（光学工程专业论文）荧光光纤应变响应特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硬士学位论文 摘要 荧光光纤是指在光纤的纤芯区域中掺杂稀土元素的特种光纤，由于稀土 元素种类很多，在具有稀土元素共性的同时又各有其特性，所以得到了广泛 的研究，近年来在光纤通信及光纤传感领域扮演着愈加重要的角色。其中一 些利用荧光光纤制成的光纤通信器件及光纤传感器已投入应用。 在光纤传感器广泛的应用领域当中，应变测量是最重要的部分之一。而 在应变测量中如何去除温度的影响是光纤传感器设计的重要因素，由于荧光 光纤具有较强的温度敏感性，因而利用荧光传感器进行温度测量成为可选的 方案之一。为了利用荧光光纤温度传感器来进行应变测量中的温度补偿，需 要对荧光光纤的应变响应进行深入研究。 本文利用荧光衰减寿命作为传感参量，在保持系统环境温度不变的条件 下对荧光寿命的应变响应进行了颡l 试。在已有理论分析的基础之上，根据实 验数据对荧光光纤应变响应的特性进行了初步的分析。对荧光光纤光栅的制 备也进行了研究，得到了不同结构荧光光纤光栅的光谱。 关键词：荧光传感器；荧光光纤：荧光光纤光栅：应变响应 哈尔滨工程大学硬士学位论文 a b s t r a c t f l u o r e s c e n c ef i b e r , as p e c i a lk i n do ff i b e rd o p e dw i t hr a r e - e a r t he l e m e n t si n t h ef i b e rc o r e , h a sb e e ni n v e s t i g a t e d 谢a e z ya n dp l a y sa ne v e r - i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei nt h er e c e n ty e a r si nt h ef i e l d so ff i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n df i b e r s c l l s o r s ，b e c a u s eo ft h eu n i q u eq u a l i t i e so fv a r i o u sr a r e - e a r t hd e m e n t sb e s i d e s t h e i rc o n n n o nf e a t u r e s m o r e o v e r , s o m ec o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sa n ds e n s o r s m a d eo f f l u o r e s c e n c ef i b e rh a v ea l r e a d yb e e na p p l i e di np r a c t i c e s t r a i nm e a s u r e m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i b e rs e m m ga p p l i c a t i o n a r e a s i ti sas t i c k m gp o i mt h a te l i m i n a t i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u d u r i n g d e s i g n i n gs e i i s 0 1 暑b e c a u s ef l u o r e s c e n c ef i b e rb e h a v et h es t r o n gs e n s i t i v i t yo f t e m p e r a t u r e , i tb e c a m eac h o i c et om 盼s u r et e m p e r a t u r e t ol 啪t h ef l u o r e s c e n c e f i b e rt oc o m p e n s a t et e m p e r a t u r ei ns t r a i nm e a s u r e m e n t , i ti sn e c e s s a r yt ot e s tt h e c h a r a c t e r i s t i c sso f s t r a i nr e s p o n s eo f t h ef l u o r e s c e n c ef i b e r s t h es t r a i nr e s p o n s eo ft h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m ei st e s t e da tac o n s t a n t t e m p e r a t u r ew i t ht h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m ea st h es e n s i n gp a r a m e t e r b a s e do n e s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ff l u o r e s c e n c ef i b e r ss t r a i n r e s p o n