偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

陈 江，肖遥王戈，张继武

（国网湖北省电力有限公司 武汉供电公司，武汉 430012）

0 引言

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器[1]，被广泛应用于温度、浓度、应力等参量的高精度测量，尤其是在竖井、管道一类的特殊环境，可以更大程度上发挥光纤光栅传感器的体积小、抗干扰、高精度、易阵列等优点。在光纤光栅感器中，光栅是重要的光学衍射结构，通过相位掩膜方法分布刻写在光纤中。从光栅用于衍射光学元件以来，对于光栅的研究应用也越来越多。在光纤光栅传感器波前精密测量中，光栅刻写的精度，衍射场分析都是重要环节。本文所分析的矢量光栅衍射场中，采用二维相位型光栅作为衍射光学元件，根据矢量波前衍射理论[2-4]，确定偏振波前理论模型，可为光纤光栅波长解析的研究建立正确的矢量分析模型。

图1 （a） 棋盘光栅结构示意图Fig.1(a) Schematic diagram of checkerboard grating structure

图1 （b） 棋盘光栅单元结构示意图Fig.1(b) Structure of checkerboard grating unit

1 二维相位光栅传统衍射理论分析

二维棋盘光栅的微结构与国际象棋的棋盘相同[5]，图1 为光栅示意图。

二维相位光栅的光栅面入射光复振幅函数可以表示为：

其中，tu为光栅单元面的入射光复振幅函数：

对光栅复振幅函数做傅里叶变换，可以得到衍射光复振幅函数：

因此，棋盘光栅的（n1，n2）级衍射光的衍射效率可以表示为：

图2 棋盘光栅的（±1,±1）级衍射效率随光栅槽深的变化关系曲线Fig.2 (± 1, ± 1) Order diffraction efficiency of checkerboard grating versus grating groove depth

图2 为衍射效率随光栅槽深的变化关系，因此剪切光栅的选择原则就是尽可能地使光栅1 级衍射光衍射效率高，而尽可能地抑制其他级次的衍射光，所以选择相位型棋盘光栅，它的（±1,±1）级衍射效率是最高的，可以达到16.43%。……