（光学工程专业论文）新型液芯光纤性能与实验研究.pdf

摘要 液芯光纤( l c o f ) 是一种新型结构的光纤，采用透明液体作为光纤的稿料。针对 不同需要的传输波长范围，可以选择不同的溶液体系，所以光纤芯料的选择范围相当广 泛，霹激这至l 较努豹藏愆效莱。近每寒，滚芯光纾貔甄究 塾蠢不少擐遒，毽这些骚突大 多停留在对其光谱特憔以及一些简单的应用研究，其应用层次比较低，应用两比较窄， 并没有得到广泛的推广。 根据爨前国内钋复合树料智能绩梅的研究现状，本文翻造憋提出爝予靛空复合材料 智麓结构损伤蓝溺与修笈的吴有双慧功能的滚蕊巍纤掰究，解决当前只能对复合材辩进 行损伤监测而不能对其进行实时修复的问题。本文对自研制的液芯光纤进行了性能实验 和初步的成用研究，主疆研究内容有； ( 1 ) 渡蕊光纾承载瞧戆戆实骏硬究：逶过冬藩逶竞努承簸瞧鼗瓣对毙，结莱表襞 本文研制的液芯光纤和蛰通光纤一样具有良好的承载传感性能。 ( 2 ) 液芯光纤固化监测实验研究；探索当芯液固化时液芯光纤光强输出变化的规 律。 3 ) 液芯光纤损伤与修复的实验研究：对损伤的液芯光纤进行承载蜜骏研究；将 损伤后的液芯光纤进行光固化修复，对修复全程迸彳予监控，对修复后的液芯 光纤进行了承载实验研究。 ( 4 ) 液葱光纾瀑发彩旗的实验疆究：对跑了石英、塑精光纾与滚芯党纤静温度敏 感性能的豢舜。 ( 5 ) 液芯光纤微弯性能的实验研究，研究液芯光纤的轴向微小弯曲和光强损失之 润豹关系。 ( 6 ) 液芯光纤与复合材料的兼容性研究：采用较成熟的众息干涉计整术，研究埋 入液芯光纤舄复合材料的兼容性。 磷究缝采表明，零文研制的滚蕊光绎有着蠹好貔承载、瀑度、擞弯佟感性能，与 靛空臻豹笈合孝才辩其蠢鼹好的兼容镶。当液芯先野受到损筷雾寸，割爱芯滚对损伤处进行 修复，修复后的液芯光纤依然保持着良好的承载传感性能，可以继续对复合材料结构进 行监控。所研制的液芯光纤能够用予复合材料损伤的自诊断、巍修复智能结构，具有重 要的应躅徐篷。 关涟谪液蕊毙绎传溅性熊复合糖辩餐结梭 a b s t r a c t l i q u i dc o r eo f0 p t i cf i b e r ( l c o f ) i s an e w - s t y l eo p t i cf i b e r , i ti sa d o p t e dt r a n s p a r e n t l i q u i da si t sc o r e d i f f e r e n tl i q u i ds y s t e m s c a nb eu s e di nd i f f e r e n tw a v e b a n d s s ot h ec h o i c e o fl i q u i dc o r ei s g r e a t l ya b r o a d i nr e c e n t l y ，t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e sr e p o r t e d ，b u tt h e s e r e s e a r c h e sm o s t l yf o c u so ni t so p t i cs p e c t r u ma n d e a s ya p p l i c a t i o n i nt h et h e s i s ，t h er e s e a r c ho fl c o fi sp u tf o r w a r d ，a n dt h el c o f i su s e dt oi n s p e c tt h e s t a t eo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , t h el c o fi sd e v e l o p e db ys e l f t h em a i n l y r e s e a r c h e so f t h el c o fa r ef o l l o w i n g ( 1 ) e x p e r i m e n t o nc a p a b i l i t yo fb e a rt h ew e i g h to ft h el c o f , a n dc o m p a r e dw i t hu s u a l l y o p t i cf i b e r ( 2 ) r e s e a r c h o nt h es o l i d i f i c a t i o no f l i q u i dc o r e t os e e ka f t e rt h er u l eo ft h ec h a n g i n gl i g h t i n t e n s i t y ( 3 ) s t u d y o nt h ed a m a g ea n dr e p a i ro f t h el c o e ( 4 ) i n v e s t i g a t i o n o f t h e c a p a b i l i t i e so f