s ei sa n a l y z e dp r e l i m i n a r i l ya c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t a i na d d i t i o n , s o m er e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n eo nf a b r i c a t i o na n ds p e c t r u ma n a l y s i so ft h e f l u o r e s c e n c ef i b e rg r a t i n g s k e yw o r d s ：f l u o r e s c e n c es e n s o r ；, f l u o r e s c e n c ef i b e r ；, f l u o r e s c e n c ef i b e rg r a t i n g ； s t r a i nr e s p o n s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 自1 9 6 6 年华裔科学家高锟博士从理论上证明石英光纤可以实现光信号 传输与通讯的可能性开始，光纤通信就注定会蓬勃发展。其后由于光纤制造 工艺，半导体激光器和光电管生产技术的发展，使得光纤通信成为可能。恰 逢其时，由计算机快速革新造成了互联网的飞速扩张，以及电信和有线电视 业务的迅猛发展对信息传输提出了新的要求，迫切需要更大容量，更加高速 的通信系统。从此，信息时代的信息需求和光纤器件的发展紧密的联系在一 起。 光纤传感是继光纤通信以来光纤器件的又一重要应用领域。随着光纤的 深入研究，人们发现某些光纤易受到诸如温度、压力、电场和磁场等环境因 素的影响，从而导致光强、相位、频率、偏振态和波长等光波量的变化。光 纤无需任何中间级就能把待测量与光纤内的传导光联系起来，可以利用光纤 直接交换信息，从而增添了光纤传感这门新技术。光纤器件种类繁多，能以 高分辨率及可靠性测量许多物理参量。与传统的机电类传感器相比具有很多 优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵 活方便等等。因此其应用范围非常广泛，并且特别适用于恶劣环境中的应用。 世界各先进工业国已开发出百余种光纤传感器，己涉及到国防军事、航空宇 航、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试、自动控制、乃至家庭生活 等各个领域。光纤传感器的应用使以前棘手的监测难题找到了解决办法。 今年来在传感领域中荧光光纤的应用非常活跃，所谓荧光光纤是指掺杂 稀土元素的光纤，由于其在受到合适波长的泵浦光激励后，会发出荧光信号， 并且所激发的荧光信号与外界条件有关，目前荧光光纤己成为光纤通信系统 中重要的有源器件和传感系统中重要的敏感元件，被广泛用于制作各种光纤 放大器、光纤激光器、超荧光光源”，、光纤传感器等，在应变、温度测量领 域m 、医药化学检测”，等方面有着广泛的应用。在实际应用荧光光纤传感器测 啥尔滨工程大学硕士学位论文 量各种不同参量时，很多因素会使得荧光光纤产生应变，从而影响到测量结 果，尤其是一些对精度要求较高的测量，这种影响更是不能忽略。本文主要 讨论了荧光光纤应交响应的物理起源及特性，并从实验上加以验证。 下面分别就荧光光纤传感器的应用领域，光纤应变传感器的种类、研究 现状和发展趋势及课题研究的意义等方面进行探讨。 1 1 荧光光纤的结构及制备工艺 。 早在1 8 世纪7 0 年代，人们通过观察光线能沿着酒桶冒出的细酒流传输， 知道了光从细的电介质棒的一端与中心轴成一定角度入射时，由于介质与空 气折射率的差异，使光在棒与空气的界面上能反复的进行全反射向前传输。 1 8 4 1 年，瑞士的d a n i e lc o l l a d o n 第一次阐述通过喷射水柱传导光束的思想。 接着，他在跨过桌子的水流中通过一束光束实现了通过全反射来实现光在水 流中的传播，开创了通过光传输信息的原始思想。1 8 8 0 年，工程师w i l l i a m w h e e l e r 把电灯的灯光通过一系列的玻璃管把整个房间照亮。1 9 6 5 年英国的 c h a r l e sk a o 和g e o r g eh o c k h a m 提出了玻璃套圈的光纤设想。1 9 7 0 年美国的 c o m i n gg l a s sw o r k s 使用纯净石英制成了光纤衰减逐渐从1 0 0 0 d b k m 降低到 2 0 d b k m 。现在0 2 0 d b k m 衰减性能的单模光纤非常普遍。从7 0 年代初开始， 大多数的长距离电信网络多半由光纤构成。光纤每秒可以传输数百亿比特 ( b i t s ) 到数十公里以外。光纤目前被广泛应用于局域网主干并将会发展到 达桌面的应用。光纤是高透明电介质材料制成的非常细( 外径约为1 2 5um 2 0 0 “m ) 的低损耗导光纤维具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功 能也具有传感功能。光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材 料( 如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等) 制成，纤芯的外面是包层用 折射率相对纤芯较低的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。