光学传感器是一种检测光学信号(透射率，吸收率和反射率等)的微小变化的装置和仪器，被用来检测样品的某些特性或者感测与其相关的其它目标的变化量。光学传感器具有高灵敏度，且对测试样品不具有破坏性等优点，已被广泛用于环境、化学、生物和医学等研究领域。
其中，光纤传感器是一种重要的光学传感器，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰的优势，在生物传感和医学方面有重要的应用前景。光纤光栅传感器，基于外界环境的变化(如温度、应力、位移、折射率等)引起损耗峰的波长或强度变化的原理，实现检测或传感的目的。
小角度倾斜光纤光栅(TFBG)是光纤传感器中的一个重要的分类。和光纤一样具有尺寸小、成本低、抗电磁干扰能力强、多参量传感的优点，与D型光纤不同，TFBG在不破坏光纤结构的基础上将光纤纤芯中的光能量耦合到倾斜光纤光栅的侧表面，通过在其侧向表面修饰贵金属纳米结构可以激发表面等离激元共振，由此能够进一步提高倾斜光纤光栅的传感灵敏度。
而长周期光纤光栅和大角度倾斜光纤光栅也可将光纤纤芯中的光耦合到光纤光栅的表面，和小角度倾斜光纤光栅产生的纤芯导模耦合到后向传输的包层模不同，这两种光纤光栅产生的是纤芯导模耦合到前向传输的包层模。
因此，长周期光纤光栅和大角度倾斜光纤光栅会产生和小角度倾斜光纤光栅截然不同的传感效应，同时长周期光纤光栅和大角度倾斜光纤光栅在折射率调制时的角度不一致，最终的传感效应也会产生差别。本文，分析上述不同种类的光纤光栅的传感原理，测量光纤光栅的光谱特性，并对照分析它们的传感性能。
小角度倾斜光纤光栅的传感原理
小角度倾斜光纤光栅(TFBG)在光纤纤芯中引入了倾斜角小于45°角的光栅区域，使得在包层中出现向后的耦合模式(图1(a))，同时在纤芯中的满足布拉格条件的模式也不会消失。
这样在光纤光栅中会同时存在两种模式，两种模式对外界环境的敏感性不同可以进行多参数测量，并且每种参数之间可以方便地区分出来。小角度倾斜光纤光栅激发的每种模式的线宽都非常窄，具有高品质因数，这样小角度倾斜光纤光栅在用于传感时可以获得高灵敏度。
对于小角度倾斜光纤光栅的纤芯模式，主要存在于纤芯当中不会与外界环境发生接触，外界折射率的变化不会对纤芯中的模式产生影响。但外界环境的温度的变化或是光纤轴向的应力发生变化会对纤芯中的模式产生影响。
而对于包层模式来说它与纤芯中的模式在温度或是轴向应变有着相同的灵敏度，这样在使用小角度倾斜光纤光栅的包层模式进行各种传感实验时可以使用纤芯模式作为基准，以此来消除外界温度变化以及轴向产生的应变对其的影响，将外界干扰减到最小。
长周期光纤光栅的传感原理
长周期光纤光栅(LPFG)的模式为纤芯导模与向前传输包层模式之间的耦合(图1(b))，包层模式会耦合到光纤的外表面，从而会对外界的折射率变化比较敏感。外界折射率的变化会导致包层模式和长周期光纤光栅的电磁场分布也发生改变，从而对长周期光纤光栅透射峰的谐振波长的位置和损耗强度产生影响。
当外界环境折射率远小于包层的折射率时，随着外界折射率的变大，倾斜光纤光栅包层对包层中模式的束缚作用变弱。对于同一波长的光，包层中的模式数减少，则其包层有效折射率发生改变，但纤芯折射率不随外界折射率的变化而变化，因而，则有谐振波长会随着包层有效折射率的变化而变化，当外界折射率变大时谐振波长变小即出现蓝移。
大角度倾斜光纤光栅的折射率传感原理
和长周期光纤光栅一样，大角度倾斜光纤光栅(Ex-TFG)产生的也是纤芯导模与向前传输的包层模式之间的耦合(图1(c))，和小角度倾斜光纤光栅不同的是，随着倾斜角度的增大，会产生更高阶的包层模式，包层模也会耦合到光纤的外表面，从而对外界的折射率敏感。
外界折射率的变化会改变包层模式的有效折射率，从而改变包层模式的相位匹配条件，最终改变共振峰的位置，使其发生偏移。小角度倾斜光纤光栅透射谱和折射率传感性能小角度倾斜光纤光栅是在制备过程中进行纤芯的折射率调制，其调制角度相应小于45°。
光栅倾斜角度的存在破坏了光纤的圆对称性，为了验证小角度倾斜光纤光栅的偏振依赖性并研究裸光纤光栅的传感性能对小角度倾斜光纤光栅进行了透射光谱测量。图2(a)给出了倾斜角为8°、周期为535nm的小角度倾斜光纤光栅在空气中的透射谱。
其透射谱展示了纤芯导模部分耦合到后向传输的包层模，而且在长波长1575nm附近显示布拉格发射峰。对于周围环境为空气的小角度倾斜光纤光栅，其透射光谱整体呈梳状，整体包络损耗峰强度先增大后减小，包层模线宽都非常窄为0．2nm，且在1540nm左右达到最强，即1540nm为该倾斜光纤光栅的中心波长。