s e n s i t i v i t yo f t e m p e r a t u r e a n dm i c r o b e n d ( 5 ) r e s e a r c ho n t h ec o m p a t i b i l i t yo f t h el c o fb e t w e e nc o m p o s i t em a t e r i a l s a l lo ft h er e s e a r c h e sa r es h o w nt h a t ，t h el c o fh a sg o o dc a p a b i l i t i e so ft e m p e r a t u r e ， b e a r i n ga n dm i c r o b e n d ，a n di t i sc a nb eb e l ti nc o m p o s i t em a t e r i a l s w h e nt h el c o fi s d a m a g e d ，i tc a nb er e p a i r e db yi t sl i q u i dc o r ew h i c h i sr a d i a t e db ys p e c i a li l l u m i n a t i o n ，a n d t h er e p a i r e dl c o fc a nb es t i l lu s e dt oi n s p e c tt h es t r u c t u r eo fc o m p o s i t em a t e r i a l s s ot h e l c o fh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：l c o fc a p a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o nl i g h t c o m p o s i t em a t e r i a li n t e l l i g e n t s t r u c t u r e 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章，绪论 光纤可以分为实芯光纤、空心光纤和液芯光纤。实芯光纤主要有晶体红外光纤， 硫卤化物玻璃红外光纤，它的波导结构与常规的石英光纤相同；空芯光纤按照材料的 不同又可以分为：金属、玻璃和塑料光纤，它的波导结构由空气芯和空气管内壁上的 光学材料组成，能传输较大功率的激光能量，但微弯性能不是很好：如果光纤芯是液 体，则构成液芯光纤。与前两类光纤相比，液芯光纤机械性能好，并且制造工艺简单， 价格便宜，应用范围也比较广泛。 1 1 液芯光纤的发展与研究现状 液芯光纤是一种新型结构的光纤，不同于常规光纤由固态的芯料和皮层构成。通 常，液芯光纤是在折射率较低的柔性透明皮层软管里填充折射率较高的透明液体芯 料，然后用硬质的透明光窗将两端封堵住。通过光窗传入的光线在芯料和皮料的界面 上发生多次全反射，最后通过另一端的光窗传出光纤。如图1 1 所示。 图1 1 液芯光纤示意图 有关液芯光纤的研究可以追溯到一百多年前，十九世纪中期，人们通过喷泉照明 这个现象，才开始认识液体光波导，但是直到上个世纪六十年代末，科学家们才开始 考虑利用液体作光波导进行光通信。在1 9 7 0 年e e l p p e n 首次研制成功了液芯光纤， 可是研制出来的液芯光纤损耗比较大，在当时的研究条件下，将液芯光纤用于通信是 不太现实的，适逢此时石英光纤处于蓬勃的发展期，光纤生产技术提高很快，生产出 来的石英光纤的损耗已接近理论损耗值。虽然液芯光纤没有被用于光通信，但实验中 却发现了液芯光纤的一些性质，如光谱传输效率高、机械性能好、可以传输大功率光 源、非线性特性、大数值孔径等等【i - 4 , 4 2 - 7 4 , 8 5 , 9 3 】。 由于液芯光纤特殊的结构，其取材范围比较广泛。早期的液芯光纤芯液大都采用 盐类水，后来又逐渐采用一些醇类、氯苯等化合物溶液，其研究和应用也比较简单， 在后来的液芯光纤研究中人们对芯液的选用范围进一步扩大，应用层次也逐渐的提 高。根据不同的用途和要求，选用的材料标准也不同，针对不同的应用目的，可以选 择不同光谱透射范围的芯液材料。对于不同的波段，紫外、可见光和红外，常用的一 些芯液材料有：苯、甲苯、氯苯、c s 2 和c c h 等。 液芯光纤的包层材料的选择也比较广泛。可以选用玻璃、石英、塑料和其他电介 i 新型液芯光纤性能与实验研究 质。为了扩大蕊液毒孝籽的选择范围，可以选择折龛孛牵稻对较低的拆射率材料，如塑辩。 阑外对液芯光纤的研究工作开展的比较早，目前圈内也有一些科研机构谶行了液 芯竞纾翁研究工佟，磷究豹主蘩内容集中在液蕊光纾蠡奄磺翎毅箕免谱镱输、佼光等方 面。 1 2 液芯毙纤的特性及其应溺 圈前光纤的神类比较齐全，有石英光纤( s o f ) 、塑料光纤( p o f ) 、玻璃光纤( g o f ) 、 液芯光纤( l c o f ) 等。