（光学工程专业论文）耐高温光纤光栅传感器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g - - f b g ) 传感器由于具有波长编码测量、抗电 磁干扰、抗腐蚀、结构简单、尺寸小等优点而被广泛地应用于传感领域。然而，由于 f b g 并不是一个永久性的结构，当长时问工作在高温环境下时f b g 会消失或被“洗掉”。 因此，f b g 传感器一般只能适用于较低温度的环境。为了将其应用扩展到高温领域， 急需研制耐高温光纤光栅。 本论文采用高温退火工艺对特种掺杂光纤光栅进行热处理，利用杂质扩散效应造成 纤芯中化学组分的空间周期性分布，由此形成纤芯折射率的空间周期性调制，成功地制 作出化学组分光栅( c h e m i c a l - c o m p o s i t i o ng r a t i n g - - c c g ) 。由于其折射率调制是靠纤芯 中化学组分的周期性分布形成的，因此这种光纤光栅具有极好的热稳定性，能够耐1 0 0 0 以上高温。在此基础上研究了c c g 的温度响应和应变响应特性，研究了温度对c c g 应变响应特性的影响。结果表明c c g 在室温至l 1 0 0 c 范围内具有良好的温度响应特性， 能够用于高温测量。c c g 应变响应系数不随温度变化，其应变响应系数与普通光栅相 当，能够满足高温热结构健康监测需要。 由于c c g 的反射率比较低，一般不超过2 0 ，本文还探讨了提高c c g 反射率的 方法和途径，研究了氢气饱和度、初始光栅强度和紫外激光脉冲能量对c c g 反射率的 影响。结果表明：要提高c c g 反射率，应尽可能地提高氢气饱和度和初始光栅强度， 而且在写制初始光栅时应采用尽可能小的激光能量。上述结论对提高c c g 反射率具有 重要指导意义。 关键词：光纤光栅；光敏性；化学组分光栅；温度传感器；应变传感器；高温环境 耐高温光纤光栅传感器的研究 s m d y o nh i g h - t e m p e r a t u r e - r e s i s t a n tf i b e rg r a t i n gs e n s o r a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g b g ) s e n s o r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di ns e n s i n gf i e l d sd u et ot h e i r d i s t i n g u i s h i n ga d v a n t a g e s ，s u c h a s w a v e l e n g t h - e n c o d e dm e a s n r f f l n g n t ，i m m u n i t y t o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，l i g h tw e i g h t ，s i m p l ef o rf a b r i c a t i o na n d s oo n b u tf b gi s n o tap e r m a n e n ts t r u c t u r e i tw i l lb ee r a s e dw h e no p e r a t i n gf o ral o n gt i m eu n d e ras u f f i c i e n t h i g ht e m p e r a t u r e s ot h e ya r eo n l yc a p a b l eo f o p e r a t i n gi nt e m p e r a t u r er a n g eb e l o w3 0 0 c i n o r d e rt oe x t e n df b g ss e n s i n ga p p l i c a t i o n sa th i g h e rt e m p e r a t u r er e g i o n s t h e $ e n s o r $ w i t h h i 曲t e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t ys h o u l db ef a b r i c a t e d i nt h i st h e s i sw ef a b r i c a t e dh i g h - t e m p e r a t u r e - r e s i s t a n tc h c r n i c a l - c o m p o s i t i o ng r a t i n g s r c c g s ) b yw r i t i n gf b g si ng e fc o d o p e df i b e rw i t h1 9 3m n e x i m e rl a s e rf o l l o w e db ys p e c i a l a n n e a l i n gp r o c e d u r e t h er