Волокна, що має решітку (FBG) - це спеціалізований оптичний пристрій, заснований на оптичних волокнах. Він досягає контролю над відбиттям або передачею конкретних довжин хвиль світла, вводячи періодичну структуру модуляції показника заломлення в ядрі волокна. Через свої переваги, такі як висока чутливість, імунітет до електромагнітних перешкод та простота інтеграції, FBG широко використовуються в таких галузях, як комунікація, зондування, охорона здоров'я, аерокосмічна галузь тощо.
1. Основні принципи FBGS
Основним принципом FBGS є дифракція Брегга. Коли світло поширюється через оптичне волокно і стикається з областю з періодичними варіаціями показника заломлення (тобто структурою решітки), світлом певної довжини хвилі (довжина хвилі Брегга, λB) відображається, а інші довжини хвилі передаються. Довжина хвилі Брегга визначається періодом решітки (λ) та ефективним показником заломлення ядра (neff), виражений як: λB = 2neffΛ
Коли зовнішні умови (такі як температура, штам або тиск) змінюються, період решітки або зміна показника заломлення, що спричиняє відповідний зсув довжини хвилі Брегга. Контролюючи цей зсув, можна досягти високих - точних вимірювань фізичних величин.
2. Методи виготовлення FBGS
В даний час ФБГ в основному виготовляються за допомогою методів лазерного напису ультрафіолетового (УФ) із загальними методами, включаючи:
- Метод фазової маски: УФ -лазер опромінює волокно через фазову маску, утворюючи періодичну модуляцію показника заломлення в ядрі. Підходить для масового виробництва.
- Метод перешкод: Два когерентних УФ -лазерних променів перешкоджають створенню структури решітки на волокні, пропонуючи більш високу гнучкість для індивідуальних потреб.
- Фемтосекунд -лазерне пряме письмо: Використовує ультрашвидкі імпульсні лазери для вписання решітки безпосередньо всередині волокна, придатні для стабільного виготовлення решітки в суворих умовах (наприклад, висока температура або випромінювання).
3. Основні типи FBGS
На основі шаблонів модуляції індексу заломлення та вимог до застосування FBG можна класифікувати:
- рівномірний FBG: має постійний період модуляції індексу заломлення, в основному використовується для вузькосмугового фільтрації та зондування.
- щебетаний FBG: Період решітки поступово змінюється вздовж осі волокна, корисно для компенсації дисперсії та розподіленого зондування.
- Нахилений FBG: Графлячі бахроми нахилені під кутом до осі волокна, з'єднання ядра з режимами обшивки, придатними для біохімічного зондування.
- Довгий період FBG (LPFG): має більш тривалий період решітки (сотні мікрометрів), що дозволяє сполучити режим на конкретних довжинах хвилі, ідеально підходить для температури та зондування показника заломлення.
4. Застосування FBGS
Завдяки їх компактному розміру, опору перешкод та розподілених зондувальних можливостях, FBG мають широкі додатки:
- волоконно -оптичні комунікації: використовується для фільтрації, компенсації дисперсії та стабілізації лазера в системах мультиплексування (WDM).
- Структурний моніторинг здоров’я: вбудований у великі структури (наприклад, мости, літаки, вітрогенератори) для моніторингу штаму, температури та вібрації в режимі реального часу.
- Медичне виявлення: Застосовується в ендоскопах та малоінвазивних хірургічних інструментів для зворотного зв'язку сили та моніторингу температури.
- Промисловості з маслом та живленням: Використовується для виявлення витоку в трубопроводах та моніторингу температури в високих - кабелі напруги.
- Аерокосмічна: Розгорнута в крилах літальних апаратів та снарядів космічних кораблів для моніторингу структурної деформації та теплового напруження.
5. Майбутні тенденції FBGS
Завдяки просуванню розумного зондування та Інтернету речей (IoT), ключові напрямки досліджень для FBG включають:
- Multi - Параметр зондування: Розробка нових структур решітки, здатних одночасно вимірювати температуру, деформацію, тиск, показник заломлення тощо.
- Гнучкі FBGS: Інтеграція з гнучкими матеріалами для розширення застосувань у носячих пристроях та робототехнічному тактильному зондуванні.
- AI - Асистрований аналіз: Поєднання алгоритмів машинного навчання для підвищення обробки даних та точності прогнозування в системах зондування FBG.
Висновок
Як високий - оптичний пристрій продуктивності, FBG стали життєво важливою складовою сучасної оптоелектронної технології завдяки їх унікальним механізмам зондування та широким потенціалом застосування. В майбутньому прориви в нових матеріалах та методах виготовлення ще більше розширить їх роль у розумному зондуванні, 5G комунікації, біомедичних додатках тощо, що сприяє прогресу в високих - технічних галузях.