光纤的导光能力 取决于纤芯和包层的性能。在光纤的外面是一次被覆层，其目的是防止光纤 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表面受损并保持光纤强度。它由可塑硅树脂制成，厚度为1 0 0p 1 5 0um 。 一次被覆层之外是缓冲层，外径4 0 0um 。目的在于防止光纤因一次被覆层不 均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。为了保护一次被覆层和缓 冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。其材料的杨氏系数应比一次被覆层大， 且要具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径为0 9 咖。目前应用最广 泛的是石英玻璃光纤，石英玻璃光纤以二氧化硅( s t 为主要原料，并按不同 的掺杂量来控制纤芯和多组分玻璃光纤的折射率。包层中掺加氟素来降低折 射率，纤芯中掺加二氧化锗提高折射率。 如果在光纤的纤芯中掺杂饵( e r ) 、钕( n d ) 、镱( y b ) 、铥( t m ) 、镨( p r ) 等稀土族元素的光纤称为掺稀士光纤或荧光光纤。掺稀土元素石英光纤的制 作，有液相掺杂和气相掺杂两种方法m 。目前常用的是液相掺杂法中的m c 、，d 工艺( 如图i i 所示) 加液相掺杂工艺，其工艺简述如下： ( 1 ) 由高纯氧的携带，将反应原料s i c i ，g e c l bp o c l a 置入反应管，在氢 氧焰提供的高温区的均匀移动过程中，原料沉积在石英管内壁，形成内包层； ( 2 ) 降低火焰温度，反应管内壁沉积一层疏松多孔的硅芯层，取下并浸入 含有一定浓度的稀土卤化物溶液中浸泡1 2 小时： ( 3 ) 重新置于m c v d 车床上，由氢氧焰脱水干燥，高温烧结成石英棒，拉 丝，测试； ( 4 ) 光纤预制棒的拉丝，性能测试。 如 s i c l i g e c l i p 0 0 4 o 啊呜b 础锄知施 图1 1m c v d 工艺示意图 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 8 5 年英国的索斯安普顿( s o u r t h a m p t o n ) 大学的佩恩( p a y n e ) 等首先发 现荧光光纤有激光振荡和光放大的现象。现在已经实用的1 5 5 0 h me d f a 就是 利用掺铒的单模光纤，用激光进行激励得到1 5 5 0 h m 的光信号，在众多领域内 得到了广泛的应用。 1 2 荧光光纤的应用领域 荧光光纤主要指掺杂稀土元素的光纤，这种光纤在受到合适波长的泵浦 光激励后，会发出荧光信号。上述性质使其成为一种非常有效的光放大器件， 目前稀土元素掺杂的荧光光纤的主要应用领域为在光纤通信中广泛使用的各 种光纤放大器，如掺稀土光纤放大器( r d f a ) 以及光纤激光器，超荧光光源 等。 掺稀土光纤放大器的增益介质是掺稀土光纤( r d f ) ，目前，有报道的稀 土掺杂离子为铒，铥，镨，钕，钬等。其中掺铒光纤放大器( e d f a ) 的研究 最为成熟，应用也最为广泛，尤其是c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) 掺铒光纤放大 器的成功应用于密集波分复用( d w d m ) 光通信系统更是成为光通信史上的里 程碑m 。掺铒光纤放大器结构m 如图i 2 所示，在普通g e 0 2 - s i 0 2 传输光纤中包 括一段掺e r ”的荧光光纤，该光纤由半导体激光器泵浦，工作波长通常为 1 4 8 0 h m 或9 8 0 n m ，通过w i ) m 耦合器与传输1 5 5 0 h m 信号的光纤耦合，一起输入 掺铒光纤中，通过受激发射，光信号被放大并通过单向器输出。 图1 2 掺铒光纤放大器 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光纤激光器具有效率高，阀值低，可调谐，稳定性可靠，紧凑小巧，重 量轻和高性价比等众多优点，近年来得到长足的发展。尤其是光纤激光器解 决了传统激光器的泵浦光很难耦合到光纤当中，进而大大降低了光源功率的 问题。一个端面泵浦的光纤激光器基本结构如图1 3 所示。一段掺杂稀土离 子的光纤放置于两反射率经过选择的腔镜问，泵浦光从光纤激光器的左边腔 镜耦合进光纤。这种结构实际上是一个f a b r y - p o r o t 谐振腔，在泵浦波长上 的光子被工作物质所吸收，形成粒子数反转，最后在荧光光纤介质中产生受 激发射，从另一端输出激光。 d o p e d 筋口 l a s m - _ _ _ - c = = = = 强a r 皇t 醴 p l 地警l 移 图1 3 一个端面泵浦的光纤激光器基本结构图 图i 4 掺铒超辐射光源基本结构图 而超荧光光源的研究主要是由于在众多光纤传感器和光纤探测器中，一 般都需要时间相干性低的宽带光源m ，目前商用的宽带光源多为超发光二极 5 昌 哈尔滨工程大学硬士学位论文 管( s l d ) ，但s l d 的寿命较短，波长稳定性差，输出功率低，并且由于空间 相干性差，与单模光纤的耦合也受到了限制n ”。与s l d 相比，掺稀土元素光 纤中的放大的自发辐射( a s e ) 具有温度稳定性强，荧光谱线宽，输出功率高， 使用寿命长等优点，在光纤传感系统( 如光纤陀螺) 和某些信号处理，医用 光学领域有着广泛的应用。