaded germano-silicate optical fibers[J].J LightwaveTechn,2004,22(8):1990

[4] Hand D P,Russel P S J.Photoinduced refractive index cha-nges in germanosilicate[J].Fiber Optics Lett,1990,15(2):102

[5] Sceats M G,Atkins G R,Poole S B.Photolytic index chan-ges in optical fibers[J].Annu Rev Mater Sci,1993,23:381

[6] Erdogan T,Mizrahi V,Lemaire P J,et al.Decay of ultra-violet-induced fiber bragg gratings[J].Appl Phys,1994,76(1):73

[7] Liao Changrui,Li Yuhua,Wang D N,et al.Morphologyand thermal stability of fiber Bragg gratings for sensor appli-cations written in H2-free and H2-loaded fibers by femtose-cond laser[J].Sensors J IEEE,2010,10(11):1675

春天去布拉格的散文 篇2

几年前读过一本书，书名是《春天去布拉格》。应该承认，这几个字充满浪漫，诗意，想象，美好，魅惑，也因此，一度成为小资的代名词。

布拉格是一座精致的古城，两次世界大战中都得以完好的保存，纵然是炮火、坦克，战争，毁灭，对于这样一座人文，历史，文化，艺术，点滴沉积都有震撼人心之处的城市，也会有所偏爱。

很多人喜欢布拉格，不仅仅是因为布拉格有灿烂的阳光，神秘的古堡，庄严的教堂，罗马式、歌德式、文艺复兴式建筑物，以及波西米亚人的浪漫和热情，更因为布拉格出了一位天才作家卡夫卡，读过《变形记》的人几乎都会记得那个变成甲壳虫的人伤心孤独的情感流程。

这位生前默默无闻，辞世后才声名远扬的大作家，成了布拉格的代名词，成了世界各地许许多多的文学爱好者心中的圣地，他的代表作《审判》、《城堡》、《美国》也为很多人所熟悉，提起布拉格，自然会想到卡夫卡。提起卡夫卡，自然会想到布拉格。

布拉格还有另外一位作家，那就是米兰·昆德拉。看过电影《布拉格之恋》的人都知道，这部电影是根据米兰·昆德拉的小说《生命不能承受之轻》改编的。我喜欢这部爱情小说，最初看这本小说，还是从小弟手里借阅的，他是一个不折不扣藏书迷。

米兰·昆德拉的另外一本书《生活在别外》也非常畅销。他的.小说深奥难懂，语言富有哲理，小资们从他的书中看到了迷惘和感伤，愤青们从他的书中看到了人生的思考，而我从他的书中，看到了自己心中对布拉格的向往。

曾经在网上看到一句话，去布拉格前的功课，是读米兰昆德拉的小说，当然，这只是一家之言。无论是卡夫卡还是米兰昆德拉，提起布拉格，都会想到他们，他们的名字已经和布拉格这个古城紧紧的联系在一起。

迷倒众生的神秘风情——心醉布拉格 篇3

布拉格是捷克共和国的首都和最大的城市，是全世界第一个整座城市被指定为世界遗产的城市，有着包括布拉格城堡在内的无数历史遗产。

在捷克人的古老传说中，布拉格最早的创建者——莉布丝公主曾在圣石上预言：布拉格终将得到尊敬和荣耀，得到整个世界的赞美。从布拉格城堡上远远眺望，城市被伏尔塔瓦河分为两部分，城中或尖或圆的古老建筑，历尽沧桑后完好地留存下来，搭建起这座“百塔之城”。在这座神秘的城市，无论是建筑爱好者、音乐爱好者还是文学爱好者，都会沉醉其中而流连忘返。

布拉格的由来：

布拉格这个名字来自于德语，意思为“门槛”，原因是伏尔塔瓦河在这里流经一个暗礁，好像越过一个门槛。也有这样的传说，古时建城时，建筑师来这里勘察，遇到一位做门槛的老人，建筑师被老者那种异常认真、仔细的态度所感动，便在此城建成后将其命名为“布拉格”。

她瑰丽如穿越千年的古老布拉格城堡

布拉格城堡长久以来一直是布拉格的王室所在地，现在仍然是总统与国家机关所在地，历届总统办公室均设在堡内，所以又称“总统府”。城堡里最主要的三个景点分别是圣维特大教堂、旧皇宫和黄金巷。

