（光学工程专业论文）掺杂光纤珐珀传感器的化学制作与传感特性.pdf

摘要 摘要 本课题是国家自然科学重点基金项目( 批准号：6 0 5 3 7 0 4 0 ) “新一代微纳光纤传 感器基础研究”的一部分。导师饶云江教授团队十余年来对光纤珐布里一珀罗干涉 仪( f f p i ) 的基本结构、制作方法、基本特性、解调技术以及实际应用等诸多方 面进行了系统深入的研究，现已渐成体系。利用化学腐蚀方法在掺铒光纤上制作 f f p i 是本课题组的一个新研究课题。相对激光微加工而言，化学腐蚀方法不需要 复杂昂贵的激光器和光学设备，具有操作简单、成本低廉等优点。本文对化学腐 蚀方法制作的f f p i 传感器的应变与温度传感特性进行了实验研究，主要工作和成 果如下： 1 、提出了通过两个步骤制作微型f f p i 传感器的方法。第一步在双氢氟酸 ( b h f ) 即氢氟酸( h f ) 和氟酸氨( n h 。f ) 溶液中腐蚀掺杂光纤，光纤掺杂区域 腐蚀速度更快，形成凹槽：第二步将带凹槽的光纤与普通光纤熔接形成光纤f p 干 涉仪。与激光加工的f p 传感器制作方法相比，双氢氟酸化学腐蚀不需要昂贵的激 光加工设备和掩模板；通过对温度和时间等环境因素的控制，可以进行微米量级 的f f p i 传感器制作，可实现f f p i 传感器的批量加工。经过反复实验，成功在掺 铒与掺硼光纤上制作出了性能良好的微型e f p i 传感器( m e f p l ) 。 2 、对化学腐蚀制作的m f f p i 完成了其应变特性和温度特性的测试。文中还从 理论上分析了f f p ! 的光学干涉特性。应变实验结果表明：f f p i 作为应变传感器， 其应变与干涉条纹极大值波长的变化量呈良好的线性关系，在0 - - 6 0 0 9 e 的范围里， 灵敏度达1 7p m , u e ，线性度为0 9 9 9 8 ，；温度实验中发现m e f p i 在5 0 范围内， 波长移动约o 2n m ，温度灵敏度为3 9p m 。c ，线性度为0 9 9 8 2 。 3 、两个腐蚀过的掺铒光纤熔接形成有源型f p 干涉仪，该传感系统利用掺铒 光纤的放大自发辐射形成光源，又同时利用其来放大f f p i 的干涉信号，所以该传 感系统在大幅度提高传感器信号强度的同时并未提高系统的成本，因此有着较高 的性价比和实用价值。 关键词：光纤珐布里珀罗干涉仪；化学腐蚀：掺杂光纤；应变传感器：温度传感 器 a b s t r a c i a b s t r a c t p r o f r a o ，t h es u p e r v i s o rl n v e n t e dt h ef a b r i c a t i o nm e t h o do faf i b e r - o p t i c f a b r e y p r r o ti n t e r f e r o m e t e r ( f f l p l ) i nf i b e rb y1 5 7 n ml a s e rp u l s e si n2 0 0 6 i nt h ep a s t f e wy e a r s ，t h ef a b r i c a t i o nm e t h o d ，f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，b a s e dc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n sh a v eb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o do fe t c h i n gt h e d o p e df i b e ra n dt h e ns p l i c i n gt h ee t c h e df i b e rw i t ht h es i n g l e m o d ef i b e rt of o r ma n f f p li sr e p o r t e d s u c ham i c r of a b r y p e r o tf i b e r o p t i cs e n s o rc a nb ee a s i l yf a b r i c a t e d w i t hl o wc o s t t h em a i nw o r ki sp r o v i d e da sf o l l o w s ： 1 i nt h i sp a p e lw er e p o r t e df f p if a b r i c a t e db yt w os t e p s f i r s t l yw ee t c h e dt h e d o p e df i b e ri nb h f ( h fa n dn h 4 f ) t of o r mag r o o v e s e c o n d l yw es p l i c e dt h es i n g l e - m o d ef i b e rw i t ht h ed o p e df i b e rw i t ht h eg r o o v e i td o e dn o tn e e dt h ee x p e n s i v el a s e r m i c r o - m a c h i n i n gf a c i l i t i e sa n dm a s k si nl a s e rm