光纖光柵傳感器的研究進展-賴俊-1195121016.docx

華僑大學(xué)工學(xué)院課程設(shè)計賴俊：光纖光柵光纖光柵傳感器的研究進展華僑大學(xué)工學(xué)院光電子技術(shù)科學(xué) 2011級 賴俊 1195121016摘要 作為性能優(yōu)良的敏感元件,均勻光纖布拉格光柵、啁啾光纖布拉格光柵等多種傳感器已經(jīng)有了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。通過光纖布拉格光柵內(nèi)部寫入、干涉法側(cè)面寫入、相位模版法寫入等制作技術(shù)的原理說明和對比評介, 通過光纖光柵傳感器對所在環(huán)境的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度變化和動態(tài)磁場的感應(yīng)原理分析, 以及對光纖光柵傳感器在復(fù)合材料、電力系統(tǒng)、石油天然氣井和建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用工程的綜述,闡明了這一類傳感器件在單參數(shù)傳感測量,特別是多參數(shù)傳感測量中還有很大的發(fā)展空間, 值得進一步研究。 關(guān)鍵詞 光纖光柵 傳感器 應(yīng)用 Study of Fiber Bragg grating sensorsLai Jun1195121016,Optoelectronic Technology and Science,2011 College of Engineering Huaqiao UniversityAbstract: As excellent performance sensitive components, a variety of sensors uniform fiber Bragg grating, chirped fiber Bragg grating has had more applications. By fiber Bragg grating written inside, side interferometry write, write phase stencil method of production technology and comparative review the principles described by FBG sensors where the strain on the environment, stress, temperature changes, and analysis of dynamic magnetic field induction principle , as well as review the composite fiber grating sensors, power systems, oil and gas wells and building structures in the application of engineering to clarify the parameters of this type of sensor sensing measurements in a single piece, in particular multi-parameter sensing measurements there much room for development, it is worth further study.Key words: sensor；Fiber Bragg grating；applicationIII目錄第一章 什么是光纖傳感器？目 錄緒論1第一章 光纖光柵傳感器基礎(chǔ)21.1 光纖光柵傳感器的發(fā)展21.2 光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)21.3 光纖光柵傳感器的分類31.4 光纖光柵的工作原理4第二章 光纖光柵的制作技術(shù)72.1 布拉格光纖光柵的制作方法72.2 長周期光纖光柵的制作10第三章 光纖光柵的應(yīng)用133.1 復(fù)合材料上的應(yīng)用133.2 電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用133.3 石油、天然氣井中的應(yīng)用133.4 發(fā)展前景13總結(jié)15參考文獻1617緒論緒論進入20世紀隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們物質(zhì)生活的提高，各種建筑物的大量新建對建筑物的適時監(jiān)測成為目前的熱門需求。光纖光柵傳感器正是在這時應(yīng)運而生。傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件，磁敏元件，光敏元件，還有氣敏元件等，而在超聲波技術(shù)中則強調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，光纖光柵已成為目前最具有發(fā)展前途，最具有代表性的光纖無源器件之一。