e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o no ft h ec c g si sc a u s e db yac h a n g ei n t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , h e n c et h e s eg r a t i n g ss h o we x t r e m e l yh i 曲t h e r m a ls t a b i l i t ya t t e m p e r a t u r eu pt o11 0 0 皿et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr e s p o n s eo fc c g sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et e m p e r a t u r er e s p o n s eo ft h ec c g sh a saf a i r l yg o o d p e r f o r m a n c e f u r t h e r t h ec c g ss h o ws t r a i nc o e f f i c i e n tt h a ti sa b o u tt h es a m ew i t hn o r m a l f b g s i ti se x p e c t e dt h a tt h ec c g sa r cs u i t a b l ef o rh e a l t hm o n i t o r i n go ft h eh i g ht e m p e r a t u r e s t r u c t u r e i no r d e r t oi n c r e a s et h er e f l e c t i v i t yo f t h ec c g s ，w ea l s oi n v e s t i g a t e de f f e c t so f h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n ，i n i t i a lg r a t i n gs t r e n g t ha n du vl a s e rp u l s ee n e r g yo nt h er e f l e c t i v i t yo ft h e c c g s i ti sf o u n dt h a ti m p r o v i n gt h ei n i t i a l g r a t i n gr e f l e e t i v i t y ，e n h a n c i n gt h eh y d r o g e n c o n c e n t r a t i o no ru s i n gl o w e rp u l s ee n e r g yi nt h ei n i t i a lg r a t i n gi n s c r i p t i o nh e l pt oi n c r e a s et h e r e f l e c t i v i t yo f t h ec c g s k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g s ，p h o t o s e n s i t i v i t y , c h e m i c a l - c o m p o s i t i o ng r a t i n g s ， t e m p e r a t u r es e n s o r , s t r a i ns e n s o r ，h i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：至圣l 丕 日期：圣苎z ! ! ! 竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者繇 ：晏兰! 刍 f 翮繇鸿 2 羔2 年丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 光纤光栅概述 1 1 1 光纤布拉格光栅( f i b e tb r a g gb r a t i n g f b b ) 简介 光纤光栅是近年来发展最为迅速的光纤无源器件之一，它的问世被认为是继掺铒光 纤放大器之后光纤通信领域又一个具有里程碑意义的事件。光纤光栅不仅在光纤通信领 域应用广泛，而且对光纤传感领域也有强烈的影响。光纤光栅是一种简单的光学器件， 其最基本的形式为纵向纤芯折射率呈周期性调制的光学光纤n 1 ，如图1 1 所示。 p 入射谱 p 透射谱 图l - 1 光纤光栅结构示意图 f i g1 1t h ef r a m eo f f b g p 反射谱 1 1 2 光纤光栅历史回顾 1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 及其同事 2 3 】在高掺锗的石英光纤中首次发现了光纤的光敏 性。