i c r o m a c h i n i n g l a r g eq u a n t i t i e so f l o w c o s tm i c r o m e t e rf f p lw e r em a d ee a s i l yb yc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n d t i m e ，e t c 2 t h es t r a i na n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t so ft h ee f p if a b r i c a t e db y b h fe t c h i n gw e r ec a r r i e do u ti nt h e p a p e r f i r s to fa l l ，t h ea u t h o rd e r i v e dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef f p is t r u c t u r ea n di t si n t e r f e r e n c e p r o p e r t i e si nt h e o r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rh a sas t r a i ns e n s i t i v i t yo f1 7p m , u ea n da l i n e a r i t yo f0 9 9 9 8w i t h i nas t r a i nr a n g ef r o m0t o6 0 0 , u e ，a n dat e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y o f3 9p m , u ea n dal i n e a r i t yo f0 9 9 8 2w i t h i nat e m p e r a t u r er a n g ef r o m7 3 t o2 3 ， r e s p e c t i v e l y 3 t w oe t c h e de r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) a r es p l i c e dt of o r mt h ea c t i v ef f p i a n e f p is e n s i n gs y s t e mb a s e do no p t i c a la m p l i f i c a t i o nw h i c hc a ni m p r o v et h ep o w e ro ft h e r e f l e c t i v es p e c t r u mi s d e s i g n e d t h i sf f p is e n o rs y s t e mn o to n l yu s e ds p o n t a n e o u s r a d i a t i o no fe d ft of o r ml i g h ts o u r c eb u ta l s ou s e de d ft oa m p l yt h ei n t e n s i t yo fe f p i s e n s o rs i g n a l ar e l a t i v e l yh i 曲r e f l e c t i v i t yp o w e ri sa c h i e v e dw h i l et h es y s t e mc o s ti s n o ti n c r e a s e d k e y w o r d s ：f i b e r - o p t i cf a b r e y p r o ti n t e r f e r o m e t e r ，c h e m i c a le t c h i n g , d o p e df i b e r , s t r a i ns e n s o r , t e m p e r a t u r es e n s o r l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：缘曼e t 期：矽年f 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 缘星 导师签名：蛙 日期：沙7 年于月27 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分 辨率高、体积小、重量轻等显著优点。因此，近二十年来人们研制出了各种各样 的光纤传感器。光纤干涉传感器作为光纤传感器中极为重要和常用的一类，相对 于其它光纤传感器其主要优点在于分辨率高、动态范围大、精度高以及实现方式 灵活，因此近几年来是一个非常活跃的研究领域l l j ，可应用于复合材料、大型建筑 结构( 如桥梁、大坝、油库等) 、宇航飞行器、飞机等的结构健康监测，以实现光 纤智能结构1 2 1 。对于很多智能结构来 兑，光纤传感器近乎是一种理想的传感器，可 以将其埋入土木结构，其中光纤f p i 的技术受到广泛的关注，是研究和应用最多 的光纤传感器之一。光纤f p i 还广泛应用于应变、温度、位移、压力、折射率、 电压、电流等物理量和化学量的检测1 3 制。 