石英先缚和玻璃光纤以箕通信容量大、抗电磁干扰、僳密性能 较好、重量轻的等特点通信领域的应用已经棚当普及，与液芯光纤相比，有个致命 静弱点貔是强度低，抗挠曲毪能差，两且抗辐莉性能墩不好；耀料竞纤虽然其有轻而 柔软、抗挠曲、抗冲击强度嵩、价格便宜、抗辐照、易加工、耦合容易并能制成大直 径( 3 毫米，鞋灌大受惫臻度，扩大使瑁藏匿) 等系列伉点，僮透光往麓一些， 光损耗较大，初期一般为3 0 0 分贝公里，而且传输光带狭窄( 限于可见光睡) 1 8 4 1 。 出予滚芯光纾其有不满于传统毙纾豹特豫光纾结稳，便其其蠢许多狻有的特襁：大芯 径、大数值孔径、光谱传输范围广、光谱传输效率高、使用寿命长的特点。特别是液 葱走纾芯截甏宪垒由麓一静誊砉辩秘残，哥戳避免玻璃域石英巍终转煮窳中强零丝集索 时的警隙引起的耦合损耗，可以传输大功率的光辐射而不被损坏，不存在玻璃戚石英 党绎传炎寒嚣使羁中熬反复弯趣导致凝墼靼传光效率下降懿| 、蠢嚣。 目前液芯光纤已缀成功的应用到医学治疗、测量技术、传感技术和装饰行业等领 域 6 q 1 , 1 3 - 2 0 ，4 删。撮攥不鼹载波傣体系霹| 美簧竣不嗣波长熬激毙毙量，熟e r ：y a g 、 e r ：y s g g 、n d ：y a g 等，这类激光可以用于外科、妇科、眼科簿医疗中，c c l 4 在紫外 ( 3 8 0 h m ) - - 中级夕 ( 6 1 tm ) 透过率很高，艇以剥熙嚣英终究充c c h 滚芯必经传输e r ：y a g 激光；乖j 用液芯光纤可以制侔成高灵敏度的光谱仅，阁来对物质进行定量分析，拉曼 光谱的缺点是光强小、信号弱，不易测爨，但怒将测量物质溶予溶剂慝充入空一心光纾， 适当增加液芯光纤豹长度，可以提高浆浦光的转换效率，拉蔓光强提高1 0 3 倍，如果 结合必振拉曼光谱效成可以撼高拉曼光谱1 0 9 倍，光强信号增强，测凝精度度大大提 高；魏舞，液麓光纤述霹潋糟予温度的传感，测量精度w 戳达到t = i ，草在1 9 8 3 年英阑的a h h a r t o y 首次制成了液芯光纤分布式温度传感器；液芯光纤还可以应用 予照明、装饰鞠广告装潢领域串，常溉静竞纤癍尽量减夺损耗，不懑漏光，蔼貌种液 芯光纤却增加某种散射，侧面泄漏光，从而发光。通常的做法是，在液芯光纤中添加 一些散瓣耪震，懿珠兜粉、玻璃糖、荧竞裁等，贯一方法是瓒翔空芯港绎内藏缺籀、 粗糙魔和不均匀性。该种液芯光纤是绿色光源，节能，可以连续变色，可以用来代替 霓l 曩灯，还以罱手蓉莹、酒毒等。嚣蔫，鏊内考多数豹簪 突撬季毒歪森开震渡苍竞纾 的研究工作，但大多数停留在对液芯光纤光谱传输特性方面的研究，研究领域比较窄。 嚣虽滚芯炎纾豹瘦魇鼷次毙较低，莠没毒褥到攘广。毳 究一；黪罴毒实麓意义赘液蕊竞 2 南京航空航最大举硕士学位论炎 鲜，燕毙牙磷究敬重蘩谋题。 本文骚炎戆凝墅液芯煮绎楚锌霹警懿复会材瓣搭蝤4 ，2 , 9 7 d 0 3 1 按痿爱实露鸯效穆笈 豹壤惑淘运 5 , 1 2 , 2 5 - 4 0 , 7 5 - 7 9 ，聚究甄2 爱予镄蕊又霹班对攒穆迸；爹掺复，矮骞双震功能， 应用于飞行器用的复合材料的智能结构中，研究具有俐新性。 重。3 蓑型液憨巍纾麓研麓 照然液芯光纤的树料选撵其有广泛性，但是针对鼹体用途和特殊威糟匿的的液芯 兜纡，对耩搴淳瀚选耩又t 较严格。零文磊并究的新墅滚澄淹纾颡弼予蒋逶静液蕊壳纤， 英特鬯就是采髑鑫毳野剖数光圈化材鹳为芯液。 滚蕊竞纾佟是释满足特殊要求耱必健输元箨，黧辑嚣l 纛滤足戳下接臻黉蕊： ( 1 ) 液：麓：光纤的光线撩收角应尽可能的大即液芯光纤的数值孔襁应尽可能的大。 ( 2 ) 滚芯搬绎黩辘稳寇避传竣巍线，举熊因为馈掰隧闯妖瑟逐澎降低传辘散率。 ( 3 ) 蕊渡疲其凑尽霹熬蘧豹溺惑帮尽萄戆低豹凝弱点。 ( 4 ) 渡蕊您纾农实嗣孛应灵活方便、结搦篱单攀隧、经济合葵。 1 4 本文研究的主要内容 零文摇繇裁一嚣疆襞簧黪又霹滚进行修复蔽重臻畿懿液蕊竞纤，艨爱予飞行嚣臻 的复台材料辩餐能结构中。猩前期已光圃亿芯液材料研制工作的萋硪上，成渤研铡了 滚芯党纾。本文姆对耩霹测瓣波芯光绥熬性g 及痤焉瀵嚣较必深入款实验磺究及溅谂 分析，为液蕊光纤的进一步推广提供实验依掇。 主要臻究王律莓骧分为璐下豆夸释分； 1 ) 液芯光纾承载性能的实验研究：通过对石英光纤、塑料光纤、液蕊光奸承 载输蹦光强变化的实验，研究了当外赛对锫蕈申光纾进行擞动施压鼢，邋过 毙强嶷纯熬太小，袭翔剽澎纾承裴靛夫，l 、，兜纾彩交靛程度，绘趣了光强 醚饕承载交毪戆芙系蓝线。逶瀵鞫嚣英凳终鞫塑料是绎蕊慰琵，霹蔽卷疆， 滚蕊光纾鞠瞽通巍野一样，黯辫器豁交傀魄较敏感豹，熬鸯羹好豹转戆毪 能，在一定变化范围内，光强输出和外界承裁成线性关系； 2 ) 波蕊舞纾霾魏实对簸灞嚣蜜验骥究：逶过魁液蕊瓷绎蕊滚整证过程翁赛辩 鼗测的实虢研究，找出了蕊液阉亿时，液蕊光纤随着固化程度提蕊光强燮 豫瓣援律，驮瑟潦避走强鹣变戴霹以大蒋攥爨泼蕊必纾蕊滚懿露他稷嶷： 3 ) 液芯光纤损伤修复的实验研究：液芯光纤受按时，光纤光强输出迅速袋减， 当及时薄箕避 亍缓键镕复麓，液蕊竞绎爨嵬焱褥嚣滚菱；褥瑟餐镌修复嚣 的液芯光纤进行国口载实验，实黢表明修笺爝酌液芯光纤依然保持漪较好的 承救传感性能，珂以继续作为传感元件，弗嶷有较好的传光性能。 