还可以通过在光纤中掺杂不同的稀土元素，方便 的获得众多波段的超荧光输出，以满足各种不同应用的需要。所谓超荧光是 指随着荧光光纤抽运功率的增强，能级间自发辐射逐渐加强，自发辐射的粒 子间相互作用也随之增加“对。当上、下能级粒子数形成反转分布时，在极强 的相互作用下，单个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激 辐射，这种对于自发辐射的放大所产生的辐射称为“放大的自发辐射( a s e ) ”。 当抽运光足够强时，荧光光纤中特定方向上的a s e 将大大加强，这种加强了 的辐射称为“超荧光”掺铒超辐射光源基本结构如图1 4 虚线框以外部分 所示，它包括一个泵浦光源，一段长度合适的掺铒光纤和一个光耦合器。 随着人们对这些光纤器件研究的深入，发现这种荧光光纤的荧光强度， 荧光寿命，双波长荧光强度比等参数随温度，环境特性等因素变化，开始利 用荧光光纤制作各种传感器，如温度传感器“一、p h 值测量等化学传感器、 气体浓度传感器一、液面传感器w ( 如图1 5 所示) 等。其中荧光光纤温度 传感器由于其不受泵浦光源强度波动的影响，适于进行高温探测，可以与普 通光纤良好连接以及可以与光纤放大器件联合使用等一系列优点，受到人们 的关注和广泛研究，是目前荧光光纤传感器的主要应用领域。荧光光纤温度 传感器分为传光型和功能型两种。传光型荧光光纤温度传感器采用荧光材料 粘接或涂敷在光纤端头或被测物体表面作为敏感部分；功能型荧光光纤温度 传感器是在光纤中掺杂一定浓度的稀土元素作为敏感部分。根据对荧光信号 处理方式的不同，荧光光纤温度传感器可分为荧光强度型和荧光寿命型。主 要利用荧光强度、双波长强度比以及荧光寿命等作为传感参量，制成各种不 同机理的温度测量系统。其中利用荧光寿命作为传感参量的测量方法由于具 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有不受泵浦光强影响，可分析的参量多等优点，成为一种非常有效的研究方 案。 图1 5 荧光液面传感器系统图 目前国外已经开始光纤荧光传感器的实用化研究，将其应用于冶金，电 力，飞机制造等领域m w ，并进行了荧光光纤的混凝土埋设实验“1 。 1 3 光纤应变传感器简述 1 3 1 光纤应变传感器应用意义及种类 光纤应变传感器是利用光纤在外力作用下会产生变形，使光的传输特性 ( 如光强度，波长，偏振态等) 发生变化的特点，通过探测器进行光特性检 测实现应变检测的一种仪器装置m 。1 9 7 8 年b u t t e r 首次将光纤传感技术引入 应变测量以来，由于其独特的优点( 结构简单，体积小，重量轻，灵敏度高， 抗电磁干扰等) ，受到高度重视。 应变是工程结构设计中的主要依据指标之一，在工程结构安全检测中应 变是重要的检测项目。传统的土木工程设计中的应变澳l 试一般采用电阻应变 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 片及钢弦应变计的方法。基于将机械量转换成电量。凡受力物体均会产生应 变，对于混凝土结构的承重体系，当其应力达到一定值时，或作为水工结构， 除受力以外，温度达到一定值时，均会造成结构的开裂或破坏。所以对一些 大型的，重要的建筑结构( 如：水坝，核电站的压力容器，道路桥梁的受力 部位等) ，除进行必要的理论分析外，还应进行现场的物理力学量测试。电 阻应变片因其简单便宜在结构测试中获得广泛应用，但是其寿命与温漂问题 难以解决，因此很难应用于长期在线应变监测。钢弦应变计虽然可以应用于 长期应变监测，但是由于尺寸及体积过大，抗电磁干扰性能低，不能应用在 航空航天结构及军事装备中，目前只在土木工程结构应变监测中有所应用。 而利用光纤传感器进行应变测量不会涉及这些不利因素，光纤应变传感器以 其对外界环境的变化敏感，质轻径细，抗电磁干扰能力强，耐腐蚀，能实现 绝对测量，稳定性好，容易复用，能埋入工程结构等特点，所以得到日益广 泛的重视与应用。 光纤应交传感器可从光纤的作用，信号调制方式及被测对象等不同角度 分类w 。 从光纤作用角度可分为非功能型和功能型传感器。非功能型传感器中光 纤仅起到传光的作用：而功能型传感器中光纤既起到传光的作用又起到传感 的作用。目前开发的高精度，高分辨率及结构小型化的传感器多以功能型传 感器为主。若从光信号调制方式角度分类，则有光强调制型，相位调制型及 偏振调制型。其中光强调制型在一般工程测量中因结构简单，测量范围大而 应用较广。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度，稳定性及小型化的 要求越来越高。因此相位调制型是目前研究和开发的主要对象。光强调制型 光纤应变传感器常用的类型有微弯型和蚀刻光纤型。相位调制型光纤应变传 感器主要有迈克尔逊干涉型光纤应变传感器；马赫一曾德光纤应变传感器； 法布里一珀罗光纤应变传感器：布拉格光栅型光纤应变传感器和模间干涉型 光纤应变传感器。 置 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 3 2 光纤应变传感器的研究现状及发展趋势 近年来光纤应变传感器的发展非常迅速，下面首先就上述光纤应变传感 器分别简单阐述其特点与研究现状： 光强调制型光纤应变传感器具有结构简单，易于实现等优点。常用的类 型有微弯型mw 和蚀刻光纤型”一目前，光强调制型传感器的最大测量范围 为3 0 0 0 p z * l ，最高分辨率为2 5 p s 。 迈克尔逊干涉型光纤应变传感器目前最大的测量范围达1 5 0 0 肛，最高 分辨率达2 嶂。但这种传感器制作的难题是保证光源发出的光经分光镜进入 迈克尔逊干涉系统后的强度要相等。 