为了研究掺锗石英光纤的非线性光学效应，他们把氩离子激光器输出的高功率可见 光导入光纤纤芯，并发现经过长时间的曝光，后向反射光随着曝光时间显著增强，最后 几乎所有的入射光都从光纤中后向反射出去。光谱测量证实了反射率的增大是由于在l 米长的光纤中形成了永久性的光致折射率光栅，就是后来所谓的“h i l l 光栅”。这一结果 激起了前所未有的对光学光纤中光致折射率变化现象也就是光纤光敏性的兴趣。在h i l l 等人的实验中，波长为4 8 8 n m 的氩离子激光导入光纤纤芯与菲涅尔反射光发生干涉，在 纤芯内部形成了较弱的驻波增强图样。光强增强的那些点使光敏光纤的纤芯折射率发生 了永久性的改变，因此，纤芯折射率调制的物理周期与干涉图样周期一致。 h i l l 光栅” 的形成是光纤纤芯折射率周期性调制幅度由小到大的过程，是一个动态的，正反馈的过 程。在这一过程中，光纤光栅的折射率周期性调制结构起到分布式反射器的作用，把前 耐高温光纤光栅传感器的研究 向传输光与后向传输光相耦合，使后向发射光强不断增大，从而增强了光敏光纤纤芯内 部干涉图样的强度，反过来导致那些相干增强点的折射率进一步增大，这样的过程不断 持续直到光栅的反射率达到饱和为止。由于这种过程是在光纤内部自发形成的，所以 h i l l 光栅”也被称作自组织光栅或自致光栅。该光栅的折射率调制幅度较弱约为1 0 - 6 ， 反射率为9 0 。光栅反射带宽小于2 0 0 m h z ，以写入波长4 8 8 n m 为中心形成一个窄带 滤波器，显现出其在通讯领域潜在的应用前景。但是这种光纤光栅受激光写入波长限制， 写入效率低等原因，大大限制了它在通讯领域的应用。 1 9 8 9 年美国的m e l t z 等人 4 1 采用紫外光侧面曝光技术对一段掺锗光敏光纤置于两束 相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场进行曝光，得到了光纤折射率发生较大变化的光 纤光栅。该实验所采用的紫外光的波长约为2 4 4 n m ，相应的单光子能量约为5 e v ，恰好 与对应波长范围为2 4 0 n m - - 2 5 0 n m 的锗缺陷吸收峰能量相符合，也就是说m e l t z 等人采 用紫外光侧面曝光技术制作光纤光栅实际上是实现了直接用单光子作用过程制各出了 光纤光栅。与h i l l 等人采用的纵向驻波干涉法相比，采用紫外光侧面曝光技术制作光纤 光栅不仅大大提高了光栅的写入效率，而且只要通过改变两干涉光束之间的夹角来调整 光栅周期，就可以获得所需的布拉格反射波长。除了单光子过程之外，还可以采用1 9 3 n m 准分子激光通过双光子过程实现光栅的写入，而且双光子过程的写入效率要远高于单光 子过程。对于双光子过程，折射率调制达到饱和所需要的总能量密度约为l g j c m 2 ，而 单光子过程得到同样折射率的变化量所需的总能量密度约为1 k j e m 2 ，低于前者的百万 分之一。由于这种光栅在通讯和传感领域的巨大潜在应用价值，m e l t z 等人的工作引起 了人们的广泛的兴趣，从而使光纤光栅的研究进入了新的阶段。但是这种方法也存在许 多缺点，如对光源相干性的要求比较高，光栅写入过程易受到振动或气流波动等因素的 影响。 1 9 9 3 年，k o h i l l 发明了相位掩模写入技术【5 】。相位掩模板是一块一面有周期性凹 凸结构的石英玻璃板，对紫外光的吸收很小，其结构图和工作原理如图1 2 所示。它其 实是一种相位衍射光栅，紫外光从一面垂直入射后，会被衍射到特定方向，假如掩模板 参数( 占空比、刻蚀深度) 选择的合适，大部分的紫外光会被衍射到1 级( 4 0 ) ， 零级被抑制( 5 ) 。在掩模板表面1 级衍射光相干形成干涉图样，光敏光纤紧贴凹 凸面就会被刻入光栅，并且其周期是掩模板周期的一半。由于光栅写入周期与入射光的 波长无关，这不仅大大降低了对光源相干性的要求，同时还具有写入的光栅周期准确， 制作工艺简单，可重复性好，便于批量生产等优点。因此，光纤光栅的制作和研究得到 大连理工大学硕士学位论文 了迅速的发展。不过，采用这种方法生产出来的光栅的波长严重依赖模板的周期，制作 不同波长的光栅需要购买许多种不同周期的模板。 图i 2 掩模板法制作光纤光栅示意图冽 f 培1 2f b gw r i t i n gs y s t e mo f p h a s em a s km e t h o d 普通光栅的周期为1p m 以下，另外还有一种周期为几百p m 的光栅，被称为长周期 光纤光栅m p g ，l o n gp e r i o dg r a t i n g ) ，可以用逐点写入法嘲、三柬聚焦激光脉冲对称写入7 】 等方法制作。 长周期光纤光栅对诸多因素，如光纤种类、外界环境、弯曲、温度、应力等均敏感， 成为人们的研究热点i s 4 0 】。它对入射光波的作用不是反射，而是耦合到光纤的包层模中， 并且二者的传播方向一致，因而也叫透射光栅。由于长周期光纤光栅对外界因素太过敏 感，诸多因素同时作用于长周期光栅，不容易区分开来，给其传感应用带来不便。 1 1 3 光纤光栅的应用 制作技术的成熟使制作各种不同特性的光纤光栅成为可能，如切趾光栅、啁啾光栅、 闪耀光栅等，以满足各种应用的需要。