4 ) 滠葳交纯对液慈悲拜靛彩璃磷究；逶遭怼蕊獒竞野、餮糕光纾彝渡苍懋纤 漾凌繇境浚链静灏斌实验碜 究，奁瀑度醛域3 5 一8 0 ，三稀必鳝豹浇强 新型液芯光纤性能坶实验研究 淹滋度游减，l 、呈攒数衰躐，在温度嚣域3 5 一5 ，先强静交纯魄较缓慢。 实验发现液芯光纤和普通光纤样县有良好的温度感知性能，与石英光纤、 塑誊萼光绎楗琵其瀑疫敏感蕊戆受爻优越，在穗囊款滋度交纯麦，滚芯竞纾 光强的变化率最大： 5 ) 渡蕊光纤微弯性能实验磺究：本文对光绥徽弯理论遵嚣7 摧导，势对研制 的液芯光纾的微弯性能进行了实验研究，给出了实验曲线，理论和实验结 果基本相吻合，表明了自研制的波芯光纡爨有较好的微弯传感性鼹： 6 ) 液：蕃光纤与复合材料的兼容性研究；由予本文研制的液芯先纤拟用于目前 飞行器上广泛使用的复合材料中，作为智能结构的传感元件，液芯光纤与 复会糖精静兼容毪将成为液芯毙绎楚否其肖应用徐值的关键。实验发现， 埋入液芯光纤后的复合材料力学性能较埋入前的影响不大，表明复合材料 与搴疆究豹滚芯光纾其有篷好翡兼容毪，帮戮痒为传感元嵇应焉予智兹复 合树料中。 本文躯疆究内容褥劐了国家粪然基衾( 编号：1 0 1 7 2 0 4 3 ) 嚣簸空基金( 缡号： 0 2 8 5 2 0 1 6 ) 的共间资助。 l 。s 本章小结 本章简单叙述了液芯光纤发展以及本文研制的新型液蒜光纤的基本情况。从液 蕊光纤夔遮毒手天手，奔绍了嚣肉舞滚芯巍纾麓嚣雯笈展麓瀛，薅滚蕊竞绎等簧逶石 英光纤玻璃光纤、黧料光纤作了对比；对液芯光纤的特性以及在医学、测量、传感、 装镶莓领域敬应i 霹l 俸了筵攀的套绥；最嚣茨耍豹奔绥了本文矮突熬主要悫器：搽索 液芯光纤受到承载影响光强输出变化的规律和液芯光纤固化时光强变化规律；液芯 光终损伤修复的实验硬究；温度变他对液芯毙纾传光性能螅影响；滚蕊光终擞弯缝 能窳验研究以及液稿光纤与航空用的复合材料的兼容性研究等等。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章液芯光纤传光性能的实验研究 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而迅速发展起来的一种以 光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术。作为被测量信号载体 的光波和作为光波传播的媒质液芯光纤，有必要对这种新型的传感元件作其性能的实 验研究。 传光性能是光纤最重要的性能之一，其传光性能的好坏直接影响到光纤的应用。 在本课题的研究中，液芯光纤作为传感元件，担负着传递光信号的任务。本章将对研 究中使用的液芯光纤进行传光性能的实验研究，为液芯光纤的传感应用提供实验依 据。 2 1 光纤传感基本原理简介 光纤传感，包含对外界信号的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外界信号按 照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度、波长、频率、相位和偏 振态等发生变化，测量光参量的变化即感知外界信号的变化，其实质是外界信号对光 纤中传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探 测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。 因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部分称为调制区，根据调制区与光纤 的关系，可以将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号 通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类传感器称为功能型传感 器( f u n c t i o n a lf i b e r ) 或本征型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光 纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器 称为非功能型( n o nf u n c t i o n a lf i b e r ) 或非本征型光纤传感器。 根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光 强调制、光频率调制、光波长调制、时分调制、光相位调制和偏振态调制等几种类型。 现有的光探测器一般只能响应光的强度，而不能直接响应光的波长、频率、相位、 偏振态这四种光波物理参量，所以这些信号都要通过某种转换技术转换成强度信号， 爿能实现检测。下面的内容将对各种调制类型的传感器的原理作简要的介绍。 ( 1 ) 光相位调制 光相位调制是指外界信号按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的 变化，光相位的变化量及反映了被测外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大致 有三种类型：功能型调制，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应 及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相 位变化，以实现对光相位的调制：萨格奈克( s a g n a c ) 效应调制，外界信号( 旋转) 不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光 新型液芯光纤牲能等实验研究 素产生握应静壳程差，戳实瑗对光穗谯茨调n - 最嚣一类走凌麓鍪调卷4 ，帮在簧感 光纤之外通过改变进入光纤的光波程麓实现对光纤中的相位调制。 ( 2 ) 光攘掇调割 光偏振调制是指外界信号通过一定的方式使光纤中光波的偏振顽发生规律性偏 转或产生双辑射，从藤导致光的偏振特性交化，通过梭测光很擐态的变化即可测出终 界被测量。光偏振调制主要有两种类激；功能挺光偏撇调制，主要利闱光纤的磁光效 应、弹光效应蒋物理效应来实现外界傣号对光纤中光波偏振态的调制，磁光效应导致 旋竞缆象，弹毙效应嚣致双折射。菲功能型编振调稍是髑甭菜麓透弱介质本身的自然 旋光特性对光纤中光的偏振态实现调制。 ( 3 ) 竞波长调潮 光波长调制是指外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量 波长交伲器捡测到羧测量。嚣翦焉予光波长调毒我方法主要是光学逡菝帮滤波。话 统的光波长调制方法燕要由f - p 干涉式滤光、利奥特偏振双折射滤光殿各种位移式光 谱选撵等终调粼技术。近几年逛速发震起来的光纾光擞滤竞技零巍功戆型光波长调到 技术汗辟了新的应用前景。 ( 4 ) 光频率调制 光频率调制，是捂外界信号对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映 被测爨。目前使用较多的调制方法为多普勒( d o p p l e r ) 法，即外界信母通过多普勒效 应靖接受煮纤中静光液频率实施调翻，箕基奉内容是，当先豫溯器接收相对运确的光 波式，接收到光波将相对运动光波产生频移。例如，当频率为f 的一束光波投射到 鼓穗对速疫”运动静爨标上对，露标掰接收戮靛光频率为 f 0 = f 一- 等c o s ( k f ，u ) = f 7 1 1c o s 8 l ，t 岛一投射光波矢； 酸一投射光波矢与曩标运动方向斡夹焦。 如果相对投射光波静止的光探测器探测该目标的散射光波或者反射光波，则目标 相对探测器的相对运动速度必( 一u ) ，探测嚣接收到的频率必 = f + t c o s ( k o ，u ) = f + ；c o s 吼d l 一投毒手光渡矢； 队一散射光波矢均目标运动方向的夹角。 癞于蟊栎运动导致探测嚣接收到的光波楣对投射光波产生的频率差f 为 鲈= 厶一f = ；( c o s 岛一c o s e t ) 矗 此频率嫠称为多酱勒频移。由上式可见，外界信号通过控制动态散光物质的运动 速度蛉大小秘方囱即砸以对光波频率避行调制，测量嫩粳应黪多普勒频移期霹求褥被 6 南京航空航天大学硕士学位论文 测量。这种频率调制的方法适合于血流、气流、或其他流体的流速及运动粒子速度的 测量。 ( 5 ) 光强调制 光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调制方法，这种方 法技术简单、可靠、价格低、适用范围广。其基本原理是利用外界信号的扰动改变光 纤中光的强度，再通过测量输出光强的变化实现对外界信号的测量。主要有小线性位 移或角位移、光闸、反射、光纤微弯损耗、折射率变化、光纤的吸收、光纤模斑图、 电压或表面声波衍射、数字编码技术等调制方法。 光强调制可分为两类：非功能型光强调制和功能型光强调制。非功能型光强调制 的具体调制方法很多，其基本原理时根据光束位移、遮挡、耦合及其它物理效应，通 过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分 为四种类型：光束切割型、光闸型、松耦合型和物理效应型：功能型光强调制的调制 区发生在传感光纤内，其基本原理是外界信号通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层 折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。 目前利用液芯光纤作为传感元件的也有相关的报道，例如液芯光纤温度传感器、 液芯光纤压力传感器等等，其主要原理是利用外界对液芯光纤的影响使其输出光强发 生变化，通过光强的变化信号来判断外界的变化。 本文研究的液芯光纤作为传感元件拟用于飞机复合材料的传感、修复等过程中。 由于复合材料在力学、损伤、失效等方面的比单一的材料复杂的多，当复合材料局部 受到外界的冲压时。