圣维特大教堂

圣维特大教堂是布拉格城堡最重要的地标，是整座城市最古老的部分，至今已有1000多年历史。圣维特大教堂不仅具有鲜明的建筑特色，也是布拉格城堡王室加冕与辞世后长眠之所，有“建筑之宝”的美誉。如今这里收藏有国王查理四世的纯金皇冠、金球及令牌，塔顶有文艺复兴式样的大钟，钟楼是俯瞰布拉格市景的绝佳地方。

旧皇宫

旧皇宫是一座十分壮丽豪华的三层建筑，曾是波西米亚国王的住所，捷克总统选举也在这里举行。

宫中一角是总统办公的地方，玻璃门上写着“捷克总统府办公室”，进门处有持枪的卫兵把守。当总统在城堡内办公时，大门右上方会升起一面雄狮旗，且雄狮的双拳紧握。如果总统去外地巡视，这面国旗就会暂时降下来。

动动脑一

有一位城堡护卫，他的任务是保护城堡中的皇冠，你能否用5条直线将这12个皇冠全部连起来呢？每条直线都是从前一条直线的末端开始的。

黄金巷

黄金巷是布拉格古堡最著名的景点之一，也是布拉格最诗情画意的街道。黄金巷原本是仆人工匠居住之处，后来因为聚集不少为国王炼金的术士，因而有此名称。20世纪中期这里被重新规划，原本的房舍被改为小店家，现在每家商店内可看到不同种类的纪念品和手工艺品。黄金巷之所以如此有名，是由于名作家卡夫卡曾居住于此。他曾居住过的22号，目前是一家小巧可爱的书店。

她浪漫如同人们最爱漫步、驻足欣赏日出日落的查理大桥

查理大桥是布拉格人在伏尔塔瓦河上修建的第一座桥梁，是历代国王加冕游行的必经之路。据说，当年查理四世在修桥之前特意找占星师恳谈了一夜，才定下桥奠基的日子：1357年7月9日5点31分。这串吉利数字形成了一串数字回文，按照当地的书写习惯，即1—3—5—7—9—7—5—3—1。有人说只有把查理大桥走九遍才算真正来过布拉格。的确，每天不同时段在桥上行走都会有截然不同的感受。

查理大桥的浪漫传说

查理大桥上有30尊圣者雕像，被欧洲人称为“欧洲的露天巴洛克塑像美术馆”。桥上最引人驻足的右侧第8尊雕像圣约翰，是查理桥的守护者。这位虔诚的教士，因为拒绝向国王透露王后在忏悔时说出的秘密，被人从查理大桥上扔进了波浪滔滔的伏尔塔瓦河。

圣约翰的脚下有两块铜浮雕，据说只要用心抚摸，便会带给你一生的幸福。久而久之，那些被人们摸得金光闪闪的浮雕小人成了桥上最独特的景观。

查理大桥的名人情缘

1874年秋天，后来被誉为“捷克音乐之父”的作曲家斯美塔那因患耳疾而痛苦万分。他一度想结束生命，后来被伏尔塔瓦河的激流撞击查理大桥的声音激起斗志，并创作出著名交响诗《我的祖国》。

天才作家卡夫卡出生在查理大桥桥墩边上，把查理大桥称为他生命的摇篮。他生命中的最后一句话是：“我的生命和灵感全部来自于伟大的查理大桥。”

动脑筋二

人们去教堂向神父忏悔之前，都事先做了些什么事？

她梦幻如流传着悲伤传说、奇妙而不可思议的天文钟

布拉格旧市政厅里的天文钟是最著名的自鸣钟之一。钟的核心部分完成于1410年，据说设计者造完这口钟后就被刺瞎了双眼，因为统治者不愿世上再有同样漂亮的钟出现。

天文钟由天文表盘、耶稣和十二信徒以及日历钟盘三个最主要的部分构成。它的奇特之处在于两个钟盘分别可以显示太阳时、月亮时、地球时。每逢整点，就有骷髅拉动钟绳，两个窗口打开，耶稣十二门徒的雕像依次从窗前走过，然后金鸡啼鸣。