光纤光栅的应用主要分为两类：通讯和传感。通 讯上的用处如9 8 0 泵浦源的稳频，色散补偿器，均有商用产品出现。传感领域的应用主 要是利用f b g 的应力、温度特性来测量各种物理参数【1 1 1 ，以下是光纤光橱的一些应用。 耐高温光纤光栅传感器的研究 1 1 3 1 波分复用( w d m ) 系统应用 1 5 5 岬和1 3 m 处的通信窗口都有很宽的通信带宽，波分复用技术可以极大限度 地利用这些带宽资源。w d m 系统中最重要的器件之一就是滤波器，它的带宽和隔离度 关系到系统的性能。由于光纤光栅的窄带、高反射率特点，它成为w d m 系统中理想的 滤波器件，目前已经可以利用光纤光栅实现光栅结构的波分复用器【l z j 。图1 3 是利用一 个3 d b 耦合器来进行光波的下载，其缺点是从端口输出的信号要有6 d b 的损耗。可以 利用光学环形器代替耦合器来消除这一缺点，其价格相对比较昂贵一些。人们又提出用 m a c h - z a h n d e r 干涉仪结构来进行光波的上下路( a d d d r o p ) 【l ”如图1 4 所示，器件有两 个3 d b 耦合器和两只完全一样的光纤光栅构成。端口1 是原信号输入口，端口2 是光波 信号输出口，用来下载某波长的信号。端口3 是光波输入口，用来插入此波长的光信号， 端口4 是经上下路后的光输出口。这种结构很紧凑，可以同时进行光波的上下路，而且 隔离度比较高。 知1 山 知如k 二一、 - - - - - - 一 端a2 嫡0 图1 3 利用一个3 d b 耦合器进行分波n 2 1 f i g1 3d e m u l t i p l e x i n gb yu s i n g3 d bc o u p l e - t 2 h “ 图l ，4 基于m z 干涉仪的波分复用裂1 2 】 f i g1 4w d mb a s e do nm - z i n t e f f e r o m e t e r 4 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 2 色散补偿和脉冲压缩 目前很多已敷设的光纤均为常规光纤( g 6 5 2 光纤) ，在1 5 5 微米处光波有 1 7 p s n m - k m 的色散。这意味着光脉冲信号经过一段光纤传输后就会展宽，而在高速光 通信系统中脉冲序列间隔很小，这种色散减小了传输距离。用反常色散光纤可以解决这 个问题，但其价格比较昂贵。光纤光栅问世以后，由于啁啾光纤光栅可以在一个比较宽 的范围内有较大的色散，人们提出用它来进行传输系统的色散补偿，并于1 9 9 4 年第一 次实现了用线性啁啾光纤光栅来补偿经色散光纤传输后展宽的光脉冲【l ”。 图1 5 是用线性啁啾光纤光栅进行色散补偿的一个简单示意图。它十分清楚地表明 了不同波长的光在光纤不同处被反射，波长较短的光先被反射，长波长光后被反射，因 而它们之间产生了时间延迟。根据这个简单的示意图可以写出线性啁啾光纤光栅的色散 。= 石a r = 2 n 万盯l s ( 1 1 ) ac a 其中k 是光栅的长度，1 1 c f r 是光纤的有效折射率，c 是真空中的光速，九是光栅两 端的布拉格波长差。这一模型其实过于简化，不能用于实际的设计。根据耦合波理论的 计算表明对于折射率微扰不变的啁啾光栅，它的反射谱和色散曲线都会有振荡出现，必 须对光栅进行切趾( a p o d i z a t i o n ) 处理。 图1 5 啁啾光纤光栅进行色散补偿示意图 f i g1 5s k e t c ho f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb yu s i n gc h i r pf b g 线性啁啾光栅不仅可以补偿光纤传输系统的线性色散引起的脉冲展宽，还可以用来 补偿非线性自相位调制引起的脉冲展宽，是一种全光纤脉冲压缩器，目前压缩比可以达 到1 0 t 1 5 1 。 在e d f a 系统中引入啁啾光栅实现超短脉冲的展宽，这样可以避免e d f a 的增益饱 和。超短脉冲先被一啁啾光栅展宽，经e d f a 进行放大，再用另一个啁啾光栅来压缩脉 冲。 以上都是用线性啁啾光栅来实现线性色散补偿的。实际上，利用更复杂的光栅结构 或光栅组合可以补偿更高阶的色散。例如可以用平方啁啾光纤光栅来实现在长距离、高 速率传输系统中很重要的三阶色散补偿。 耐高温光纤光栅传感器的研究 1 1 3 3 光纤光栅在有源器件中的应用 光纤光栅应用到光纤光栅外腔激光器、d f b 光纤光栅激光器、e d f a 中泵浦光源的 稳频器，目前几乎所有的9 8 0 n m 泵源中均有用光栅进行稳频，也是目前f b g 应用最广 的方面。 1 1 3 4 光纤光栅在传感领域中的应用 传感是光纤光栅一个重要应用领域。光纤光栅的布拉格波长由下式给出 如= 2 n 盯人 ( 1 2 ) 其中，布拉格光栅波长厶为入射光经过布拉格光栅后发生后向反射所产生的反射波在自 由空间中传播的中心波长，n 。表示光纤纤芯的有效折射率【1 6 】，a 为光栅周期。 由上述可知，布拉格波长取决于光纤纤芯有效折射率和光栅周期，任何使这两个参 数发生改变的过程( 如应力、温度的变化) 都将引起光栅布拉格波长的漂移。