1978年，加拿大渥太华通信研究中心的KO希尔首次发现了光纤的光敏效应，使世界驻波写入法制作第一个光纤光栅。随后，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤布拉格光栅(FBG)的紫外激光侧写技术，在光纤布拉格光栅的制作技术上取得了突破。
光纤布拉格光栅技术
光纤光栅的定义和分类
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性，是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率会随着光强的空间分布而发生变化的特性。在纤芯中形成的空间相位光栅的本质是在纤芯中形成窄带(透射或反射)滤波器或反射镜。
利用这一特性，可以制造出许多具有独特性能的光纤器件。这些器件具有反射带宽宽、附加损耗小、体积小、易于与光纤耦合、与其他光学器件兼容、不受环境灰尘影响等一系列优良特性。
光纤光栅有很多种，主要分为两类：一类是布拉格光栅(也叫反射或短周期光栅)；第二种是透射光栅(也叫长周期光栅)。光纤光栅可分为周期结构和非周期结构，在功能上还可分为滤波光栅和色散补偿光栅。色散补偿光栅是非周期光栅，也称为啁啾光栅。
下面简单介绍几种光纤光栅：
1.均匀光纤光栅
均匀光纤布拉格光栅的折射率变化周期一般在0.1um量级，它可以反射一定波长的入射光，反射带宽较窄。在传感器领域，均匀光纤光栅可以用来制作温度传感器、应变传感器等传感器。在光通信领域，均匀光纤光栅可以用来制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器。
均匀长周期光纤光栅
长周期光纤光栅的折射率变化周期一般在100um量级，可以将一定波长范围内入射光的前向传播芯中的导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可以用来制作微弯传感器、折射率传感器等传感器。在光通信领域，长周期光纤光栅可以用来制作掺饵光纤放大器的增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。
变迹光纤光栅
对于一定长度的均匀光纤布拉格光栅，在其反射光谱的主峰两侧存在一系列的边峰，一般称为光栅的边模。例如，如果将光栅应用于一些边模抑制比高的器件，如密集波分复用器，这些边峰的存在就是一个不良因素，严重影响器件的通道隔离度。为了降低光栅的边模，人们提出了一种有效的切趾方法，即用一些特定的函数来调制光纤光栅的折射率调制幅度。切趾光纤光栅称为切趾光纤光栅，其反射光谱中的边模明显减少。
相移光纤光栅
相移光纤光栅由多个不同长度的m(M2)均匀光纤布拉格光栅和连接这些光栅的M-1个连接区域组成。相移光纤光栅可以直接用作带通滤波器，因为它的反射光谱中有一个透射窗口。
5、取样光纤光栅
取样光纤光栅，也称超结构光纤光栅，是由若干个相同参数的光纤光栅以相同的间距级联而成。除了用作梳状滤波器，取样光纤光栅还可以用作wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同，取样光纤光栅构成的分插器件
同时，具有相同通道间距的信号可以被分割或插入。
啁啾光纤光栅
啁啾光纤光栅是一种光纤的纤芯折射率变化的幅度或周期沿光纤轴向逐渐变大(变小)而形成的光纤光栅。啁啾光纤光栅可以在不同的轴向位置反射不同波长的入射光。因此，啁啾光纤光栅的特点是反射光谱宽，在反射带宽内具有渐变的群延迟，群延迟曲线的斜率就是光纤光栅的色散值。因此，啁啾光纤光栅可以用作色散补偿器。
光纤光栅传感器
光纤光栅的三大用途包括控制、合束和路由光，广泛应用于光纤技术、光纤通信、光纤传感等高科技领域。
光纤光栅传感器的工作原理
光栅的布拉格波长B由以下公式确定：
B=2n(1-1)
其中n是芯模的有效折射率，是光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯的折射率会发生变化，从而改变反射光的波长。通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，可以获得待测物理量的变化。
如果磁场引起的左右偏振波的折射率变化不同，就可以实现磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可以单独或同时测量应力和温度。通过在光栅上涂覆特定的功能材料(如压电材料)，还可以间接测量电场等物理量。下面简单介绍两种不同的光纤光栅传感器的工作原理：
1、啁啾光纤光栅传感器工作原理
上面描述的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对于单一参数的定点测量非常有效。然而，当需要同时测量应变和温度或者应变或温度沿光栅长度的分布时，这似乎是不够的。更好的方法是使用啁啾光纤光栅传感器。啁啾光纤光栅(FBG)因其优良的色散补偿能力而被应用于高比特通信系统。
光纤光栅传感器的工作原理与光纤光栅传感器基本相同。在外部物理量的作用下，啁啾光纤光栅不仅会改变B，还会引起光谱展宽。当应变和温度同时存在时，这种传感器非常有用。啁啾光纤光栅的应变导致反射信号的展宽和峰值波长的移动，而温度的变化由于折射率的温度依赖性(DN/DT)只影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，可以同时测量应变和温度。