天文钟自建成后几经修缮，至今走时准确。根据当地古老的传说，如果钟没有妥善维护，这个城市就会面临灾难。

她神秘如幽暗冷峻、摄人心髓的人骨教堂

布拉格人骨教堂建于14世纪，其外表是看似十分普通的哥特式建筑造型，但内部的装饰却都是用人骨做成的，因此这里更像是一所“人骨博物馆”。14世纪的一场瘟疫和15世纪的战争，使3万人丧生，尸骨遍地，有教士把骸骨搬进教堂，并堆成金字塔状。由于骸骨实在太多，后来有人索性把骨头充当装饰素材，人骨教堂就这么诞生了。

神学家表示，天主教视死亡为神圣的事，死后将尸身献给上帝，象征无上的赞美，所以“人骨装饰品”不值得大惊小怪。据统计，这些饰品大约用掉一万具尸骨。

动脑筋三

天文钟敲5下用去了12秒，如果敲8下，要用多少秒？

神秘的布拉格 篇4

关于空间滤波器的设计,目前常用的是基于傅里叶变换原理的“透镜+针孔”构型。针孔滤波器性能稳定、使用历史悠久,是现阶段最常用的器件,但问题在于:激光光束在针孔附近汇聚,使得针孔处可承载的最大能量成为整个激光系统可能输出的能量上限。虽然对中、小型激光器而言,针孔滤波器仍是堪用器件;但对于大型激光器来说,传统滤波器的针孔必将成为高能激光器的瓶颈。

解决这个问题的根本途径就是变“聚焦型”为“非聚焦型”[1]。本文将探讨基于体积光栅“布拉格衍射空域选择”原理[2],以“低阶模偏转、高阶模透射”方式实现空间滤波的体布拉格光栅构型,并用两片光栅互相垂直放置,实现二维滤波[3]。

运用全息法制备的体布拉格光栅,若是用于全息存储,其光栅的记录密度和记录灵敏度是重点考察对象,而用作空间滤波器,主要应考察其衍射效率和角度选择性两方面。本文以透射式布拉格光栅为例,讨论影响光栅衍射效率、角度选择性等性能的因素,并通过实验验证空间滤波这一结论。

1 原理

体布拉格光栅,通常可以由下列一组参数完整的描述出来[4],如图1所示:光栅厚度d,光栅的倾斜角φ,光栅周期Λ(或光栅空间频率f=1/Λ),光栅矢量kF,其方向垂直于峰值强度面,大小是kF=2π/Λ,介质的平均折射率n0,折射率的调制幅度n1,再现光波的入射角θR,衍射角θI,透射角θT。当再现光束满足布拉格条件时,θb为布拉格角,再现光波和衍射光波的传播矢量kR和kI与kF三矢量共面组成一个等腰三角形,光波在相邻两个散射面上产生的光程差满足2Λsinθb=λ/n0[5]。

为进一步分析体全息图的特性,我们通常运用1969年由Kogelnik提出的耦合波理论[6]。从麦克斯韦方程组出发,在一系列简化条件下,得到耦合波方程,求出通解,代入边界条件,可得到透射式体全息的衍射效率公式[7]。而对于无吸收介质的非倾斜透射式相位光栅,即φ=π/2,当满足布拉格条件时,则得到Snell定律描述的固定、均匀分布的体相位光栅的衍射效率公式:

由上式得出,当n1d/cosθb=λb/2时,即当由于折射率调制度n1的形成引起的光程改变量等于二分之一波长时,衍射效率理论上可以达到100%。

一般情况下,当再现光束不满足布拉格条件时光栅衍射效率产生如下的相位失配因子[8]:

其中:φb是再现光束满足布拉格条件时的入射角,λb是与之对应的正确波长;δφ和δλ分别表示它们偏离布拉格条件时的偏移量。当偏移量为零时,相位失配因子Γ的值也为零;而当δφ和δλ增大时,相位失配因子|Γ|也变大,使得衍射波的振幅减小,直到没有衍射光。因此,相位失配因子在实际的布拉格光栅中对应的就是它的选择性,从上述表达式可以看出,光栅的选择性受kF的影响最大,kF越大,选择性就越显著。