埋入其中的液芯光纤输出光强将会受到如何的影响，这也是智能 复合材料能否实现的关键。因此有必要对液芯光纤光强传感性能进行探索性的实验研 究。 2 2 液芯光纤承载光强输出变化的实验研究 本节将对液芯光纤承载光强输出变化进行实验研究，找出液芯光纤局部受压、冲 击时光强的变化规律，为其应用提供实验依据。 2 2 1 液芯光纤承载实验系统 实验中我们采用了三种类型光纤进行对比实验，分别是石英光纤、塑料光纤和自 研制的液芯光纤。实验装置图如图2 i 所示。 图2 i 光纤位移加载实验装置简图 7 新型液芯光纤性能与实验研究 1 ) 实验仪器 检测光源一台； 1 2 c m 焦距会聚透镜一个； 石英光纤、塑料光纤、液芯光纤各一根； 光纤固定装置： 光强探测系统。 2 ) 实验方法 将光纤固定在加载实验平台，调整光路及实验设备，使激光束平稳的进入到光纤 中，记录在微位移加载器作用下，光强探测系统测量的输出光强的变化。 2 2 2 实验数据及结果分析 经过多次反复实验，三种光纤的光强输出与加载变化的归一化变化趋势图如2 2 所示。 图2 2 三种光纤承载光强输出变化趋势图 从三种不同的光纤的承载实验中发现，随着加载微位移的加大，三种光纤都表现 出了不同程度的光强减小趋势。但三者的情况不尽相同，石英光纤从开始承载时光强 就一直减小；而对于塑料光纤，当微位移加载器加载至4 0 1 t m 左右时光强才开始有规 律的衰减：液芯光纤的初始加载位移达到l o o t m 左右时光强才进入稳定的衰减区。 这种初始的变化现象可能与光纤的制作材料有着很大的关系，石英光纤，其制作材料 主要是s i 0 2 ，刚度硬度比较大，与石英光纤相比，塑料光纤的柔韧性更好一点，而 液芯光纤内部是可以流动的溶液体系，有着良好的导光性。由图2 2 ，我们可以把液 芯光纤的光强输出变化分为两个阶段：刚开始微位移加载在o - 1 0 0 1 t m 时光强的变 化处于初始阶段，加载对液芯光纤的影响相对较小；随着微位移的加大1 0 0 6 0 0 i _ t m ， 8 南京航空航天大学硕士学位论文 光纤所承受的加载加大，光强逐渐减小，说明外界对光纤光强的影响逐步增强，在 1 5 0 4 5 0 1 a m 的加载范围，光强衰减近似线性变化；当加载接近极限时光强输出减至背 景光光强，说明液芯光纤已经严重形变，受到破坏。 可以看出，液芯光纤对外界的承载变化比较敏感，有较好的传感性能，具有和普 通光纤相似的性质。通过其输出光强的变化，可以判断出其承载的大小。 2 3 液芯光纤固化过程的实时监测 本文研制的液芯光纤除了作为复合材料智能结构的传感元件之外，还作为智能复 合材料损伤的修复元件，具有双重功能，这也是本文的创新之处。但是，当自修复系 统实现的时候，如何判别液芯光纤的芯液的固化程度，这个问题有必要进行研究。国 内也有少数的研究机构对环氧树脂的固化过程进行监控研究，研究出了一些有应用意 义的结果，如用于监测固化程度的光纤折射率传感器。鉴于此，我们对液芯光纤固化 过程进行了实时监控，为液芯光纤的应用提供参考。 2 3 1 实验系统 本文研制的液芯光纤的芯液材料采用专用光源固化。实验装鬣如图2 3 示。 图2 3 液芯光纤固化实时监测实验装置简图 1 ) 实验仪器 1 2 c m 焦距会聚透镜一个； 自研制液芯光纤一根； 光纤固定装置； 光强探测系统； 固化光源台。 2 ) 实验方法 实验方法如前所述，当实验系统稳定后，就可以打开固化光源照射液芯光纤，同 时记录光强探测系统的数字信号读数。 2 3 2 实验结果与分析 经过多次反复的实验，液芯光纤的固化时光强输出变化的归一化变化趋势图如图 2 4 所示。 从图2 4 可以看出，液芯光纤芯液的固化过程可分为三个阶段：从固化开始2 5 新型液芯光纤性能与实验研究 分钟的时间里，液芯光纤的光强输出呈线性减小趋势，衰减幅度达到5 4 ；在2 5 分钟至4 5 分钟的时间区域内，光强输出呈稳定的上升趋势；4 5 分钟后光强趋于 稳定，变化不大，光强恢复至固化前的8 6 左右，说明液芯光纤的固化过程基本结 束。 对液芯光纤进行固化监测的实验，有助于更清楚的了解固化过程中液芯光纤光强 变化的详细情况，通过固化时间、光强变化可以判断芯液固化情况，这一点对于完善 自修复系统有重要价值。 图2 4 液芯光纤芯液固化光强输出归一化示意图 2 4 液芯光纤损伤修复的实验研究 光纤在实际的使用中受到外界的冲击、碰撞等会发生损伤出现裂纹等一些现象， 普通光纤出现这样的情况后就难以继续传递准确的信号。由于本文研究的液芯光纤材 料的特殊性，我们将对其进行损伤修复的实验研究。 2 4 1 液芯光纤损伤后的加载实验研究 损伤后的液芯光纤需继续承但传递光信号的任务，因此对其进行了加载实验研 究，实验系统如图2 1 所示。 实验中测得光强输出变化归一化趋势图如图2 5 所示。从图中可以看出对损伤 后的液芯光纤进行加载，光强变化的规律并不十分明显，而且加载范围比较小，受损 液芯光纤不宜作为智能结构的传感元件探测外界的变化，这就需对受损光纤进行修 复。