【原创】筱晓小课堂 | 布拉格光栅原理介绍

2024-12-12 16:59:56

在光学领域，布拉格光栅（Bragg Grating）作为一种重要的光学元件，以其高分辨率、高光谱效率和良好的稳定性，在光学分光仪、激光器和光纤通讯等领域发挥着关键作用。本文将带您了解布拉格光栅的基本原理、分类及其应用。

1.基本原理

布拉格光栅是一种具有折射率周期性变化的透明器件，它的工作原理基于布拉格衍射原理。当一束光照射到晶体表面时

，由于晶体内部原子的周期性排列，光在晶体内发生衍射，形成衍射光束。当入射角度为布拉格角时，衍射光束将会相长干涉，光束会被反射回来，因此在满足布拉格条件的特定波长，可以达到高反射率。这可以用来分离不同波长的光，从而实现光谱分析。

具体分析公式如下：

λ是光的真空波长，n介质的平均折射率，θ是相对于垂直于光栅的方向的传播角，以及Λ是布拉格周期。如果满足此条件，则入射角就是布拉格角，可以达到高反射率。

2.分类

以块状玻璃或聚合物制成的布拉格光栅，通过用相干紫外线照射感光材料，该光线使用干涉图案进行空间调制，称为体布拉格光栅(VBG)。

它们的反射带宽比介电薄膜镜的反射带宽小得多，因为它们具有低折射率对比度，而相应的相互作用长度也相应更长。可以将体布拉格光栅插入固态激光器的激光谐振器中，以稳定或调整其发射波长。对于不太高的功率水平，体布拉格光栅也可用于光谱光束组合。

还有光纤制成的光纤布拉格光栅（FBG）。这是一种非常简单且成本极低的滤波器。FBG通过沿光纤纵向改变纤芯的折射率而构成，特定波长的光从光栅反射回其来源方向，未选择的波长通过时衰减很小或没有衰减。

FBG的这一特性使其在光通信和传感领域有着广泛的应用，可以用于固定光纤激光器的波长、过滤掉某些波长分量、光纤放大器的增益平坦化以及光纤传感器。

还有内置布拉格光栅的半导体激光二级管（基于半导体技术），用于压窄线宽和稳定波长(DFB和DBR)。

布拉格光栅以其独特的工作原理和广泛的应用前景，成为了光学领域不可或缺的重要元件。随着科技的不断发展，布拉格光栅的制作技术将不断精进，其在各个领域的应用也将更加广泛和深入。

3.特点

高精度和稳定性‌：布拉格光栅传感器不受电磁干扰，具有重量轻、体积小、不受腐蚀等优点。由于其波长编码的特性，精度不受光源强度影响，受环境影响小，容易复用和实现分布式传感。

‌多功能性‌：布拉格光栅可以用于制造波长选择器、滤波器、激光器、位移传感器、速度/加速度传感器、温度传感器、力传感器等多种光学元件。

‌高灵敏度‌：布拉格光栅的一个重要用途是制作传感器，如应变传感和温度传感。当光栅受到应力或温度变化时，光栅周期会发生变化，导致反射波长的变化，从而可以测量应变量和温度变化量。

4.应用领域

‌光通信‌：布拉格光栅在光通信领域有着重要应用，可以实现波长选择、波分复用、波分解复用等功能，从而优化光信号传输‌。

‌光学仪器‌：布拉格光栅可用于制造分光仪等光学仪器，用于光分离和光谱分析，研究物质的结构与性能‌。

‌传感器‌：布拉格光栅可以用于制造温度传感器、力传感器、振动传感器等，广泛应用于各种传感探测领域‌。

‌激光器‌：在激光器领域，布拉格光栅可以用作反射镜，实现激光的高效率、稳定输出，并通过调节周期性折射率来调节输出激光的波长‌。

‌工业生产‌：布拉格光栅在工业生产中也有应用，例如在地质勘探、交通、航空航天等领域‌。

布拉格光栅以其独特的工作原理和广泛的应用前景，成为了光学领域不可或缺的重要元件。随着科技的不断发展，布拉格光栅的制作技术将不断精进，其在各个领域的应用也将更加广泛和深入。

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