2 体布拉格全息光栅的制备

据资料[9]显示,用作记录的全息干板的感光膜折射率在处理前后略有变化,处理前折射率为1.502 6,处理后为1.593 9,而且薄膜在经过显影、脱水、吹干处理后在纵向(厚度)上和横向(表面)上都发生了收缩,致使薄膜厚度和光栅周期在处理前后发生了变化,其收缩系数分别为:α⊥=0.632,α∥=0.986,也就是说在对干板的处理之后,干板薄膜厚度变为原来的0.632,光栅周期变为原来的0.986,当然其它参数也有所变化,但是对实验结果影响不大,这里就不特别指出了。

实验中判别所制备的光栅是否为体积光栅,通常使用一个无量纲的相对厚度参数Q通过数学形式来界定:

式中:λ是再现光波的波长,而特别要说明的是,这里的d应该是经处理之后的厚度,Λ也是收缩后的干涉条纹间隔。一般来说,当相对厚度参数Q>10时可认为是体积光栅,满足波矢守恒条件,具有布拉格选择性[10]。

只有当再现光波入射角满足布拉格条件时才会出现衍射,而且只能产生一级衍射(m=1),其-1级的衍射光正是我们所要的滤波结果,入射角不满足布拉格条件的光会直接通过光栅透射出去。

实验记录光路如图2所示,分别用He-Ne激光器输出的632.8 nm的红光作为记录光波,记录在厚度为40µm的光致聚合物干板上;用波长为532 nm的倍频YAG激光器作为再现光波。光路中第一个半波片HWP1作用是调节入射到偏振分光棱镜的光束的水平和垂直偏振分量,以改变两束记录光波的光强比;这束光再经过偏振分光棱镜PBS分束,其垂直分量反射,水平分量透射;为使两束光在记录光栅时偏振态相同,我们在透射光的光路中又加入了一个半波片HWP2,其快轴取向与偏振光的偏振方向成45°,把光束从水平偏振态改变为垂直偏振。为了便于计算,一般使两束光对称入射在干板上。假如在分光棱镜前的光路中加入扩束镜和准直镜,并适当调整准直镜与扩束镜之间的距离就能输出平行光,那么在干板上记录的就是一个区域的光栅而不只是一个点。

为使记录时改变角度方便起见,运用如图3所示的记录光路。其中两个FTL是焦距为f的傅里叶变换透镜,构成4f系统,振镜RM和样品Sample分别放在其输入和输出面上,振镜可以通过电脑控制作任意角度的偏转。旋转RM可以改变入射光的方向而不改变光在样品上面的入射点,只是所记录的光栅就不是非倾斜光栅了。

实验中,我们制备了多块透射式体布拉格光栅,并挑选其中具有代表性的5组数据记录如表1。

需要说明的是:各类文献在衍射效率的计算上,公式各不相同,给实验结果的比较带来一定的麻烦。为避免这种不必要的麻烦,在这里以及后续的研究,我们均采用统一的标准:衍射光功率P-1除以总光功率PI减去反射部分光功率PR之差,即。

如A组数据:入射光束夹角为20°,由布拉格公式可算得光栅周期为Λ1=1 222.5 nm,经显影、脱水、吹干处理后,用532 nm的激光再现。通过计算求得厚度参数Q≈16>10,符合体积光栅条件。由于光栅周期随入射角增大而减小,以下几组数据的入射角都比A组的大,则周期都比A组小,根据(3)式,在其它量不变的情况下,只要A组满足体积光栅条件,其它各组自然满足。但在该组的再现过程中出现了微弱的+1级和-2级亮点,可认为薄膜不均匀所致。通过组内对比可知延长曝光时间有助于增大折射率调制度,从而提高了衍射效率。

B组数据:入射光角度增大到40°,光栅周期可算得Λ2=925.1 nm。与A组数据比较可看出衍射效率有明显提高,但是夹角为20°曝光时间40 s和60 s的衍射效率均比夹角为40°曝光时间30 s的衍射效率高,这证明改变曝光量使得n1的改变量比改变角度所产生的改变显著,同样也说明波峰在往前推进。