因此，利 用光栅布拉格波长对温度、压力、应力等特征参数的敏感性，可将它用于制作相应的光 纤光栅传感器。其工作原理是将被测参量转换为光纤光栅反射波长的变化，通过检测该 波长变化来获知外界被测参数的大小。与其它类型传感器相比，光纤光栅传感器有以下 优点： 1 1 具有很高的可靠性和稳定性。由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波长是一 种绝对参量。因此f b g 传感系统抗干扰能力强，主要体现在：普通的传输光纤不会 影响传输光波的频率特性，从本质上排除了曾长期困扰其他光纤传感器的光强起伏 干扰，因为光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机光强起伏和耦合损耗等不会 对传感信号的波长特征产生影响。 2 ) 能方便的使用波分复用技术在同一根光纤中串接多个f b g 进行分布式测量。在波分 或时分多参数传感应用中，只需一台仪器就可实现寻址，易于制作灵巧结构的光纤 传感器网络。 3 ) 抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘性好、能在恶劣的化学环境下工作 4 ) 传感头结构简单，尺寸小，适于各种应用场合。 由于上述优点，基于f b g 的传感器已成为当前光纤传感器的研究热点，并在电力工 业、石油化工工业、核工业、医学等领域中得到了广泛的应用。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 高温光纤光栅研究进展 由于光纤光栅是利用紫外激光诱导光纤纤芯区域造成纤芯折射率周期调制而形成 的相位栅，因此，这种折射率周期调制效应在高温下是不稳定的。采用普通工艺制作而 成的光纤光栅只能够耐3 0 0 ( 2 左右高温，在更高温度下使用时，折射率调制效应将随时 间逐渐消失，最终导致光纤光栅消失，这种现象称为光纤光栅的衰退效应。衰退效应的 存在限制了光纤光栅传感器在高温场合下使用。提高光纤光栅的热稳定性，成为将光纤 光栅传感器推向高温应用领域的关键。 近年来，各国研究者们在这方面开展了大量的工作，提出了不同方案来克服此问题， 代表性的工作有： 1 ) b o g u a n 通过改变光纤光栅制作工艺来提高光纤光栅的热稳定性，对光纤光栅进 行写入前或写入后紫外均匀曝光，极大地提高了光纤光栅的热稳定性，实验表明采 用这种方法制作的光纤光栅能够耐6 0 0 c 以上高温 1 7 , l 引。 2 ) 沈永行等人通过写入锑、铟、铋掺杂锗硅光纤中的光栅，能够耐受9 0 0 c 的高温【1 9 捌。 3 ) g b r a m b i u a 通过改变光纤组分来提高光纤光栅的热稳定性，在光纤纤芯中同时掺入 锗和锡，在锡锗共掺光纤上写入光纤光栅，得到的光纤光栅能够耐5 0 0 。c 以上高温 【2 l 】。 4 ) m f o r k i n e 采用改变光纤组分和改变制作工艺相结合的方式，在光纤纤芯中同时掺 入氟和锗，采用紫外写入法在这种光纤上写入光纤光栅，然后再采用特殊工艺对光 纤光栅进行退火处理，最后得到一种称为“化学组分光栅( c c g ) ”的耐高温光纤光 栅。由于最后得到的光纤光栅的折射率调制是靠纤芯中化学组分的周期性分布形成 的，因此这种光纤光栅具有极好的热稳定性，能够耐1 0 0 0 c 以上高温i 冽。 5 ) s t y p k o v s k i 同时采用改变光纤组分和改变制作工艺相结合的方式，在光纤纤芯中 同时掺入铒和锗，采用紫外写入法在这种光纤上写入光纤光栅，然后再采用特殊工 艺对光纤光栅进行退火处理，最后得到化学组分光栅，能够耐8 0 0 c 以上高温1 2 3 1 。 1 3 本论文的主要内容和创新点 本课题来自国家8 6 3 项目，其目标是采用m f o r k i n e 的方法，制作出耐高温化 学组分光栅( c c g ) ，从而使光纤光栅能应用到1 0 0 0 c 的高温传感领域。其意义在于： 为航空航天等领域高温热结构健康监测问题提供一个解决方案，同时，随着温度测 量上限的提高，光纤光栅传感器的应用领域必将得到进一步扩展。 耐高温光纤光栅传感器的研究 本论文结构安排如下： 第一章简要回顾了光纤光栅发展历史，介绍了光纤光栅在通信和传感领域的应用， 概述了高温光纤光栅研究进展。 第二章介绍了光纤的光敏机制、光纤增敏方法和光纤光栅热衰退特性。 第三章采用高温退火工艺制作了化学组分光栅( c c g ) ，对c c g 的成栅机理和热 衰退模型进行了叙述。 第l 四章研究了c c g 的温度和应变响应特性，研究了温度对c c g 应变响应的影响， 对结果进行了分析。 第五章研究了氢分子饱和度、初始光栅强度和紫外写入能量对c c g 反射率的影响， 为如何提高c c g 反射率指出了方向。 本论文主要创新点如下： 1 研究了c c g 在高温条件下的应变响应特性。 2 研究了光栅初始强度、氢气饱和度、初始光栅写入时激光脉冲能量对c c g 反射 率的影响，该工作对提高c c g 反射率具有指导意义。