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für Sensorik e.V.

bayern photonics
Kompetenznetz Optische
Technologien

Faser Bragg Gitter
(FBG) Technologie


Beschreibung

Zur Herstellung von Fasergittern wird der Faserkern einer "single-mode" Faser an einer Stelle rechtwinklig einem periodischen Muster von intensiven ultravioletten Licht ausgesetzt. Diese Einwirkung produziert einen permanente Zunahme im Brechungsindex des Faserkerns entsprechend dem Muster des ausgesetzten Schablone. Diese wiederholten festen Abstände nennt man Gitter. An jeder sich wieder-holenden Brechungsänderung wird etwas Licht zurückgestrahlt. Alle diese reflektierten Lichtsignale ergeben zusammen eine Kohärente große Rück- streuung einer ganz bestimmten Wellenlänge. Die Gitterabstände sind dabei halb so weit wie die reflektierte Wellenlänge.

 

Diese Reflektion wird auch als Bragg Bedingung bezeichnet, die reflektierte Wellenlänge als die Braggwellenlänge. Für Wellenlängen, welche nicht zu der Bragg Wellenlänge passen, ist das Gitter durchsichtig (siehe Abb. 1-1). Deswegen kann Licht durch das Gitter mit vernachlässigbarer Variation des Signals oder Dämpfung. Nur die Wellenlängen, welche der Bragg Kondition entsprechen, sind betroffen und werden stark zurückreflektiert. Eine wichtige Eigenschaft der Faser Bragg Gitter ist die genaue gesetzte Gitterwellenlänge, welche auch beibehalten bleibt.

Funktionsprinzip der FBG Technologie mit faseroptischen Sensoren

Abb. 1-1: Funktionsprinzip der FBG

 

FBG Charakteristika
Die mittige Wellenlänge, welche reflektiert wird, genügt der Bragggleichung λrefl=2 n Λ, wobei n der Brechungs- index ist und Λ Abstand zwischen den Brechungsgittern. Wegen der Temperatur- und Dehnungsabhängigkeit der Parameter n und Λ, ist die reflektierte Wellenlänge auch abhängig und ändert sich als eine Funktion von der Temperatur und/oder der Dehnung (siehe Abb. 1-2). Diese Abhängigkeit ist bekannt und erlaubt eine klare Festlegung der Temperatur oder der Dehnung an aus der reflektierten Wellenlänge.

 

 

Neben Temperatur und Dehnung können FBG’s auch für die Messung einer Reihe weiterer physikalischer Parameter herangezogen werden. Beispiele sind dabei Feuchtigkeit, Druck, Leckagen, Versatz, etc. Dies kann durch intelligente Übertragungsmechanismen erreicht werden, welche diese Eigenschaften in eine Temperatur oder Dehnung übertragen können.

Faseroptisches Messprinzip, Antwort des FBG als Funktion der Dehnung

Abb. 1-2: Antwort des FBG als Funktion der Dehnung

 

 

Multiplexing
Die Antwort verschiedener FBGs kann mit nur einer Faser erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, dass die verschiedenen FBGs mit verschiedenen Wellen-längen in Reihe konfiguriert werden. Jede reflektierte Wellenlänge bezieht sich dann auf ein FBG. Die Wellenlängenantworten der unterschiedlichen FBGs werden mit einem speziellen faseroptischen Messsystem aufgenommen. Der Wellenlängenbereich dieses Systems und die eingeschriebenen FBGs müssen miteinander korrespondieren.

 

 

Prinzipien des Auslesens
Es gibt zwei grundsätzliche Prinzipien zum Auslesen der FBGs:

  1. eine breitbandige Lichtquelle koppelt über einen 2 mal 2 Koppler in die Faser ein. Die FBGs reflektieren dann die unterschiedlichen Wellen-längen. Derselbe Koppler leitet das reflektierte Licht in ein Spektrumanalysatormodul, wo die unter-schiedlichen Wellenlängen festgestellt werden.

  2. gibt es das Prinzip mit einer Wellenlängen-einstellbaren Lasereinheit, mit der der gesamte Wellenlängenbereich abgefahren wird. Bei der Verwendung von mehr als einer Sensorfaser an einer Auswerteinheit kann mit einem optischen Schalter die jeweilige Faser angesteuert werden. Zur Auswertung der Wellenlängeninformation und zur Steuerung des optischen Schalters werden Programme genutzt, welche auf jedem handels-üblichen PC laufen.
     
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