E组数据:在入射角为90°的情况下,其衍射效率仍然随着曝光时间的延长而提高,但由于延长曝光时间的同时又使得稳定性很难保证,所以继续延长曝光时间反而容易降低衍射效率;由组间比较不难发现,曝光时间在240 s时还达不到夹角为20°下曝光30 s的水平。这是因为随着入射角增大,光束在干板薄膜面上的反射光强也随之增大,因此,在激光器输出水平一定的条件下,用于作光聚合反应的光强就会减小,相当于曝光量减少了,使得衍射效率急剧下降。另外,我们还可以用有吸收的衍射效率公式作进一步的解释:

由此可见,随着入射光角度增大,式中的吸收系数因子对结果的影响就变得不可忽视了。

从C、D组数据,我们可以看出衍射效率总体趋势是上升的,而且各自都有峰值,分别在夹角为50°曝光时间90 s附近和夹角为60°曝光时间120 s附近,根据(1)式的推导,在衍射效率的峰值处最接近。

实验中观察光栅的角度选择性,一般有两种方法:一种是用一束平行光照射放置在旋转平台上的光栅,测量时旋转该平台,通过分别测量透射光强和衍射光强来确定,这样每旋转一个微小角度测一个量,最后再把所有测量的点用曲线拟合起来,这种方法可以称为是“串行法”[11];而另一种是通过加装扩束镜或针孔滤波器把再现光束改造成一束发散的锥形光束,将它照射在光栅区域上,在观察屏上直接可以观察到整个衍射图样,这种方法是“并行法”,其优点在于能一次性的描述整个衍射情况。因此,实验中我们采用的是第二种方法,当再现的锥形光波照射到光栅区域时,锥形光束中只有一个特定的角度满足光栅的布拉格条件,产生大角度衍射,出现衍射最大值,而在衍射最大值的左右各分布着几个旁瓣,正如衍射效率公式的描述。

如图4是实际拍摄的照片,参数依次是:(a)—20°,40 s;(b)—50°,90 s;(c)—60°,120 s;(d)—90°,240 s。比较结果发现,记录夹角较大的光栅其角度选择性优于夹角小的光栅。这个结果与理论也是符合的。因为记录时入射角度越大,光栅周期就越小,则kF就越大,根据选择性公式得出光栅对角度偏移的反应也就越灵敏。

在滤波器的实际应用中,仅仅实现一维滤波通常是不能满足要求的。所以,我们尝试用两片同样记录有布拉格光栅的全息干板垂直放置,构成一个简单的二维滤波器,对一束锥形光束进行滤波。滤波效果如图5所示。光束通过先后两片全息光栅,由于干板的吸收和散射,滤波后的图像光强很弱,可见衍射效率大幅度下降,而角度选择性并没有下降。

3 结论

用体布拉格光栅做成的空间滤波器对入射角和衍射角,滤波的中心波长,谱宽和角宽都可以通过选择适当的光栅周期和折射率调制度等参数来精确确定。与传统的针孔滤波器相比,体布拉格光栅具有装配简单、运用灵便等优点;而这种滤波器最明显的优点还在于光束通过滤波器时不需要聚焦,因而能量分散,可大大提高滤波器的负载能力,因此该种滤波器构型可用于普通针孔滤波器所不能胜任的场合——高功率激光器的空间滤波。但目前我们的光栅介质用的仍是光致聚合物,该材料也不能承受高功率激光的连续照射;而根据这个原理,我们可以寻找到其它材料,比如耐热性强的PTR玻璃,这将是我们下一步的实验工作。

通过上述对体布拉格光栅理论上的推导和实验现象的分析,我们已经找到体布拉格光栅作为空间滤波器的必备条件:衍射效率和角度选择性。我们分析衍射效率公式,分别以改变记录入射光夹角和曝光时间两个参量进行多次实验,得到衍射效率最大值应该在60°入射角下曝光120 s附近,峰值约为60.61%。我们还用发散的锥形光束再现,可以得出角度选择性与光栅周期(即记录入射角)的关系:记录入射角越大,角度选择性越强。

综上所述,设计好光栅厚度、记录波长、曝光时间等一系列参数,可制备用来作为空间滤波器的体布拉格光栅,但其性能有待提高,实验室制备的光栅有诸多因素影响着空间滤波器的性能,主要因素如下:

1)衍射效率与干板的后处理技术关系很大。例如化学溶剂的浓度,显影速度和干燥时间等都会影响其衍射效率。而每块干板的湿润度不一样,在处理过程中的收缩度也有一定程度的差别;