它具有與光纖通信系統(tǒng)易于連接、插入損耗小等優(yōu)點，使之在光纖激光器、光纖放大器、光纖濾波器、光纖傳感器和高速光纖通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光纖光柵的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的全光通信和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，極大地拓展了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而為人們夢寐以求進入全光信息時代帶來了無限生機和希望。而本文中主要介紹了幾種光纖光柵傳感器的原理和結(jié)構(gòu)以及他們的制作方法，最后關(guān)于他們的應(yīng)用做出了簡單的解釋。第一章 光纖光柵傳感器基礎(chǔ)第一章 光纖光柵傳感器基礎(chǔ)光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor ）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。1.1 光纖光柵傳感器的發(fā)展自從加拿大通信研究中心的Hill等人在1978年首次利用駐波法在摻鍺光纖中研制出世界上第一支永久性的實現(xiàn)反向模式間耦合的光纖光柵光纖布喇格光柵以來，對其研究與應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。1993年，Hill等人提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射條紋曝光氫載光纖寫入光纖布喇格光柵的相位掩模法，使得光纖光柵真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)品化。1998年，美國東哈特福德聯(lián)合技術(shù)研究中心的Meltz等人提出了用兩束相干的紫外光形成的干涉條紋側(cè)面曝光氫載光纖寫入光纖布喇格光柵的橫向全息成柵技術(shù)，相對于內(nèi)部寫入法，該方法又稱為外側(cè)寫入法。光纖光柵在20世紀90年代就已出現(xiàn)，它被用于實現(xiàn)多模光纖中的模式轉(zhuǎn)換或單模光纖中的偏振模式轉(zhuǎn)換。目前周期為幾十至幾百微米的能實現(xiàn)同向模式間耦合的長周期光纖光柵得到了人們越來越廣泛的重視。1.2 光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1中的光源應(yīng)為寬譜光源，且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號良好的信噪比，一般可選用側(cè)面發(fā)光二極管ELED。ELED耦合進單模光纖的光功率至少為50100W。這個功率電平為光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)所要求的下限值。光源的波長可選用850nm、1300nm、1550nm。被測溫度或壓力施加在光纖光柵上，由光纖光柵反射回的光信號通過3dB光纖定向耦合器送到波長鑒別器或波長分析器，然后通過光探測器進行光電轉(zhuǎn)換，最后由計算機作分析、儲存，按用戶規(guī)定的格式在計算機上顯示出被測量大小。圖1.1 光纖光柵傳感器的典型結(jié)構(gòu)1.3 光纖光柵傳感器的分類1.3.1 按光纖光柵的周期分類我們通常把周期小于1m的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵。前者的反射譜和后者的透射譜分別為如圖1.2和圖1.3所示。圖1.2 光纖布拉格光柵反射譜 圖1.3長周期光纖光柵反射譜1.3.2 按光纖光柵的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分類根據(jù)光柵的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也就是光柵軸向折射率分布，如圖1.4所示光纖光柵可分為如下幾類。（1）均勻光纖光柵（2）啁啾光纖光柵（3）高斯變跡光纖光柵（4）升余弦變跡光纖光柵（5）相移光纖光柵（6）超結(jié)構(gòu)光纖光柵（7）傾斜光纖光柵圖1.4 按波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖光柵的分類（a）均勻光纖光柵（b）啁啾光纖光柵（c）高斯變跡光纖光柵（d）升余弦變跡光纖光柵（e）相移光纖光柵（f）超結(jié)構(gòu)光纖光柵（g）傾斜光纖光柵1.4 光纖光柵的工作原理光纖光柵是利用光纖材料的光敏性制作的。