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 5 损伤后的液芯光纤加载光强输出归一化趋势图 2 4 2 液芯光纤损伤修复的实验研究 实验方法：把液芯光纤固定在实验平台，将光源发出的光耦合到液芯光纤中， 读出光强探测系统的读数，并进行记录。再对液芯光纤的损伤处进行修复，同时记录 光强探测系统的光强输出读数。实验中采用了两根自研制的液芯光纤，记为液芯光纤 1 和液芯光纤2 ，两根光纤损伤程度不同，对它们进行快速修复，实验测得它们的光 强输出变化归一化趋势图如图2 6 所示。 图2 6 液芯光纤不同程度损伤修复光强变化归一化图 从图2 6 中可以看出不同程度损伤的液芯光纤衰减不同。损伤越大，衰减越大， l i 新型液芯光纤性能与实验研究 经过快速修复后，输出光强基本恢复。 修复后的液芯光纤能否继续承担传感元件传递信号的任务，这是值得研究的问 题，下面对修复后的液芯光纤1 进行承载性能的实验研究，实验装置、实验方法如前 所述。实验测得修复后的液芯光纤承载光强输出变化趋势图2 7 。 从图2 7 中可以看出修复后的液芯光纤依然保持着良好的加载传感性能，可以继 续承担传感元件传递信号的任务。 图2 7 液芯光纤修复后承载光强输出变化趋势图 从本节的实验研究内容可以看出，当液芯光纤受到损伤后，输出光强迅速衰减， 外界对其进行加载时，光强的输出变化规律不十分明显，波动较大，而且加载范围比 较小，不利于液芯光纤作为智能结构的传感元件；当对液芯光纤的损伤处修复后，光 强输出有所增加，增加幅度与原来液芯光纤的损伤程度有关，对修复后的液芯光纤进 行加载的实验研究，实验结果发现，修复后的液芯光纤加载传感性能基本恢复，可以 继续用来作为智能结构的传感元件。 2 5 液芯光纤温度性能的实验研究 为了确保光纤能在各种环境下正常工作，我们模拟光纤实际使用场所的温度环境 条件，以设计出比较理想的实验环境来检验光纤对环境变化的适应性。在充分研究光 纤的温度性能的基础上，我们就可以对光纤的材料选择、结构设计、制造工艺等进行 改进。 本节将对液芯光纤的温度性能进行测试，研究温度变化对液芯光纤传光性能的影 响。 2 5 1 液芯光纤温度性能实验系统 南京航空航天大学硕士学位论文 实验中同样采用了三种类型光纤进行对比实验，依次是石英光纤、塑料光纤、自 研制的液芯光纤。实验系统装置如图2 8 所示。 图2 8 光纤温度环境性能实验装置简图 1 ) 实验仪器 检测光源一台： 1 2 c m 焦距会聚透镜一个； 的塑料光纤、石英光纤、液芯光纤各一根； 光纤固定装置： 可调恒温箱 光强探测系统。 2 ) 实验方法 将光纤固定一在加载实验平台，调整光路及实验设备，使检测光源稳定地耦合到 光纤中。通过改变恒温箱的温度，对光纤进行温度影响的实验研究，通过和普通光纤 的结果对比，探索液芯光纤的温度影响特性。实验中，以每隔5 c 的变化对光强探测 系统数字信号输出进行读数，由此分析温度变化给液芯光纤光强带来的影响。 2 5 2 实验结果与分析 经过反复实验，分析三种光纤的光强输出与温度变化的关系如下： ( 1 ) 温度的变化对光纤有一定的影响，而且三种光纤表现为相似的变化趋势，即 随着温度( 8 0 c 一5 c ) 的降低，三种光纤的光强都有不同程度的减小；在温度为8 0 。c 一3 5 1 2 的区域，光强的衰减比较显著，而在温度为3 5 c 一5 c 的区域光强衰减缓慢。 ( 2 ) 三种光纤光强变化的程度有明显的差异，石英光纤光强变化相对较小，变化 率为3 7 左右，塑料光纤次之为5 2 ，液芯光纤最大，接近8 0 。从而我们也可以得 出液芯光纤的温度敏感性能优于石英和塑料光纤，是一种良好的温度传感元件；在 常温区域0 3 0 。c ，液芯光纤的温度变化率为8 左右，因此，不会影响液芯光纤在智 能结构中的应用。 2 6 本章小结 本文研究的液芯光纤拟作为飞行器智能复合材料的传感元件，所以本章从光纤 新型液芯光纤性能与实验研究 传感的基本原理入手，简单介绍了目前光纤调制的几种类型。逐步引入对液芯光纤 的传光性能的实验测试：通过对液芯光纤承载光强输出变化的研究，发现液芯光纤 承载时光强的变化和普通的石英光纤、塑料光纤承载时光强的变化类似，具有比较 好的承载传感性能；在液芯光纤温度环境性能的测试方面，其温度的敏感性能更优 于石英光纤和塑料光纤；最后对液芯光纤固化过程的光强变化进行了实时监控，得 出了固化过程中光强变化的关系曲线。液芯光纤性能测试研究为其以后的应用推广 提供了实验依据。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章液芯光纤微弯性能研究 在光纤实际的应用过程中，光纤经常会弯曲，产生几何变形，折射率分布会产生 畸变。由于这些畸变，可以产生足够大的损耗。本章将对液芯光纤进行弯曲性能实验， 研究液芯光纤的轴向微小弯曲和光强损失之间的关系，为液芯光纤的进一步应用提供 实验依据。 3 1 液芯光纤弯曲的几何分析及其参数的变化 为了更清楚的分析液芯光纤弯曲状态的变化，我们从直液芯光纤的传光问题入 手。 3 1 1 直液芯光纤光线的传输 简便起见，以子午光线为例，讨论液芯光纤的传输条件。