2)两曝光光束的光强不完全相等,造成折射率调制度偏低,使光栅衍射效率降低;

3)全息干板的厚度不均匀或者平整度不够高对衍射效率也有很大影响;

4)衍射效率与记录环境的稳定性有着密切的关系,如记录平台的震动、工作间的气流和声音的干扰,而且曝光时间越长,干扰的影响就越不可忽略。

另外,我们的后续工作应该是用多色光作为再现光波观察其对波长的选择性;并通过增大薄膜厚度,严格控制干板的后处理过程,来提高体布拉格光栅作为空间滤波器的性能。

摘要：探讨实现空间滤波的新方法,分析体布拉格光栅作为空间滤波器的可行性,基于Kogelnik一维耦合波理论,讨论影响体布拉格光栅衍射效率和角度选择性的主要因素。用全息法在光致聚合物中记录了体布拉格光栅,完成了激光光束二维空间低通滤波的实验。实验结果表明:在记录材料达到饱和状态之前延长曝光时间能提高衍射效率;增大入射角度能使角度选择性提高,但由于吸收加大,衍射效率反而会有所下降。因此,体布拉格光栅用作空间滤波器时要对衍射效率和角度选择性作综合考虑。

关键词：布拉格衍射,体积光栅,空间滤波,衍射效率,角度选择性

参考文献

[1]Ludman J E,Riccobono J,Reinhand N,et al.Holographic Nonspatial Fitler[J].SPIE,1995,2532:481-490.

[2]Jacques E Ludman,Juanita R Riccobono,Nadya O Reinhand,et al.Very thick holographic nonspatial filtering of laser beams[J].Opt.Eng(S0091-3286),1997,36(6):1700-1705.

[3]Michele Henrion,Jacques Ludman,Gennadi Sobolev,et al.Two-dimensional holographic nonspatial filtering for laser beams[J].SPIE,1998,3417:195-206.

[4]Igor V Ciapurin,Leonid B Glebov,Vadim I Smirnov.Modeling of Gaussian beam diffraction on volume Bragg gratings in PTR glass[J].SPIE,2005,5742:183-194.

[5]李亚玲,李文博,李宓善,等.光栅衍射和布拉格公式[J].大学物理,2005,24(9):30-32.LI Ya-ling,LI Wen-bo,LI Mi-shan,et al.The grating diffraction and Bragg equation[J].College Physics,2005,24(9):30-32.

[6]Kogelnik H.Coupled wave theory for thick hologram gratings[J].Bell System Technical Journal,1996,48(9):2909-2947.

[7]周海宪,程云芳.全息光学——设计、制造和应用[M].北京:化学工业出版社,2006.ZHOU Hai-xian,CHENG Yun-fang.Holographic optics–Design,fabrication and application[M].Beijing:Chemical Industry Press,2006.

[8]于美文.光全息学及其应用[M].北京:北京理工大学出版社,1996.YU Mei-wen.Optical Holography and Application[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1996.

[9]梁国栋,徐迈,邹景惠.体积相位全息光栅的设计与制备[J].光子学报,1995,24(1):43-47.LIANG Guo-dong,XU Mai,ZOU Jing-hui.The design and fabrication of volume phase holographic grating[J].Acta Photonica Sinica,1995,24(1):43-47.

[10]钟丽云,张文碧,杨齐民,等.折射率相位调制型全息图的衍射[J].激光技术,2000,24(2):125-128.ZHONG Li-yun,ZHANG Wen-bi,YANG Qi-min,et al.Study on the diffraction efficiency of refraction index phase modulation hologram[J].Laser Technology,2000,24(2):125-128.