马赫一曾德光纤应变传感器于8 0 年代被广泛研究。其最大测量范围达 1 2 0 0 p z ，最高分辨率达2 p e i - , 。但是存在两个缺点，其一是它所用结构的光纤 较多，系统使用及安装都比较繁琐；其二是它需要一参考臂，而一般情况下 它不和测量光纤安装在同一位置，导致测量的不稳定。9 0 年代随着研究的不 断深入，利用光在双折射单模光纤的快慢轴上传输速度不同的原理，人们对 马赫一曾德光纤应变传感器进行了改进。将其灵敏度提高了6 倍。但同时也 增加了系统的复杂度和造价。 法布里一珀罗光纤应变传感器的特点是采用单根光纤利用多束光干涉来 检测应变。它避免了迈克尔逊干涉型光纤应变传感器和马赫一曾德光纤应变 传感器都需要两根光纤配对的问题。因此，这种传感器从8 0 年代诞生至今一 直是主要的开发和研究对象m 一。近年来出现了双法布里一珀罗腔应变测量技 术w ，它可以方便的测量加载方向，具有实用价值。并且在光源选择上由气 体激光器向半导体激光器及白光转变，从而使法布里一珀罗干涉应变传感器 既减少体积又减少成本。但是这类应变传感器的缺点是制作工艺难度较大。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， 输入光谱 l r 反射光谱 2 一工- 透射光谱 图1 6 布拉格光纤光栅原理示意图 图中；如布拉格耦合( 中心) 波长 信号 光纤布拉格光栅的制作与应用是近年来研究的热点。光纤布拉格光栅是 在长度上应用特殊技术制作成纤芯折射率周期变化的一段光纤。当光通过光 栅时，一般来说，除了满足布拉格波长条件的入射光外，其它光波均被滤掉 或泄漏。1 9 7 8 年，h i l l 等人首次发现氩离子激光器的4 8 8 n m 激光在光纤中形 成了稳定的光栅结构m 。但其后的十年里，光纤光栅由于中心波长固定的限 制，并未获得广泛的应用。直到1 9 8 9 年，m e l t z 等人利用全息的方法制成了 波长可控的光纤光栅m 。这样人们就可以利用光纤光栅实现对波长的选择， 过滤，测量等目的，并且当光纤长度产生应变时，布拉格波长随之变化，光 纤光栅在通信与传感两方面均得到了迅速的发展。目前，应用光纤光栅传感 器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔加里附近的b e d d i n g t o n t r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之( 1 9 9 3 年) ，1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤维复合材料筋 上，对桥梁结构进行长期监测。香港的l a u 和苑立波等人已经尝试将光纤光 栅传感器埋入混凝土等工程结构中，对混凝士断裂延伸过程进行测量。日 本东京大学的n t a k e d a 及y o j i 等人将5 2 肛m 小口径光纤埋入复合材料之中， 观察在材料出现裂痕时，光纤光栅反射峰随之的变化规律“”。华南理工大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的任鹏等人以及哈尔滨工业大学的万里冰等人将光纤光栅与应变片、热电偶 等一起贴在钢筋上，并加以适当的保护，再将绑好的钢筋架放入模具中，然 后浇注混凝土，并且严格按照规范标准对混凝土试件进行养护，使之成为钢 筋混凝土梁。实验结果表明光纤光栅传感器的有效性“，。弗吉尼亚t u r n e r f a i r b a n k 公路研究中心和美国海军研究实验室合作研制出了光纤光栅结构 监测系统，这种系统正被安装在几座桥梁的增强混凝土构件中，对应变和车 辆载重进行监测。这种技术可用于铁路、密集交通结构、高速公路、桥架及 机场跑道的监测，还可用于监测交通工具( 包括飞机和轮船以及复合材科制成 的构件和零件) 的结构条件。航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架 飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位，起落架状态、机翼和方向舵 的位置等，所需要使用的传感器超过i 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得 非常重要。光纤光栅传感器只用1 根光纤就可以实现分布式测量，从尺寸小 和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业 对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器 的技术专利m 。使用先进的复合材料来制造航空航天结构( 如机翼部件) 是一 个必然的趋势。与金属材料相比，先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、 强度重量比更好、能够制作复杂的形状，而且抗腐蚀，尤其是很容易在复合 材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传 感系统的实时健康和性能监视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降 低维护成本，从而改善其性能m w 。利用上述原理制成的布拉格光栅型光纤应 变传感器在低频应变扰动下应变的分辨率为0 0 0 6 嶂f 玉，应变的测量范围 与分辨率的比为1 2 5 0 ：l m 。 