光纤光栅和光纤光栅传感器基本原理之一,光波的反射与干涉(叠加)

本文以日常接触的声波类比,讲述了理解光纤光栅基本原理所需要的必要知识——波的反射与叠加(干涉)。本文为了解北京大成永盛科技有限公司所生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器的前置科普性文章。


在上一篇文章《毛细®无缝钢管光纤光栅传感器》中,我们给出了毛细®无缝钢管光纤光栅传感器的定义。然后,我们也介绍了北京大成永盛科技有限公司是一家专业的光纤光栅传感器生产厂家,所生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器由于采用了更新的材料和结构从而极具特色。

为了让大家更好地了解大成永盛的产品,今天我们将开始主要介绍光纤光栅传感器的基本原理(同时也包含了光纤光栅的原理)。本篇文章为科普性文章,非科研性文章,如果哪位朋友觉得本文有原则性错误,也请来信指正。

长段北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅温度传感器实物图

图1

短段北诺®毛细®无缝钢管 光纤光栅传感器(应力/应变/温度)实物图
图2


既然是科普性文章,那么也请大家相信,这篇文章并不难,最难的部分,也不会超出高中的知识,因此请大家耐心观看。

在讲述光纤光栅传感器的原理之前,我们首先需要知道波的反射和波的叠加(干涉)。这是因为,光纤光栅传感器最重要的部分就在于能够被准确地检测出某些特殊波长的反射光,通过反射光的波长变化,反映出待测物理量的变化(典型如应力应变温度)。

由于光波频率很高,波长很短,如果不是专业人士,我们在日常生活中不容易直接观测到光波的特点,为了便于大家理解,我在此处使用声波来类比光波——声波光波,长波短波,反正都是波。

一、单列声波(光波)的反射

在生活中,你很可能遇到过下面这个情景:某一天,你到一处风景优美的地方去旅行,那里有群山。你来到一座山前,忽然心生豪迈,对着大山你开始呼喊“北诺®……”(当然,你也可以喊“大成永盛”或者你爱的人的名字),这时,你听到了山的回声“北诺®……”,这个回声就是声波的反射(整个过程详见图3)。你向大山发出了声波(入射波),大山给了你相应的波的反射(反射波)。

声波的反射过程

图3

二、多列声波(光波)的反射

你接着向前,进入了一个山谷,对着山谷,你又开始呼喊“北诺®……”,这时,你听到了山谷两面都在给你回声“北诺®……,北诺®……”,这山谷两面的回声就是两列或多列声波的反射(整个过程详见图4)。

声波的不同时序反射过程

图4

三、多列声波(光波)的干涉

机缘巧合,你走到了山谷中的某一个点(在你行进的路线上,一定存在着这一系列的点),在这里你又开始呼喊“北诺®……”,结果,山谷两面的回声如同洪钟大吕“北诺®……”,震得你脑袋嗡嗡直响。发生了什么?原来,此时两列声波或多列声波发生了干涉(同时到达,形成正叠加,整个过程详见图5)。

声波的叠加干涉过程

图5

光波同声波一样,在更小的尺度上,满足一定条件(布拉格条件)的光波在通过布拉格光纤光栅(FBG)时也会产生多路反射波的正向叠加(干涉)。

由于本文为北京大成永盛科技有限公司生产的北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器的前置科普性文章,因此,几米之外就会发生的两列声波或多列声波的负叠加,我们不再赘述。因为,我们在光纤光栅传感器中需要检测的就是多列波的正叠加。

行文至此,相信你已经对于声波(光波)的反射与叠加(干涉)有了一定的理解。除了风景优美的大山,你也可以来北京的天坛公园体会本文所说的波的特性,天坛公园有一个回音壁,皇穹宇处还有三音石。

需要进一步强调的是:声波的特性如此,光纤中传输的光波在遇到光纤光栅(FBG)时的特性也一样如此,也一样满足波的反射与叠加原理(当然光纤中光波的反射更复杂,需要详细了解的朋友请自行查阅耦合理论,导模反射等)。我们将在下一篇文章里,以光波为基础介绍光纤光栅是如何工作的。敬请期待!

我们的理念是:“北诺®,让光纤不脆弱!”

声明:本公司系列产品多包含了包括商标和专利在内的多项知识产权,为推动行业发展和技术进步,北诺®毛细®系列无缝钢管光纤光栅传感器产品价格适中,鼓励大家正规渠道购买。未经授权,请勿仿制!


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