神秘的布拉格 篇5

光纤布拉格光栅传感器(FBG)尺寸小、电绝缘、抗干扰[1],是智能结构(将传感元件、驱动元件和微处理控制系统集成具有识别、分析、判断、动作等能力的一种功能结构)中传感单元的首选器件。FBG的光纤智能金属结构用于环境变量监测时精度及灵敏度高、抗干扰,是近年的研究热点[2]。光纤智能金属结构传统的制备方法是用胶粘剂将FBG粘接在金属构件上,这种方法不能完全固定,会导致测量数据失真且易老化,不能在潮湿、高压或高温等环境下使用。采用金属直接固化技术代替环氧粘接可以克服上述问题[3,4],但光纤主要由SiO2构成,难以与金属结合,需预先在其表面镀覆一层薄膜以实现FBG金属固化。

目前实现FBG表面金属化的方法有真空溅射、溶胶 - 凝胶、电镀、化学镀等[5,6],但大多生产成本高,还会破坏光纤光栅传感器的结构,不适合工业化生产或试验研究[7,8]。化学镀相对成本低、操作简单、过程可控,在FBG的金属封装研究中应用广泛。以下对其工艺技术、研究成果及存在的问题进行归纳并指出了今后的发展方向。

1 FBG化学镀前的预处理

FBG表面化学性质稳定,不具备化学镀所须的催化活性,镀前须对其进行预处理,化学镀膜表面预处理一般包括4个步骤:表面清洗→粗化→敏化→活化,如采用光纤模拟PBG,则需事先去除其表面的有机保护层。

1.1 去保护层

光纤表面包裹了一层有机保护层,化学镀前须完全剥除,残留在光纤表面的有机层将会影响化学镀的进行。有机保护层可采用手工刀具等直接剥除[7,8],也可用丙酮、二氯甲烷、浓硫酸等有机或强氧化性溶剂浸泡剥除[3,4],还可以通过燃烧去除[9]。

1.2 表面清洗

光纤的清洗包括表面除油、去除金属离子。除油方法有物理法和化学法,物理法以丙酮、酒精等有机溶剂擦洗[7,10];化学法则采用碱性或乳化剂溶液,根据皂化和乳化原理除油[11]。一般采用酒精或NaOH溶液除油,稀HNO3溶液去除金属离子。

1.3 粗 化

光纤表面平整光滑,且SiO2不易与金属形成化学键结合,难以与金属薄膜产生较强的结合。为促进两者的结合,可对其表面粗化形成微观粗糙结构以使镀层与之形成机械咬合[12]。常用的化学腐蚀粗化方法有用体积比为HF ∶H2SiF6 ∶H2O= 1 ∶1 ∶2 或HF ∶HNO3 ∶H2O= 1 ∶1 ∶3的溶液粗化10 min[3,4],也可用CrO3,HNO3,HF的混合溶液进行粗化[13]。

1.4 敏 化

常用敏化液为SnCl2 - HCl体系[9,10],如10 g/L SnCl2,40 mL/L HCl,敏化5～15 min。敏化物易氧化,敏化后不能进行长时间的清洗,亦不能在空气中暴露过久,否则敏化物会部分或完全失效,从而使敏化、活化效率降低,影响镀层质量。

1.5 活 化

适用于光纤的活化方法包括钯活化、银活化、银钯活化等,普遍采用的是钯活化法[9,10]:将敏化后的光纤浸入PdCl2溶液,其表面的Sn2+将Pd2+还原undefined↓),形成一层Pd催化膜。常用的工艺为0.25～1.00 g/L PdCl2,2.5～10.0 mL/L HCl活化液,处理6～15 min。

2 FBG表面化学镀

镍、铜、铝、锡等金属具有良好的耐水性及优异的耐高温性能[14,15],是FBG表面金属化的主要材料,特别是镍[7,8,16,17,18]和铜[8,19,20],因其普遍存在且具有较强的自催化能力而成为FBG表面金属封装中最常用的材料。

2.1 化学镀镍

因酸性镀液体系的沉积过程更易控制,薄膜更优质,大部分研究均采用酸性镀液进行化学镀镍。

将光纤分别敏化(70 g/L SnCl2,70 mL/L HCl)2 min,活化(0.312 5 g/L PdCl2、6.25 mL/L HCl)1 min后进行快速化学镀,10 min内可得到厚约60 nm的Ni - P薄膜,所得薄膜为非晶结构,薄膜中P含量约为8%(质量分数);为避免产生大量应力并保证其拉伸强度,薄膜厚度应控制在65～218 nm[15]。

将光纤分别敏化(10 g/L SnCl2·H2O,40 mL/L HCl)并活化(0.5 g/L PdCl2,5 mL/L HCl)各10 min,通过2～3 h薄膜沉积可得到一层光滑平整的非晶Ni - P薄膜且其表面没有明显的裂缝等缺陷;在30 ℃和400 ℃下完成3个循环热震试验后镀层仍光滑平整,无明显脱落、起泡,镀层与光纤之间具有较强的结合力[7,8]。