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 光纤的光敏性及f b 6 的热衰退特性 2 1 光纤的光敏性 2 1 1 光纤的光敏性简介 光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相 应变化的特性。这种现象也称为光致折射率变化效应。光纤的光敏性是光纤光栅周期性 折射率变化的根本原因。起先研究人员认为只有纤芯中高掺锗的石英光纤并且必须在波 长2 4 0 - - 2 5 0 n m 的辐射光的照射下才有光敏性，但是经过多年的研究，发现许多不同种 类的光纤在不同波长的辐射光的照射下，都呈现出了光敏性。其中有的光纤掺有锗及其 他元素，如硼锗共掺光纤 2 4 1 ；有的甚至不含锗，如稀土离子光纤【2 5 0 6 1 。但是由于掺锗 具有优越的光敏性能，所以掺锗光纤仍然是利用光敏性制作光学器件的最重要原料之 一o 2 1 2 光纤的光敏性机理 伴随着光纤光栅制作和应用的发展，对光纤光敏性机制的研究也不断地进行着。目 前尽管在各种光纤内都制作出了布拉格光栅，但至今到底是什么机制引起光纤芯部在紫 外光照射下会发生改变还不完全清楚。目前有几种解释光敏性机制的模型，它们都认为 光敏性的机制可能是由于光纤中的g e 0 2 缺一个氧而引起的缺陷造成的，g e s i 键和 g e g e 键是其折射率在紫外光照射下发生改变的原因。g e 缺氧缺陷是在光纤制作过程 中形成的。在光纤制作的氧化过程中气温很高，此时g e 0 比g e 0 2 更稳定，因此许多g e 0 2 就蜕变为g e 0 残留在光纤中形成g e s i 和g e g e 等错键。 这些模型都有一些实验结果的支持。可以认为在光致折射率变化过程中，不只一种 机制在起作用。 2 1 2 1 色心模型 由h a n d 和r u s s e l l 等人提出的色心模型认为叨：光敏光纤的g e 缺氧缺陷对应一个 2 4 2 n m 附近的强吸收带。经紫外光照射后，材料的性质发生变化，这些缺氧缺陷被离化 释放出自由电子，这些自由电子又会在周围被俘获形成新的色心，因此和g e 0 相关的 2 4 2 n m 附近的吸收带被漂白，而在其它波长出现新的吸收峰，它和新形成的色心对应。 根据k r a m e r s k r o n i g 关系， 耐高温光纤光栅传感器的研究 a n = 嘉碍秘 ， 吸收谱的变化将引起光纤的折射率的变化。式中n ，她分别是折射率和吸收系数的 变化。 a t k i n s 曾经仔细地研究了在紫外光照射下掺锗光纤材料的吸收谱的变化情况【2 虮。他 们测量了掺锗光纤在紫外光照射前后1 6 5 n m 3 0 0 r i m 波段吸收系数的变化，其实验表明 原来2 4 0 n m 处的吸收带被漂白，而一个新的宽系数带在1 9 5 n m 出现，这很可能就是g e e 色心引起的。通过k r a m e r s - k r o n i g 公式计算得到的折射率变化和用光栅参数计算得到的 结果很一致。a t k i n s 还发现如果被照射处理后的样品经过9 0 0 退火- - d , 时后，吸收会 恢复到紫外曝光以前的样子，而材料的光敏性仍然保留着，即仍然可以通过紫外曝光写 入光纤光栅。 到目前为止，色心模型是最令人信服的模型，但仍然不是十分完善，还需大量细致 的工作。 2 1 2 2 偶极子模型 偶极子模型认为周期性的紫外光照引起光纤内部周期性的内建电场1 2 9 1 。在紫外光的 作用下，光纤中的缺氧g e o ，g e s i 和g e g e 键被离化产生一个带正电的g e e 空穴和一 个自由电子，这些自由电子被周围的g e ( 1 ) 和g e ( 2 ) 俘获后形成带负电的o e ( d 一和g e ( 2 ) 一，它们和g e e 构成偶极子，这样就在材料内部建立了电场。而在周期性光场的照射 下，自由电子会从光强大的区域扩散到光强弱的区域，从而在光纤内建立了和光照场相 对应的周期性内建电场，由于k e r r 效应折射率会发生变化，大小和内建电场的平方成 正比。偶极子模型显然受到光折变理论的影响。 2 1 2 3 紧缩模型 紧缩模型认为光致光纤材料的密度发生变化，导致折射率的相应变化。f i o r i 和 d e v i n e 曾经用k r f 准分子激光照射硅基片上的。a ，s i 0 2 薄膜样品【3 0 l 。他们发现随着照 射剂量的增大，薄膜厚度会减小，即其密度增大了，折射率也发生了变化并且和薄膜密 度的改变近似呈线性关系。经过处理后的样品在9 5 0 退火- - d , 时后，薄膜厚度和折射 大连理工大学硕士学位论文 率都会复原。但紫外照射剂量超过某一闽值后，膜厚和折射率都不能通过退火来复原。 这个模型的提出相对较晚，没有经过太多的验证，所以需要更多的实验。 2 1 2 4 应力松弛模型 应力松弛模型是基于光纤芯部的内建热弹应力的松弛会引起折射率的改变这一假 设1 3 1 l 。在掺锗光纤制作过程中，芯部和包层不同的热膨胀引起光纤的内部应力。在紫外 光照射下，光纤内的错键被打断，减小了内部的应力，根据弹光效应，应力导致折射率 的减少，由此应力松弛则引起折射率的增大。在掺锗光纤中存在着很多的错键，但普通 的光纤却并非如此。这个模型也需要更多的实验和研究来证实。 