所謂光敏性, 就是指材料被外部光照射時, 引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時或永久性變化的一種特性。當(dāng)特定波長的光輻射摻鍺光纖時，它的一些物理特性發(fā)生了永久性的改變，如折射率、吸收譜、內(nèi)應(yīng)力密等。在外部光源照射時, 光纖的折射率隨光強的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化, 變化的大小與光強成線性關(guān)系并可以被保留下來, 成為光纖光柵。光纖光柵的折射率沿光纖的軸向呈現(xiàn)周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光柵。根據(jù)衍射理論, 以角1入射的光將以角2衍射, 且滿足布拉格衍射方程：nsin1-nsin2=m式中, 是光柵周期, n為介質(zhì)折射率, m 為布拉格衍射的級數(shù)。在光纖中, 光傳播的有效折射率可以簡化為neff=n，n表示纖芯折射率。光纖光柵的折射率呈周期變化，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的藕合，光纖及其不同傳播常數(shù)有如下關(guān)系式（也就是相位匹配條件）：=1-2=21、2是正、反向傳輸常數(shù)，是光纖光柵的周期，在寫入光柵的過程中確定下來。為耦合模之間的傳播常數(shù)差根據(jù)的長短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期（1m）兩類。對于短周期的光纖光柵，當(dāng)光譜光波在其中傳播時，兩個反向傳播的芯模LP01之間產(chǎn)生能量耦合，形成特定波長為B的反射波，對于前向傳播的LP01，模1=01.對于后向傳播的LP01，模1=-01。兩耦合模的傳播常數(shù)差=201 較大，這種光柵成為布拉格光柵。1.4.1 布拉格光柵（FBG）的工作原理當(dāng)一束寬譜帶光波在光柵中傳輸時，入射光在相應(yīng)的頻率上被反射回來，其余的不受影響從光柵的另外一端透射出來。光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱為布拉格條件。由光纖光柵相位匹配條件得到反射中心波長（布拉格波長）表達式：B=2n式中，是相位掩膜光柵的周期，n為光纖纖芯針對自由空間中心波長的折射率。圖1.5為布拉格光纖光柵原理圖。1.4.2 長周期光纖光柵的工作原理當(dāng)一束光在長周期光纖光柵中傳輸時，滿足相位匹配條件的特定波長的光由纖芯耦合進包層向前傳播，很快被衰減掉。這樣在透射光譜圖上就有一個損耗峰，并且沒有反射波。其他不滿足相位匹配條件的波長，基本上無損耗的在光纖纖芯中傳播，從而實現(xiàn)波長選擇損耗特性。如圖1.6。m=（n01-ncl(m)）為光柵周期，n01為纖芯模式折射率，n(m)為m階包層模式的折射率。圖1.6為長周期光纖光柵原理圖。第二章 光纖光柵的制作技術(shù)第二章 光纖光柵的制作技術(shù) 光纖的光敏性是在光纖中形成Bragg光柵的關(guān)鍵。采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫入光柵。光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān)，如照射波長、光纖類型、摻雜濃度、光纖溫度、曝光功率及曝光時間等。如果不進行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為 10-4數(shù)量級便已經(jīng)飽和。為了滿足高速通信傳感的需要，提高光纖光敏性日益重要。而光纖光柵的制作可以分為很多種方法，比如內(nèi)部寫入法、全息干涉法等等。2.1 布拉格光纖光柵的制作方法2.1.1 內(nèi)部寫入法內(nèi)部寫入法又稱駐波法。Hill早在1978年，如圖2.1所示的實驗裝置制作了歷史上第一個布拉格光纖光柵。將波長488nm的單模氬離子激光從一個端面耦合輸入到鍺摻雜光纖中。從光纖中返回的光經(jīng)過分光器，由光電探測器1監(jiān)測,而透射光則由光電探測器2接收。經(jīng)過光纖另一端面反射鏡的反射，使光纖中的入射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵。已測得其反射率可達90以上，反射帶寬小于200MHz。此方法是早期使用的。由于實驗要求在特制鍺摻雜光纖中進行，要求鍺含量很高，芯徑很小，因此，其實用性受到限制。圖2.1 內(nèi)部寫入法制作光纖的實驗裝置2.1.2 全息干涉法全息干涉法又稱外側(cè)寫入法，如圖2.2示，用準分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束在摻鍺光纖的側(cè)面相互干涉，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由=UV2sin給出。