将FBG分别敏化(50 g/L SnCl2,50 mL/L HCl)并活化(1 g/L PdCl2, 10 mL/L HCl)各10 min后置入镀液,可通过控制施镀时间得到不同薄膜厚度的金属化封装FBG:该工艺30 min即可沉积出厚约1.42 μm的Ni - P薄膜;300 min内沉积速率随施镀时间的延长逐渐增大;FBG的温度灵敏度将随薄膜的增厚而增大,直至达到最大值[21]。

文献[3]、[4]、[11]亦对光纤表面化学镀镍进行了研究,均获得了优质的Ni基金属薄膜。

2.2 化学镀铜

化学镀铜液由铜盐、还原剂、配位剂、稳定剂、缓冲剂及其他添加剂组成。目前的研究主要以硫酸铜为主盐,甲醛为还原剂,配以适量的其他添加剂,其反应式为Cu2+ + 2HCHO+4OH-→ Cu↓+2HCOO-+2H2O+H2↑。甲醛在pH>11的碱性环境中才能发挥还原作用,甲醛为还原剂时,化学镀铜需在碱性环境中进行。

采用文献[8]的工艺在室温下即可进行化学镀铜:1～2 h后即可在光纤表面生长出一层厚约10 μm的铜膜,薄膜表面平整致密,但粗糙度偏大;经120 ℃的热冲击后薄膜与光纤仍结合良好;镀铜光纤具有良好的可焊性能。采用文献[20]的工艺制备的镀铜层在345 ℃下仍具有较好的热载能力,且结构与单模光纤相同。此外,在光纤表面化学镀银[10,22]、铝[20,23]或锡[20]等,均可得到相应的优质金属薄膜,但镀银工艺成本高,铜膜粗糙、内应力大,镀铝、镀锡工艺复杂且需较高的薄膜生长温度,因此应用并不广泛。

目前采用的FBG化学镀特点如下:

(1) 只有保证合适的pH值和槽温,FBG表面才能获得均匀连续的优质金属薄膜,过高、过低的温度或pH值均易导致镀液分解或无法化学起镀,影响薄膜质量,较佳的温度为80～85 ℃,pH值为4～5;

(2)化学镀铜工艺比镀镍更难控制,薄膜的粗糙度与内应力更大,镀液更易分解,不利于镀液的重复利用与环保,不适合工业应用。

综合镀液稳定性、薄膜质量及对FBG传感特性的影响来看,文献[7]和[21]采用的化学镀工艺较佳,所得薄膜均为非晶结构。

3 金属封装后FBG的传感性能

FBG是一种高灵敏度、高精度的传感元件,表面金属化后必须检验其传感性能。可采用温度特性研究封装后FBG的传感性能[7,8,21,24],由于薄膜与FBG热膨胀系数不一致等原因,导致了金属化封装后温度传感特性的变化:镀镍后FBG的温敏系数大幅提高,薄膜对传感器具有增敏作用;在重复热载中能保持很好的重复性及很高的线性度;较大温度范围内镀膜FBG的灵敏度都将随膜厚的增加而增加,具有良好的温度传感特性,膜厚超过一定值后保持为稳定常值。温度传感模型可分别用式(1)[7]、(2)[21]表示。

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辅以应力传感试验对封装后FBG传感性能的研究表明,高强度应力载荷下,应变响应曲线仍具有较好的重复性和较高的线性度,镀膜后光纤传感器仍保持着良好的应力响应特性[7,25]。

值得一提的是,FBG表面化学镀的粗化处理一定程度上破坏了传感器的结构,降低了其灵敏度及精确度。目前国内对无粗化化学镀工艺进行了一定的研究,但未找到简单易行的化学镀工艺[19];其次,金属封装后,缺乏对FBG应力应变特性的检验,缺乏其对光、磁效应影响的研究,降低了金属封装可行性的说服力;同时,薄膜生长过程中,由于应力的存在等导致金属化封装FBG在温度传感测试中存在迟滞,这也是下一步需要解决的问题之一。

4 展 望