2、长周期光纤光栅传感器工作原理
一般来说，长周期光纤光栅的周期被认为是几百微米。LPG将来自纤芯的光以特定波长耦合到包层中： i=(n0-niclad) 。在这个公式中，n0是纤芯的折射率，niclad是I阶轴对称包层模的有效折射率。在包层中，由于包层/空气界面的损耗，光会迅速衰减，留下一系列损耗带。独立的LPG可以在宽波长范围内具有许多谐振。LPG谐振的中心波长主要取决于纤芯和包层之间的折射率差。由应变、温度或外部折射率变化引起的任何变化都会在共振中产生大的波长偏移。通过检测i，可以获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长的谐振带的响应通常具有不同的幅度，因此LPG适用于多参数传感器。
光纤光栅传感器的优势
与传统传感器相比，光纤布拉格光栅传感器有自己独特的优势：
1、传感头结构简单，体积小，重量轻，形状多变。适合嵌入大型结构中，可以测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和可重复性。
2、与光纤具有天然的兼容性，易于与光纤连接，损耗低，g
5、测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗、光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强；
6、高灵敏度和高分辨率。
由于光纤光栅传感器具有诸多优点，近年来被广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域以及能源化工行业的健康监测。
光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力应变的场合，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有希望集成到材料中的传感器，作为监测材料和结构载荷并检测其损伤的传感器。
光栅传感器的应用领域
光栅传感器具有测量精度高、动态测量范围宽、非接触测量、易于实现系统自动化和数字化等优点，在机械行业得到了广泛的应用。
光栅传感器在航空航天和船舶中的应用
先进的复合材料具有良好的抗疲劳和抗腐蚀性能，可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义。因此，复合材料越来越多地用于制造航空导航工具(如飞机机翼)。
为了全面测量船体的状况，需要知道船体不同部位甲板上的变形力矩、剪切压力和攻击力。一个普通的船体需要100个左右的传感器，因此波长复用能力强的光纤光栅传感器最适合船体检测。
光纤光栅传感系统可以测量船体的弯曲应力和海浪对湿甲板的冲击力。一种具有干涉检测性能的16通道光纤光栅复用系统成功实现了带宽5kHz、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。
另外，为了监测一架飞机的应变、温度、振动、着陆驱动状态、超声场、加速度等，通常需要100多个传感器，所以传感器的重量和尺寸要尽可能轻，所以最灵巧的光纤光栅传感器是最佳选择。
另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌入复合材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴应变和温度测量的理想智能元件。
光栅传感器在土木工程结构中的应用
土木工程结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。用于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑等。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和状态，便于维修和状态监测。
光纤光栅传感器可以预先粘贴在结构表面或嵌入结构中，可以同时对结构进行冲击检测、形状控制和减振检测，还可以监测结构的缺陷。此外，可以将多个光纤光栅传感器串联成传感网络，以准分布式的方式对结构进行检测，传感信号可以由计算机远程控制。
光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一是桥梁。应用时，在桥梁复合钢筋表面粘贴一组光纤光栅，或在梁表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯嵌入凹槽内(便于保护)。
如果需要更完善的保护，最好在建桥时将格栅埋入复合钢筋中。同时，为了校正温度效应引起的应变，可以使用应力和温度分开的传感器臂，两个臂安装在每根梁上。
光栅传感器在电力行业中的应用
光纤光栅传感器不受电磁干扰，可实现长距离低损耗传输，是电力行业的理想选择。导线的负载能力、变压器的绕组温度和大电流都可以通过光纤光栅传感器测量。
在电力工业中，电流转换器可以将电流变化转换成电压变化，电压变化可以使压电陶瓷(PZT)变形。利用光纤光栅的波长漂移
此外，大雪对导线施加的过大压力可能会引发危险事件，因此在线检测导线压力非常重要，尤其是对于那些难以检测的山区导线。