除了上述的四种模型，还有电荷迁徙模型【3 2 】和离子迁徙模型【3 3 】试图对光敏性进行解 释。 2 2 光纤的增敏方法 不同光敏光纤的光敏性各不相同，光敏性可以由一定紫外曝光量下，光纤的折射率 改变的大小来衡量。自从光纤光敏性被发现以来，已经发展了多种措施来增加光纤的光 敏性。最初人们认为高掺锗光纤才具有光敏性，后来氢载，氢氧焰处理等方法的出现使 得普通的锗光纤( 通信用单模光纤) 都具有很高的光敏性。 2 2 1 载氢法 载氢是将光纤浸在高压氢氛围中来获得高光敏性的一种简单方便的方法p 4 】。在载氢 过程中，氢分子在高压( 或高温) 作用下扩散到光纤的芯部。这种载氢光纤在紫外光的作 用下，h 2 和光纤发生反应形成o h 键及紫外光可漂白的缺氧缺陷。缺氧缺陷形成后，它 对应的吸收带即刻被紫外光漂白，引起较大的折射率改变，会达到1 0 - 2 。使用载氢法提 高光纤的光敏性的主要优点有： 1 ) 可以给任何锗光纤增敏，包括普通的通信用单模光纤，对光纤的原有光敏性要 求不高。 2 ) 对光纤的影响小，折射率的永久改变只发生在光照区域，没有曝光的部分中的 氢在一段时间内会扩散出光纤，吸收没有什么变化。 载氢法获得的光敏性不是永久性的。在曝光以前，随着氢分予扩散出光纤，光敏性 不断地下降。但在低温环境下，光敏性可以保持较长的一段时间。 耐高温光纤光栅传感器的研究 2 2 2 氢氧焰处理 f b i l o d e a u 等人首先发展了用氢氧焰灼烧光纤来增加光敏性的方法【3 5 】。在氢氧焰中 氢含量很大，而且温度比较高。用氢氧焰处理光纤可以使氢分子很快进入光纤中，并且 和锗光纤发生反应。这个增敏过程很快，只需2 0 分钟。它的增敏机制和载氢法一样。 用氢氧焰处理来增敏的优点是在处理过程中氢和光纤就发生反应，因而增敏效果是永久 性的。 2 2 3 双掺硼锗 d l w i l l i a m s 等人的研究表明【3 6 1 ，在锗光纤中掺入硼后，光敏性会大幅度地提高， 不仅饱和折射率变化会增大，而且曝光剂量也有所下降。对这种光纤曝光前后的吸收谱 的分析表明，只有锗缺氧缺陷对应的吸收带( 2 4 0 n m ) 发生了变化，而硼杂质对吸收没有 任何影响，因此这种光纤的高光敏性不是由于色心模型所描述的机制引起的。目前认为 掺硼光纤的芯和包层的热应力性质不同，引起芯部的热弹应力，当紫外光曝照时。这种 应力会被松弛，引起折射率的变化。 2 。2 4 改变写入波长 光敏性和光纤光栅的刻写与中心波长在2 4 0 - - 2 5 0 n m 处的紫外吸收峰有关，但是研 究表明采用波长为1 9 3 r i m 的a r f 准分子激光辐射光敏光纤也能在光纤中形成布拉格光 栅 3 7 , 3 8 1 。a l b e r t 等人【3 7 】采用相位掩模法分别以波长为2 4 8 n m 的k r f 激光和1 9 3 n m 的a r f 激光为辐射光源在光纤中刻写出了布拉格光栅。他们发现在类似的激发条件下，以 1 9 3 n m 为写入波长写就的光栅比以2 4 8 n m 写就的光栅具有更高的反射率。这说明用 1 9 3 r i m 准分子激光在锗硅光纤中刻写光纤光栅能够提高光纤光敏性，除了1 9 3 n m a r f 准 分子激光之外，还可以用波长为3 5 l n m 、3 3 4 n m 、1 5 7 r i m 的激光来刻写光纤光栅。 2 3 f b g 的热衰退特性研究 如本论文1 2 节所述，f b g 的反射率在高温环境下会发生消退。甚至会完全消失。 对于某些长期工作在高温环境下的光纤光栅传感器，需要建立理论模型对光栅的热衰退 特性进行分析和预测，从而实现以短期实验准确的预测该光栅在高温下的长期衰退特性 和寿命，然后根据实际需要进行取舍。研究人员已经进行了大量与f b g 的热衰退特性 有关的工作，同时提出了许多理论模型试图对f b g 的热衰退机理进行解释，其中e r d o g a n 等人【3 9 】提出的幂函数( p o w e r - l a w ) 衰退模型和老化曲线( a g h a gc u r v e ) 模型是两个最重 大连理工大学硕士学位论文 要的理论模型。他们运用这两种模型成功的预测了写入掺g e 、e r - g e 共掺石英光纤中的 f b g 在高温下的长期热衰退特性。 2 3 1 幂函数衰退模型 1 9 9 4 年e r d o g a n 等人【3 9 1 首次对光栅的热稳定性进行了研究并建立了一个理论模型， 用于解释写入g e 掺杂和e r - g e 共掺石英光纤中的f b g 的热衰退特性，该模型认为紫外 光致折射率的衰退可以用一个指数远小于1 的时间幂指数函数表示。他们通过一个衰退 机理形象地描述了先快后慢的光栅衰退行为，该衰退机理认为光纤中的载流子在紫外光 刻写光栅的过程中被激发并受陷于一个呈阱式分布的能量宽带之中，而与光栅衰退特性 密切相关的载流子的热释放率则是能量阱深度的函数。采用不同的拟合系数，幂函数衰 退模型能够合理地解释不同光纤的衰退行为。大量的实验研究已经证实了这一模型适合 用于研究写入非载氢光敏光纤中的光栅的衰退行为【3 ”，而不适合描述载氢光纤的热衰 退特性 4 0 , 4 2 。 