可見，通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得所需的光纖光柵。這種光柵制造方法采用多脈沖重復(fù)曝光技術(shù)，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機械震動和溫度漂移的影響，并且不易制作具有復(fù)雜截面的光纖光柵。圖2.2 橫向側(cè)面曝光法寫入光柵實驗系統(tǒng)2.1.3 分波前干涉法利用此技術(shù)制作FBG的干涉裝置可以用棱鏡或者洛埃鏡。如圖2.3示，使用棱鏡干涉法制作FBG的示意圖。在這個裝置中，UV光束在棱鏡的輸入面上通過折射而橫向展寬。展寬的光束一分為二，一半光束在棱鏡表面上發(fā)生全內(nèi)反射，然后，與另一半光束在棱鏡的輸出面上產(chǎn)生干涉。放在此裝置之前的柱狀透鏡有助于沿著纖芯所形成的干涉圖樣在一條直線上。圖2.3 用棱鏡干涉制作光柵的示意圖用洛埃鏡干涉系統(tǒng)制作FBG的實驗裝置如圖2.4示。這個干涉系統(tǒng)由一個非傳導(dǎo)性的反射鏡組成，用以將UV光束的一半導(dǎo)入與反射鏡垂直的光纖中，之后與另一半光束產(chǎn)生干涉圖樣。圖2.4 用洛埃鏡干涉制作光柵的示意圖分波前干涉技術(shù)的一個重要優(yōu)勢在于僅使用一個光學(xué)器件，這大大降低了系統(tǒng)對機械震動的敏感度。但它的缺點是光柵長度和布拉格波長的調(diào)諧范圍受到限制。2.1.4 相位掩膜法如圖2.5示。相位掩模板是衍射光學(xué)元件，用以將入射光束一分為二+1級和-1 級衍射光束，它們的光功率電平相等，兩束激光相干涉并形成明暗相間條紋，在相應(yīng)的光強作用下纖芯折射率受到調(diào)制。相位掩模板是一個在石英襯底上刻制的相位光柵，它可以用全息曝光或電子束蝕刻結(jié)合反應(yīng)離子束蝕刻技術(shù)制作。它具有抑制零級，增強一級衍射的功能。布拉格光柵寫入周期為掩模周期PM一半的。這種成柵方法不依賴于入射光波長，只與相位掩模的周期有關(guān)。因此，對光源的相干性要求不高，簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng)，其主要缺點是不同Bragg波長要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的價錢較貴。用低相干光源和相位掩模板來制作光纖光柵的這種方法非常重要，并且相位掩模與掃描曝光技術(shù)相結(jié)合還可以實現(xiàn)光柵耦合截面的控制，來制作特殊結(jié)構(gòu)的光柵。該方法大大簡化了光纖光柵的制作過程，是目前寫入光柵常用的一種方法。圖2.5 相位掩膜法制備光纖光柵示意圖2.1.6 直接寫入法直接寫入法是指在制作光纖光柵時，無須剝除光纖的涂覆層而直接在纖芯上寫入光纖光柵的方法。此法關(guān)鍵是采用對紫外光透明的材料作為光纖的涂覆層。目前報道的光纖涂覆層有采用丙烯酸酯或General E1ectric RTV615 硅膠，通過加大紫外光強度、減小涂覆層厚度以及對光纖載氫等方法，可以有效提高光纖光柵的寫入時間。在兩硅平板間夾150m厚的RTV615 硅膠用分光計分析了這種涂敷層的紫外光吸收特性，在 248nm波長處透過率達 92，有低的紫外光吸收率，因而可以用 244nm倍頻激光器或 248nmKrF準分子激光器透過涂敷層寫入光纖市喇格光柵。這種方法解決了以往傳統(tǒng)方法中必須采用裸光纖的弊端，減少了對光纖光柵制作完后要立即進行涂覆的工藝復(fù)雜性，具有很好的應(yīng)用前景。2.2 長周期光纖光柵的制作2.2.1 振幅掩模法A、UV 曝光振幅掩摸板寫入不采用衍射光束干涉條紋“模制”折射率調(diào)制圖案的辦法，而是模板上刻好該圖案，通過光學(xué)系統(tǒng)，將之投射到光纖上，纖芯折射率發(fā)生相應(yīng)的變化而成柵的。寫入后對其退火，以穩(wěn)定光學(xué)特性。振幅掩模板通常用于長周期光纖光柵的寫入。實驗裝置如圖2.9所示。因為長周期光纖光柵的周期一般為幾百微米，掩模板的制作很方便，而且精確，容易得到保證，所以用這種方法制作的光柵，其一致性和光譜特性比較好，而且對紫外光的相干性沒有要求。圖2.9 振幅掩模法制作 LPFG 的實驗裝置B、離子注入將高能量離子注入到各種石英玻璃中可以產(chǎn)生高達約10-2的折射率變化。利用這一特性可以用離子注入法在石英光纖中制作高性能的光纖光柵。將高能量He2+注入到光纖中制作LPFG。實驗中所使用的方法是振幅掩模法，制作原理如圖2.10所示。經(jīng)加速后的高能量He2+通過金屬掩模板注入到光纖上，加速能量為5.1MeV。掩模周期為170m，間距為60m，共 29 個周期。注入 201015He2+/cm2劑量后，在普通通信光纖中制作了在14l0nm處約 16dB大損耗峰的LPFG。離子注入法產(chǎn)生折射率變化的機理可能是玻璃結(jié)構(gòu)的致密化。它的缺點是在包層中會感生很高的折射率變化。