模间干涉型光纤应变传感器是近几年出现的新型传感器m 它利用光纤 中不同模式的光信号因传播速度不同而产生相位差的原理来实现被测信号的 检测。其特点是仅需要一根光纤，光路简单，对光源的要求不高，但这种传 感器需要的电信号处理电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需的信号m 。 “ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近年来，光纤应变传感器虽然每年都有大量的文章报导，但多数还处于 实验室研究中。随着科学技术的飞速发展，电子与通讯产品向高精度，小型 化发展，对传感器提出了更高的要求。因此光纤应变传感器的发展趋势为： 1 全光纤小型化，使传感头全由光纤构成且只用一根光纤已成为发展趋 势。全光纤传感头的体积小且工作可靠。目前光纤之间的熔接损耗为0 1 d b 左右，这样的损耗不影响传感头的正常工作。但目前光纤之间的粘接技术及 光纤端面抛光，镀膜等相关技术还有待进一步研究。 2 多参量智能化，一个传感器同时测多个参量既减少测量装置的元件， 又提高测量精度，为此近年来多参量传感器的研究备受关注，很有发展前途。 且各种参量的准确分离与提取是其技术关键。 3 高精度实用化，高精度传感器是科学技术发展的需要，实用是研究的 目的。光纤传感器在研究过程中各组成元件都线性理想化，与实际有一定的 差距。为此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实用阶段的基础。 1 4 荧光光纤应变响应的研究意义及现状 、 光纤应变传感器是光纤传感器中最主要的类型，也是目前最为成熟的类 型，但是在使用光纤应变传感器进行应变传感的同时，环境的温度往往是变 化的，并且温度对传感特性的影响很大，导致测量精度下降，也就是所谓的 交叉敏感问题。 一种解决交叉敏感问题的研究方案是在荧光光纤上写入光纤光栅，进行 应交与温度的同时测量m 一，其中主要利用荧光双波长光强比对应变不敏感的 性质进行应变及温度的分离( 1 l - a l ，但这种方法需要昂贵的窄带滤波片，系统的 稳定性也不够理想。 目前人们已经开始利用成本更低，更有效的荧光寿命来代替荧光双波长 强度比的方法进行探测。该方法的理论简述如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将荧光光纤和光纤光栅结合的方法，主要基于荧光光纤激发的荧光寿命 是应变和温度的函数。 r = r ( 8 ，r ) ( 卜1 ) 从目前的研究结果来看，荧光寿命对温度的敏感性比对应变的敏感性要 高很多，将荧光光纤和光纤光栅结合使用后，使用荧光寿命作为光纤荧光传 感器的主要传感参量，布拉格中心波长作为光纤光栅的传感参量，可以得到 唆 = 眨乏 m z ， 从中可以解出 = 眨翁仨 = 志- - k k r 7 ) m s ，k 。k t b k $ k h k dk 。) 、醵b ) 由于荧光寿命对应变敏感性较低，因而上式中的孟0 很小，使得 a = 如靠一k 岛 ( 1 4 ) 的绝对值很大，可以保证式( 1 - - 4 ) 中的系数矩阵不是病态阵，因而能够较 为明显的将双参数进行有效的分离。 目前国际上对于荧光光纤光栅传感特性的研究还刚刚起步，许多技术细 节还很不成熟，并且由于荧光光纤光栅是由荧光光纤和光纤光栅两种光纤器 件构成，目前对于两种器件相互作用的物理机制还不是十分清楚。所以对于 单一荧光光纤应交响应的研究仍显得很有必要，这也是本文将主要阐述的内 容。 目前国内对于这方面的研究进行的很少。国际上主要是英国城市大学 ( c i t yu n i v e r s i t y ) 和澳大利亚维多利亚大学( v i c t o r i au n i v e r s i t y ) 的 p 地f a r r e l l ，s f c o l l i n s ，k t v g r a t t a n 和s a w a d e 等人提出了一些理 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论解释及经验公式”，这部分将在本文的第二章给出详细的说明。 1 5 本课题的研究内容 针对上节中我们的叙述，本课题主要迸行了两个方面的研究：一方面 是荧光光纤光栅这种新型的光子学器件的制各；令一方面是荧光光纤应变响 应特性的研究。 其中荧光光纤光栅的制备部分采用了实验室最新引进的3 c m 相位掩模板 在掺铒光纤上写入光栅，对制备过程中的一些技术细节进行了讨论，并且测 试了不同结构样品的光谱。 对于荧光光纤的应变响应特性，我们通过不同样品采用荧光寿命作为测 量参量得到了大量的数据，在其基础之上进行了初步的理论分析，并且给出 了荧光寿命随应变变化的经验公式。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章荧光光纤理论分析 2 1 荧光光纤的结构 制作通信光纤的基材或衬底材料为石英玻璃，也就是纯的s i o z ( p u r e s i l i c ag l a s s ) 。通常四个氧原子以一个硅原子为中心构成四面体，成为介质 的基本单元，每一个氧原子为相邻两个四面体基本单元所共有。任意小的宏 观体积元都由大量的基本单元构成，但每个单元的取向在一定程度上是随机 的，该介质称为非晶硅，如图2 1 所示的微观结构的不均匀不仅导致了局部 折射率的涨落，引起光的散射，对于我们要讨论的荧光发射过程也将产生重 要的影响。相对于掺杂的材料而言，我们称衬底材料为宿主。 