光纤光栅传感器可以测量电线的负载能力，其原理是将负载能力的变化转化为靠近电线的金属板的应力变化，通过附着在金属板上的光纤光栅传感器可以检测到。
这是一个在长距离恶劣环境下使用光纤光栅传感器进行测量的例子。在这种情况下，相邻光栅之间的距离很大，因此不需要快速调制和解调。
近年来，冰雨对输电线路杆塔的破坏时有发生。为了监测输电铁塔的倾斜状态，常用的方法是利用GSM塔仪将传感器检测到的铁塔倾斜信息发送给管理人员和监控计算机，在计算机中进行数据处理，并根据具体的数据处理结果发出报警信息；另一种方法是将电阻应变片直接贴在输电铁塔的结构部件上，进行直接监测。这两种方法的应用受到一些因素的限制，给监测工作带来不利影响。
近年来，光纤传感器的工程应用研究发展迅速。其中，光纤光栅传感器是以光纤光栅为敏感元件的功能性光纤传感器，可以直接感知温度和应变，并间接测量许多其他与温度和应变相关的物理化学量。光纤光栅传感器的应力变化数据可以反映出杆塔的倾斜状态，将这种方法应用于杆塔倾斜状态的监测具有很大的优势。
利用光纤光栅这种光纤传感技术监测输电铁塔的倾斜状态时，利用光纤光栅上应力变化引起的波长位移信息来获得光栅感知的应力变化信息，从而可以相应地获得铁塔的倾斜状态信息，实现对铁塔倾斜状态的监测。
光栅传感器在医学中的应用
医学上使用的传感器多为电子传感器，不适用于很多医疗操作，特别是在微波(辐射)频率高、超声场或激光辐射的热疗治疗中。由于电子传感器中的金属导体容易受到电流、电压等电磁场的干扰，会在传感器头部或肿瘤周围产生热效应，导致读数错误。
近年来，利用高频电流、微波辐射和激光代替手术进行热疗越来越受到医学领域的重视，而传感器的小尺寸在医学应用中非常重要，因为小尺寸对人体组织的伤害很小，而光纤光栅传感器是目前为止能够实现的最小的传感器。它能以最小的侵入测量人体组织中温度、压力和声波场的精确局部信息。
到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地探测到了病变组织的温度和超声场，在30 ~ 60范围内获得了分辨率为0.1、精度为0.2的测量结果，而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2，为研究病变组织提供了有用的信息。
光纤布拉格光栅传感器也可以用于测量心脏的效率。在这种方法中，医生将嵌有光纤光栅的热稀释导管插入患者的右心房然后给病人注射一种冷溶液。这样就可以测量肺动脉血液的温度，结合脉冲功率就可以知道心脏的血量，这对心脏监测非常重要。
光栅传感器在我国高速铁路运营安全技术中的应用
通常我们坐火车的时候，有时候会觉得很晃，很不舒服，就是火车的车轮有平疤或者多边形。虽然平疤只有几微米，但由于运行速度快，会对高铁造成很大的震动。传感器的作用是发现火车上哪里出现了平疤。
所谓光纤光栅监测系统，其实就是把碳纤维拉成光纤，雕刻成光栅安装在火车和铁轨上的传感器。光栅接收到激光信号后，会有ref
高速铁路线路复杂多样，传感器的放置成为一大难题。光纤的高明之处在于利用铁路轨道来监测列车，即在铁路轨道的某一段放置传感器，只要传感器的铺设长度略长于一个车轮的周长，就可以一次性监测到所有经过这一段的列车车轮。同样，放置在车轮上的传感器也可以用来监控铁轨。
对于光纤光栅传感器的优势，一方面，传统的传感器会受到列车和铁轨产生的电磁信号的干扰，而光纤不存在这个问题；另一方面，该中心研发的传感器质量小，可以直接安装在高铁上，不影响列车的正常运行。
光栅传感器在数控机床中的应用
作为数控机床直线轴的位置检测元件，光栅传感器相当于人 眼睛，也就是它监视器执行数控系统运动指令后，直线轴是否真正运行到数控系统指令要求的位置。
如果数控机床没有安装光栅传感器，数控系统给出直线轴的移动指令后，直线轴能否到达数控系统要求的位置，完全取决于数控系统的调试精度和机械传动精度。
数控机床在使用一段时间后，由于电气调试参数的修改和机械误差的增加，直线轴的位置很可能与数控系统指令要求的位置相差很大。这时，数控系统不会根本不知道，维护运营人员也不知道。想知道这个差距，维修人员会检测机床的精度。
所以，如果数控机床没有配备光栅传感器，就要定期检查机床的精度。如果不小心，一旦忘记检查数控机床的精度，很可能加工出来的产品精度就会超标甚至报废。
如果数控机床的直线轴上装有光栅传感器，上述问题将由光栅传感器解决。
如果直线轴由于机械原因没有准确到达位置，作为位置检测元件的光栅传感器会向数控系统发出指令，使直线轴能够到达更准确的位置，直到光栅传感器的分辨率无法分辨为止。
此时，光栅传感器作为独立于机床的监控功能。就像人类的眼睛一样，它总是监视器直线轴的位置，保证直线轴能够到达数控系统要求的位置。
总的来说，光栅传感器已经成为光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造技术的进步，性能的提高，以及应用研究成果的不断涌现，光纤光栅传感器在传感器领域变得越来越重要。广泛应用于土木工程结构、航空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、医药和核工业。许多具有发展潜力和市场前景的实用技术正在研究中，这些技术的成熟将为国家经济建设带来巨大的推动力。
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