不過，這一缺點可以通過選擇窄間距的掩模板使離子只注入到纖芯中來解決。通過選擇短周期的掩模板，也可以制作FBG。圖2.10 離子注入法寫入LPFG示意圖2.2.2 電弧感生微彎法利用電弧導(dǎo)致的永久微彎制造靈活剖面控制的LPFG，如圖2.11所示。光纖去除護套后，用兩個相距 5.5cm的夾具筆直固定，然后將一個夾具沿與光纖軸向正交的方向向下位移大約100m，從而在光纖上產(chǎn)生一個橫向的應(yīng)力。電弧在某一點放電時，在剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微彎，微彎的幅度典型值小于 1m，用這種方法制作的光柵諧振波長只與光柵周期有關(guān)，而與耦合強度無關(guān)，所以光柵的中心波長、反射率等特性易于控制。此外，所形成的光柵具有低的插人損耗(小于 0.2dB)和高的熱穩(wěn)定性, 在 800以下性能沒有任何降質(zhì)。微彎構(gòu)造LPFG的另一優(yōu)點是不需要特殊的光纖(如摻雜、載氫以提高光敏性),其缺點是光纖的機械特性有所下降。圖2.11 電弧感生微彎法制作 LPFG第三章 光纖光柵的應(yīng)用第三章 光纖光柵的應(yīng)用當(dāng)前光柵光纖傳感器的產(chǎn)品包括: 應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。主要應(yīng)用于材料成型、電力系統(tǒng)、健康監(jiān)測、石油開采和采礦等行業(yè)。下面將介紹光纖光柵傳感器在一些領(lǐng)域的典型應(yīng)用。3.1 復(fù)合材料上的應(yīng)用復(fù)合材料產(chǎn)品具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點, 在軍用和民用領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。但由于復(fù)合材料成型工藝的分散性,在實際生產(chǎn)中難以得到穩(wěn)定的質(zhì)量與性能。光纖光柵傳感器為復(fù)合材料工藝過程的監(jiān)測提供了嶄新的方法和手段。光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化工藝過程, 是利用它體積小、敏感度高的特點, 預(yù)先埋于預(yù)浸料鋪層中來測量工藝過程中材料的參數(shù)。3.2 電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用光纖光柵傳感器在電力上的應(yīng)用, 主要包括兩種方式: 一是通過對溫度的測量實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時安全檢測。電力設(shè)備的故障主要存在于電力系統(tǒng)要害部位和易發(fā)生故障的部位。二是間接測量電學(xué)參量如電壓、電流等。3.3 石油、天然氣井中的應(yīng)用石油, 天然氣井的檢測是石油和天然氣開采過程中最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量。光纖光柵傳感器可以克服這些困難, 其抗電磁干擾能力和耐高溫、腐蝕能力能夠精確地測量井下環(huán)境的參數(shù)。同時光纖傳感器具有分布式測量能力, 可以測量井下參數(shù)的空間分布, 給出剖面信息。而且光纖傳感器橫截面積小, 在油氣井中占據(jù)空間極小。因此,將光纖傳感器應(yīng)用于石油測井具有極廣闊的前景。3.4 發(fā)展前景 光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的傳感器比較具有的特點是: 精度高、靈敏度好、可靠性高、抗電磁干擾、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小, 適用于多種場合?，F(xiàn)階段對光纖光柵傳感器的研究主要集中在以下幾個方面：1)對傳感器本身及進行橫向應(yīng)變檢測和高靈敏度、高分辨率、且能同時檢測應(yīng)變和溫度變化的傳感器研究；2)對光柵反射信號或透射信號分析和測試系統(tǒng)的研究, 目標是開發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技術(shù)；3)對光纖光柵傳感器的實際應(yīng)用研究, 包括封裝技術(shù)、溫度補償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；4)開展各應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)化成套傳感技術(shù)的研發(fā), 如航天、航海、土木工程、醫(yī)學(xué)等行業(yè)?？偨Y(jié)總結(jié)綜上所述，LCD其實只是液晶顯示的一個總稱，我們都知道液晶本身不發(fā)光，所以必須通過背光源來提供光，而現(xiàn)在市場背光源主要分為