进一步对入射光的偏振进行控制测量可以得到两种偏振态(TE和TM)的透射光谱(图2(b))，从图中可以看出这两种偏振态之间共振峰的波长相差约0．05nm。进一步，测量了小角度倾斜光纤光栅随周围介质折射率变化的透射光谱。
图3(a)的透射谱测量结果显示小角度倾斜光纤光栅对外界折射率的变化比较敏感，当外界折射率变大时整体出现红移现象，但单个峰的移动较小。对光纤光栅进行了标准折射率溶液的传感测量，选择折射率匹配液的折射率范围为1.33～1.38。
从小角度倾斜光纤光栅的整体的透射谱分析较为困难，故对单个包层模式进行分析，如图3(b)所示，可以看出，当外界折射率增大时，共振峰的位置逐渐增大即发生红移，证明了小角度倾斜光纤光栅的传感能力，进一步计算得到小角度倾斜光纤光栅的传感灵敏度为1．67nm/ＲIU。
长周期光纤光栅透射谱和折射率传感性能
4给出周期为550μm的长周期光纤光栅处于空气中的透射谱，从透射谱中可以看出在1500nm到1600nm波段只有一个模式共振峰，它是纤芯导模耦合到前向传输的包层模，包层模线宽约为5nm。为针对此共振峰可以进行传感性能分析。
如图5(a)所示，长周期光纤光栅对外界折射率的变化敏感，当外界折射率变大时出现蓝移现象。从图5(b)看出，当外界环境折射率从1．33变化到1.38时共振峰从1545．92nm蓝移到了1544．98nm，证明了长周期光纤光栅的传感能力，进一步计算得传感的灵敏度为18．80nm/ＲIU。
大角度倾斜光纤光栅透射谱和折射率传感性能
大角度倾斜光纤光栅是在制备过程中进行纤芯的折射率调制，其调制角度相应大于45°，产生纤芯导模与前向传输的包层模的耦合，当包层模的耦合方式为前向传输时具有很高的灵敏度。同样的光栅角度的存在破坏了光纤的圆对称性，对大角度倾斜光纤光栅的透射光谱测量来研究其偏振依赖性和裸光纤光栅的传感性能。
图6(a)所示为倾斜角为81°、周期为32μm大角度倾斜光纤光栅在空气当中的透射谱，从外界环境为空气光纤光栅的透射光谱可以看出，光谱出现多个间距较大的模式，它是纤芯导模耦合到前向传输的包层模，包层模线宽约为4nm。
同时波长越大，包层模式的阶数越低。通过对入射光的偏振进行控制可以测量得到两种偏振的透射光谱(图6(b))，从图中可以看出两种偏振态之间共振峰的波长相差约6．2nm。由图7(a)可知，大角度倾斜光纤光栅对外部折射率的变化比较敏感，当外界折射率变大时整体出现红移现象，和小角度倾斜光纤光栅与长周期光纤光栅相比，单个峰具有较大的移动。
图7(b)显示大角度倾斜光纤光栅的共振峰在不同折射率溶液中的透射谱变化，折射率的变化范围为1．33～1．38，基于透射光谱中共振峰的移动，可以计算得到大角度倾斜光纤光栅的折射率传感灵敏度约为198．67nm/ＲIU，明显高于小角度倾斜光纤光栅和长周期光纤光栅的灵敏度，这是由于大角度倾斜光纤光栅具有更强偏振依赖特性和更强的倏逝场。
结论
本文主要对不同光纤光栅(小角度倾斜光纤光栅、长周期光纤光栅和大角度倾斜光纤光栅)的结构及其传感原理进行分析。对于小角度倾斜光纤光栅，其传感原理是基于纤芯导模耦合到后向传输的包层模。
同时在纤芯存在布拉格反射模式，因此，将小角度倾斜光纤光栅用于传感时，包层模对周围环境折射率变化敏感，而纤芯布拉格反射膜对外界温度和应变敏感，由此基于包层模用于传感时可以使用纤芯模式作为基准消除外界温度和应变对其的影响，降低外界干扰。
对于长周期光纤光栅，其传感原理时基于纤芯导模耦合到前向传输的包层模，将长周期光纤光栅用于传感时，包层模对环境折射率敏感，由于光栅与纤芯轴向垂直其模式对温度和应变也非常敏感，所以可以实现多参量传感但需要考虑参量间的相互干扰和信号解调。
对于大角度倾斜光纤光栅，传感原理基于纤芯导模耦合到前向传输的包层模，但其包层模只对外界环境折射率变化敏感，而对光纤弯曲和环境温度不敏感。另一方面，测量了这3种光纤光栅在不同环境下的透射光谱，并分析对比了它们的光谱的差别。
进一步实验测量了小角度倾斜光纤光栅、长周期光纤光栅和大角度倾斜光纤光栅的折射率传感灵敏度明显高于小角度倾斜光纤光栅和长周期光纤光栅的灵敏度，这是由于大角度倾斜光纤光栅具有更强的偏振依赖特性和更强的倏逝场。以上三类光纤光栅基于包层模耦合到纤芯外表面产生倏逝场，与贵金属纳米结构耦合能实现光纤表面等离激元传感器件，它们在生物传感、医学检测、金属离子检测以及能源等领域有重要的应用前景。
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