掺杂在荧光光纤中的稀土元素( r a r ee a r t h ) 就是化学元素周期表中镧 系元素一一镧( l a ) 、铈( c e ) 、镨( p r ) 、钕( n d ) 、钷( p ) 、钐( s m ) 、 铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽( t b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒( e r ) ，铥( t m ) 、 镱( y b ) 、镥( l u ) ，以及与镧系的1 5 个元素密切相关的两个元素钪( s c ) 和钇( y ) 共1 7 种元素。三价稀土离子外层电子的排布皆为$ 2 p 6 型，特别是 从镧到镥这些镧系元素都是5 s 2 5 p 6 型。5 s 2 5 p 6 排布的内层有4 f 电子轨道， 从铈( c e ) 开始，电子一个接一个依次填充到4 f 轨道上去，一直到镥( l u ) ， 一共填充了1 4 个电子。共有7 个4 f 轨道，每一个轨道可以容纳2 个电子， 1 4 个电子正好正好把所有轨道填满。稀土元素内层4 f 轨道具有不充满性， 留有填充电子的空位。可以说，这就是它们性质相互类似的根本原因，也是 稀土元素具有其独特性质的根源。 将稀土材料掺杂进宿主光纤材料后，该掺杂元素的发射谱线决定了荧光 光纤的工作原理。其原理将在下一节给出详细的说明。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 光纤原子结构示意图 2 。2 荧光概述及其发光机制 某些化学物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态回到 基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式发射出去即发光，称之为荧光。可 产生荧光的分子或原子在接受能量后引起发光，供能一旦停止，荧光现象随 之消失。由化学反应引起的荧光称为化学荧光，由光激发引起的荧光称为光 致发光。在荧光分析中，又将荧光分为自然荧光和人工荧光两种。自然荧光 又称为一次荧光、自发荧光、自体荧光或原发荧光，是指某些物质不需要经 过处理，当受到激发光照射时就能产生荧光的现象。人工荧光又称为二次荧 光、继发荧光、染色荧光，是指某些物质经过化学处理后，如用荧光材料与 其结合才能被激发产生荧光的现象。 荧光的产生过程包括分子吸收光能、激发及去活化三个步骤。 光的吸收：光通过物质时，某些频率的光会被吸收而使光强度减弱，这 一现象称为物质对光的吸收。原子、分子、或离子具有不连续的、数目有限 的量子化能级，只能吸收与两能级之差相同或为其整数倍的能量。对于光来 说，只能吸收一定频率的光子，即 e e o = h v = k ，a ( 2 一i ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：玩圾光物质的基态能级 e l 吸光物质较高的能级 扣普朗克常数 一光的频率 月- 光的波长 c r _ 一真空中的光速 分子的吸收光谱分为转动、振动和电子光谱三类。 ( 1 ) 纯粹的转动光谱只涉及分子转动能级的改变，不产生振动和电子状 态的改变。转动能级间距很小，吸收光子的波长较长，频率较低。分子转动 能级问的能量差般小于0 0 5 e v ，甚至小到1 旷e v 以下，因此分子转动能级 变化所产生的吸收光谱在远红外区甚至微波区。 ( 2 ) 振动光谱反映了分子转动和振动能级的改变。分子吸收光子后产生 振动能级的跃迁，振动能级改变时，伴有转动能级的改交，吸收峰加宽，谱 线密集，显示出转动能级改变的微细结构，称为“振动一转动”吸收带，或“振 动”吸收。分子振动能级问的能量差一般在0 0 5 e v l e v ，引起这种改变的 光子能量比第一种的高。分子振动能级变化所产生的吸收光谱出现在近红外 区。 ( 3 ) 分子吸收光子后使电子迁跃，产生电子能级的改变，即为电子光谱。 电子能级的变化伴随着振动能级与转动能级的改变，两个电子能级之间的跃 迁不是产生单纯的吸收谱线，而是产生很多相聚不远的谱线所组成的吸收带。 电子能级间的能量差为l e v l o e v 左右，相应于电子运动能级变化所产生的 吸收光谱出现在可见光区和紫外光区。 各种物质具有不同的分子、原子和不同的分子空间结构，即各种物质所 具有的能级数目和能级间的能量差不同，他们吸收光能量的情况也就不同， 每种物质都有其特有的吸收光谱曲线。 t 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 激发：当物质吸收了一定频率的辐射能之后，分子中的电子由原来的基 态跃迁至激发态的不同振动能级，这一过程称为激发。 通常分子里的价电子数目是偶数，若一个价电子的自旋方向正好和另一 价电子的自旋方向相反，则价电子自旋量子数的总和为零，即s = o ，自旋的 多重态i f = 2 5 + i = i ，称这类分子处于单重态，用s 表示。个别物质的分子 正向自旋和反向自旋电子数不相等，两者相差为2 ，此时s = l ，= 2 s + 1 ：3 ， 这类分子处于三重态，用，表示。基态分子和激发态分子都有单重态和三重 态两类。单重态的电子基态( s ) 的分子被激发( s ，& ，) ，而不容易跃迁 到单重态的电子激发态( 正，t 2 ，) 。同样乃专z 或五哼磊容易，7 = 专s 或 s _ 五难。大多数分子在室温下都处于基态的最低振动能级，荧光或磷光的 分子基态都处于单重态，具有最低的电子能。 激发态分子的去活化：处于激发态的分子不稳定，可通过辐射跃迁和非辐 射跃迁等分子内的去活化过程丧失多余的能量而返回基态。 