设芯液和包层折射率分 别为碣和啦，空气折射率为= 1 ，纤芯中心轴线与z 轴一致，如图3 1 所示。 一o 图3 1 直液芯光纤光线传播图 光线在液芯光纤端面以小角度e 从空气中入射光纤芯( ) ，折射角为鼠， 折射后的光线在纤芯直线传播。改变入射角度e ，不同e 相应的光线在纤芯与包层交 界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角色，当口 晚时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如 光线3 。由此可见，只有在半锥角为口以的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 一 口 t 地 新型液芯光纤性能与实验研究 根据这个传播条件，定义临界角眈的正弦为数值孔径( n u m e r i c a la p e r t u r e ，n a ) 。根 据定义和斯耐尔定律 n a = ? t os i n 0 c = ”lc o s 虬， n as i n p c = n 2 s i n 9 0 。 ( 3 2 ) n 。= 1 ，由式( 3 2 ) 经简单计算得到 n a = 厢哪4 5 - 2 ( 3 - 3 ) 式中a = ( 竹l 一7 2 ) n i 为纤芯相对折射率差。 n a 表示光纤接受和传输光的能力，n a 越大，光纤接受光的能力越强，从光源 到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在只内的入射光都能在光纤中传输。n a 越大，光纤对光能量的束缚越强，光纤的抗弯曲性能越好。但n a 越大，经光纤传输 后产生的信号畸变越大。 本文研制的液芯光纤的数值孔径为0 7 ，表明该液芯光纤的接受和传输光的能力 较强，从光源到液芯光纤的耦合效率较高，对光能量的束缚越强，光纤的抗弯曲性能 越好。但经液芯光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 由于子午光线在光纤内的传播路径是折线，所以光线在光纤中的路径长度一般都 大于光纤的长度。设纤芯的半径为2 口在长度为l 的光纤中其总光路的长度s 和总反 射次数，7 分别为 乩忙壶( 3 - 4 )c o s m ，7 = 三叩= 1 l t a - n o l ( 3 - 5 ) 式中s 和叩分别为单位长度内光路长和全反射次数；其表达式分别为： s：ji(3-6) c o s 0 1 玎：t a - n 0 1 ( 3 - 7 ) 玎2 1 以上关系式说明，光线在液芯光纤中传播的光路长度只取决于入射角和相对折射 率而于光纤直径没有关系；全反射次数则与纤芯直径2 口成反比。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 2 液芯光纤弯睦光线的传播 由于液芯光纤经常会在弯盐的条件下来传递光的能量。所以研究液芯光纤弯曲对 光束传播的影响有很大的意义。为了便于讨论问题，也仅考虑子午光线。 0 图3 2 光纤弯曲时光线的传播 设液芯光纤在p 处发生弯曲，如图3 2 所示。光线在离中心轴高h 处的地点进入 弯曲区域，光线在两次全反射之间通过的距离为a b 。在a o a b 中，利用正弦定律： 翌= s i n 0 - 8 ) r - d a b 2 式中r 为液芯光纤弯曲部分的曲率半径，d = 2 a 为光纤的直径，口是a o 和b o 的夹角。由式( 3 - 8 ) 可得 彳b ；些丝堕 ar s l n 式中越r = 口，址为口角所对圆弧的弧长。 当液芯光纤弯曲时，在单位长度上子午光线的光路长度为 疋= 瓦a b = s i 口n a 。1 _ l 。f ( 1 一昙) 如果考虑到公式( 3 6 ) 则上式可以写为： 疋= 警c t 一争 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 上式中s 为直液芯光纤中单位长度上子午光线的光路长度。由于兰坚旦 1 ， 口 i d 材料名称材料比藿乎立伸强度弹性模量比强度比模量 铝会金l 6 5 2 。80 。4 67 2g 。l ?2 6 钛含金d t d 4 50 9 31 1 0o 2 l2 4 钢s 9 77 。8e 。9 92 0 70 。? 32 t 硼 2 53 54 2 01 4 01 6 8 k e v l a r1 4 42 。81 3 0l ，9 49 0 i 碳纤维 2 o1 94 0 00 9 52 0 0 l i 碳野维 l 。72 。62 0 0l 。5 21 1 8 新型液芯光纤性能与实验研究 le 一玻璃i 2 5 4 l 2 6 l 8 4 l 0 9 8 l 3 3 i 复合材料的其它特点如：抗疲劳性好( 金属材料的疲劳极限可达抗拉强度的 4 0 一5 0 ，而碳纤维聚酯树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉强度7 0 一8 0 ) 。吸能、减 振性能好；减磨、耐磨、自润滑性好；绝缘、耐热、耐腐蚀、破损安全性