幂函数衰退模型采用与紫外光致折射率变化成正比的积分耦合常数i c e ( i n t e g r a t e d c o u p l i n gc o n s t a n t ) 来表示光栅的强度，而不是用光栅透射率最小值或反射率峰值来表 示。i c c 由下式定义： i c c = t a n h l ( 1 1 0 ) ( 2 2 ) t m h 为光栅透射率最小值。因此在退火过程中，i c c 值会随着光栅透射率最小值t 。i 。 的增大而减小。为了方便起见，把i c c 按其在t - - 0 时的值进行归一，并表示为t 1 。由于 i c c 值与折射率变化量i i ( t ) 成正比，所以 1 实际上为归一化折射率变化量a n ( 0 a n 。， n 0 为初始光栅折射率调制值。图2 1 给出了e r - g e 共掺石英光纤在温度为3 5 0 c 和5 5 0 下的衰退曲线。 从图中可以明显地看出刚开始光栅衰退得很快，随着时间的延长，衰退速度大大下 降直到趋于平缓。这就意味着 1 随时间呈幂指数衰退，即t 1 可表示为时间的幂指数函数： t i = 丽1 ( 2 3 ) 其中t 为退火时间，t t 为单位因子( 一般取t l = 1 分钟) ，a 和a 皆为依赖于温度 的无量纲量。采用上式对图2 1 中的衰退数据进行拟合可以得到对应温度下a 和a 值。 对多个温度下的数据进行以上拟合可以得到a 、a 和温度t 之间的关系： a = t t o ( 2 4 ) 耐高温光纤光栅传黪器的研究 及 一= 4 e x p ( a d ( 2 5 ) 其中t o 为“与温度t 之间按( 2 4 ) 式进行拟合所得的参数值，和a 为a 与温度 t 之间按( 2 5 ) 式进行拟合所得的参数值。 结合( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 式就可以预测光栅在一定的温度和时间情况下的热 衰退特性。 d 町t i m e r a t a ) 豳2 t 温度分别为3 s o 和5 5 0 c 时，两根光栅按初始值归一化的积分耦合常数随对间变化韵测量 值。图中实线为按( 2 3 ) 式对测量值进行拟台得到的曲线 f i g 2 1m e a s u r e di n t e g r a t e dc o u p l i n gn o r m a l i z e dt os t a r t i n gv a l u ef o rt w og r a t i n g sh e a t e dt o3 5 0 ca n d 5 5 0 c af u n c t i o no f d e c a yt i m e s o l i dl i n e sm 瓶t o e q 昭3 ) 【瑚 幂函数衰退模型能否对光栅衰退数据进行准确的分析，即( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式是 否成立，取决于参数a 、与温度t 的关系，但是很多情况下这两个式子并不成立，因 此幂函数衰退模型的适用范围十分有限。 2 。3 2 老化曲线模型 除了幂函数衰退模型，e r d o g a n 等人【3 9 l 还提出了一种优化模型也就是所谓的老化曲 线模型来预测f b g 的热衰退行为。这种模型类似于描述非晶半导体中的载流子输运模 型。老化曲线的物理机理如图2 2 所示。定义e = 0 为自由电子能量( “导带”能量最低 值) ，在刻写光棚的过程中，载流子被单光子能量约为5 e v 的紫外光激发到能量大于丑 ilu譬冒盛暑s乏 大连理工大学硕士学位论文 的导带中，并受陷于能量呈连续分布的能量阱( t r a p ) ，而不是激发到单一的能量阱中。 光栅的衰退过程也就是载流予从阱中释放并重新占据紫外光照射之前的深能级状态的 o c 纠呶i 硼b 删o 硝d n c t j o nb m d ；仰飞， 州陟 i 1 娜 h 鳓 o n 毛 7 ，脚 r ( b ) 图2 2 老化曲线的物理机理示意图： c a ) 被紫外光激发的电子受陷于一个连续分布的阱中； ( b ) 给定退火温度和时间时，深度较浅的阱( e e d ) 仍 然保持满阱状态。 f i g 2 2d i a g r a mo f t h ep r o p o s e dp h y s i c a lp i c t u r ei nw h i c h ( a ) e l e c t r o n se x c i t e db yu ve x c i t a t i o na r e t r a p p e di nac o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o no f t r a p s ；a n d ( b ) t h e r m a ld e p o p u l a t i o no f t h et r a p sa tag i v e nt i m ea n d t e m p e r a t u r ea p p r o x i m a t e l yc o r r e s p o n d st os h a l l o w e rt r a p s l ( e e d