辐射跃迁的去活化过程发生光子的发射，伴随着荧光或磷光现象。非辐 射跃迁的去活化过程，其结果是电子激发能转化为振动能或转动能，包括内 转化、系统间交叉、碰撞振动弛豫等。处于& 电子态以上的某个电子激发单 重态较高振动能级上的分子很快发生振动弛豫，将多余的振动能量传递给介 质而降落到该电子态的最低振动篚级，此后又经由内转化及碰撞振动弛豫而 降落到s 电子态振动能级。 激发单重态间的内转化速度很快，更高激发单重态的寿命很短。处于这 种电子态的激发电子，在辐射跃迁发射之前便内转化及振动弛豫落到s 电子 态的最低振动能级，观察到的荧光现象通常是发生在s 态的最低振动能级的 辐射跃迁。 经热活化提高能量后，某些处于五电子态的分子可以再回到s 电子态， 然后由s 电子态经辐射跃迁而产生荧光，称为迟滞荧光。 下面我们以最常见的荧光光纤铒纤为例来具体介绍其荧光的发光机 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制。掺铒光纤是一种有源光纤，其微观结构是通过在玻璃基质中掺杂一定量 的三价铒离子e r ”而形成的。这种光纤中的e r ”对某些特定波长的光中的光子 非常敏感，会吸收其能量使自身的能级发生变化。此过程就是所谓的激励过 程。 r g n 2 一 瞳 蕊 j 0 9 8i i m 激发态吸收 l ； ! 番辐射跃迁 ， d 9 8 u 廿】1 a 8 啪1 5 蛐 泵浦泵浦 发射 4 k 4 l l 垅 h 。：茎茎薹薹薹茎薹 1 1 5 n 图2 2 铒离子能级图及其精细结构 铒离子能级如图2 2 所示。在近红外和可见区的三价铒离子e r ”的主要 跃迁为4 f 态之间的电子跃迁。其基态为4 五。，对于第三个光通信窗口 ( 1 5 5 0 h m ) 有贡献的亚稳态为4 五，n 。更高的能级则对应于泵浦波长。在这里， 多电子原子的量子态用2 “三，表示，字母毋只凸只岔皿，等等分别代 表l = o ，i ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 等等，每个量子态为2 什i 重简并的。基态和亚 稳态之间的跃迁如图2 3 所示，主要的谱线分别用凡到n 2 代表。发射谱线 见图2 4 。 1 9 船 ：。 5 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r ，u 1 1 j j 器 聪一 。 一 葛 节 二 一 j 。i r 越 骥 靛 爨 图2 3 铒离子基态与亚稳态之间跃迁图 1 4 4 1 5 0 “。， 1 5 61 6 2 波长p m 。 一 图2 4 铒离子发射荧光图 掺杂到光纤衬底介质中去的e r ”随机的处于非晶硅环境之中，在宿主原 子的局域电场中能级发生斯塔克分裂或j a h n t e l l e r 分裂，简并解除，最多 形成2 什1 个量子态；在磁场中每个斯塔克能级又分裂成两个塞曼能级。由 于每个铒离子所处环境和电场具有微小差别，斯塔克能级也会有微量差别， 2 0 1j r_；j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 非晶格子微观的随机分布( 包括其位置及格子的取向) 的结果就是发射谱线 的增宽，为谱线( 或能级的) 非均匀增宽，增宽的幅度随宿主介质的不同而 不同。其次，非晶格子的场的非均匀性又破坏了反演对称性，允许不同量子 态s ，的斯塔克能级之间的跃迁。这些效应的综合效果使能级变成多重 态，又称能级的精细结构，能级间形成了多重的允许跃迁，使荧光光纤在多 波长下工作。斯塔克能级之间的平均问隔为5 0c m - 1 ，基态和亚稳态的能级宽 度大约为3 0 0 4 0 0c m - 。 此外，介质材料的热涨落导致了另一项增宽，该效应对于所有的铒离子 都相同，为均匀增宽。非均匀增宽和均匀增宽机制导致了谱线宽度幅度分别 为2 7 6 0c m - 1 以及8 4 9c m - 1 仃，。我们从宏观的角度进行统计平均，分立的 斯塔克能级变成了连续的能带，两个能带间的跃迁都是允许的。其结果，荧 光光纤具有较大的带宽( 1 5 2 5 n m 1 5 7 0 n m ) ，覆盖了整个c 波段。 保持激发光的波长和强度不变，物质所产生的荧光通过发射单色光照射 到检测器上，扫描发射单色器并检测各波长的关系曲线，即为荧光光谱。荧 光光谱表示荧光物质所发射的荧光在各种波长下的相对强度，可用来鉴别荧 光物质，并可作为荧光测定时选择测定波长或滤光片参数的根据。荧光发射 光谱一般具有以下特征。 ( 1 ) 荧光发射光谱的形状与激发波长无关。原因在于：内转化和碰撞振 动弛豫的速度非常快，分子即使被激发到高于5 的电子态的更高振动能级， 也会很快地丧失多余的能量而衰变到s 电子态的最低振动能级。分子的吸收 光谱可能有几个吸收带，但其荧光光谱却只有一个发射带。由于荧光发射产 生于第一电子激发态的最低振动能级，而与荧光物质分子被激发至哪一个电 子态无关，所以荧光发射光谱的形状通常与激发波长无关。 2 t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 淡长细 图2 5 在硅衬底中掺铒，同时掺铝、磷的发射和吸收光谱“1 ( 2 ) 荧光物质的荧光发射光谱和它的吸收光谱之间存在着“镜像对称” 关系，如图2 5 所示。荧光发射光谱的形成是由激发态分子从第一电子激发 单重态的最低振动能级辐射跃迁至基态的各个不同振动能级所引起的，荧光 光谱的形状与基态中振动能级的分布情况有关。吸收光谱中第一吸收带的形 成是由于基态分子被激发到第一电子激发单重态的各个不同振动能级引起 的，而基态分子在