光纤珐珀传感器具有标志性的商业应用和丌发集中在土木建筑结构。大型土 木建筑结构设施在人们的同常社会生活及经济活动中起着巨大的作用，说人们生 活在由它们构成的环境当中，它们本身的安全与否直接关系到人们生命财产的安 全。同时大型结构设施容易受到施工质量、自然灾害或人为因素的影响和破坏。 大型结构设施的安全事故会造成难以估量的生命及财产损失，甚至危害当地的社 会稳定和经济发展。因此，对大型土木建筑结构设施进行状态监测、实现事故预 先报警具有十分重大的社会效益及科学价值。应力是反映结构受力与破坏状况的 关键指标，而应力与应变又是对应的关系，因此对土木建筑结构进行应变测量， 是结构状态监测的主要内容之一1 7 - 1 0 l 。大型土木建筑建筑安全的另外一个重要内 容是火灾的预防和报警，这也是现代建筑具备的功能之一，除了视频监控和烟雾 检测以外，温度检测是建筑安全防火预防和报警的中最直接也是最重要的手段之 一。光纤传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀、耐潮、电绝缘性好、防雷、防爆，体 积小等优点，因而更适用于大型建筑的火灾预防和报警，尤其是在易燃易爆的环 境如石油钻井，原油和成品油、天然气仓库等不能使用电类传感器和高温、或者 电磁干扰大等其他恶劣环境中，如大型变压器。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 光纤珐王自传感器国内外研究现状 1 8 9 7 年，法国科学家珐布里和珀罗发明了具有实用价值的多光束干涉仪，即 珐布里一珀罗干涉仪( f a b r y p e r o ti n t e f f e r o m e t e r , f p l ) l l ，随后人们对传统f p i 进 行了系统、严密的数学分析，并建立了成熟的数学模型。f a b r y p e r o t 干涉仪( f p i ) 有时也被称为f a b r y p e r o t 标准具，由两面反射镜和它们之间的间隙组成。光纤f p i 与传统f p i 的结构原理基本一致，自从1 9 世纪术期问世以来，f p i 被广泛应用于 高精度的分光镜中。直到1 9 8 8 年，l e e 和t a y l o r 制作出本征型光纤珐珀传感器 ( i n t r i n s i cf a b r y ，p e r o tl n l e f f e r o m e t e r ：i f p ! ) i l z j 。1 9 9 1 年，m u r p h y 等人制做成非本 征型光纤珐珀传感器( e x t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ：e f p i ) 1 3 j 。从光纤 f p 的问世之只起，人们陆续开发出了很多光纤f p 传感器，大致来说，根据干涉 腔结构的不同，光纤f p 传感器大致可分为两类：本征型和非本征型。本征型光纤 f p 传感器( i f p i ) 中，两反射面之间的干涉腔由单模光纤构成；而非本征型光纤 f p l 传感器( e f p i ) 中，干涉腔由空气或其它非光纤的固体介质( 如中空的石英玻 璃管) 构成。 光纤珐珀传感器的光源既可采用氦氖激光器又可采用低相干性光源( 如宽带 白光光源) ，其发出的光进入光纤f p l 后形成干涉。以上两类光纤f p i 的本质都是 利用待测量引起腔长的改变，从而使光程差发生变化，再将干涉信号经由探测器 转变为电信号进行处理，求出腔长的变化从而得出待测量的变化i 圳。 光纤珐珀传感器的信号解调原理主要有强度解调和相位解调。强度解调方法 简单，是光纤珐珀传感器研究早期常用的方法。外部参量的变化引起珐珀腔腔长 发生变化，使两束相干光的光程差发生改变，进而引起珐珀传感器输出反射光光 强发生变化，反射输出光强与传感器腔长近似成余弦关系。根据这一余弦对应关 系，可以由传感器反射输出光强信号的大小解调出腔长信息进得到外部参量信息。 相位解调相对复杂但比较精确，是目前较为普遍的方法。目前，国内外见诸报道 的光纤珐珀传感的相位解调算法主要有条纹计数法、快速傅里叶变换( d f r ) 法、 离散腔长( d g t ) 测2 7 j ，其中由于d f t 有快速算法而被广泛采用。 1 9 9 0 年代初期光纤f p i 开始进行商业开发，产生了很多实用的传感器和其它 相关应用。 ( 1 ) 国外研究概况 美国是在建筑应变监控中研究最多的国家，研究与工程技术人员也最多，其 中以佛蒙特大学、t e x a sa & m u n i v e r s i t y 、海军实验研究中心、弗吉尼亚理工学院、 2 第一章绪论 加利佛尼亚州立大学、斯坦福大学的研究较突出。此外英国肯特大学在光纤珐珀 应变传感器的研究上也取得了较多成果。 1 9 9 7 年，在重建加拿大s h e r b r o o k e 市内的j o f f r e 大桥时，布置了e f p i 传感器， 其中e f p i 温度传感器用于监测建桥过程中混凝土凝固过程，e f p i 应变传感器用于 监测大桥的交通负荷和环境状况。加拿大的菲索( f i s o ) 公司开发出了多套光纤f p 应变测量仪，其产品已多次成功用于大坝的应变监测印l 。韩国s a n g y o n g 研究中心 与国家现代科技研究所合作，于1 9 9 7 年在位于汉城市附近的汉江最大跨度的 s u n g s a n 桥上安装了光纤f - p 传感器，达到了0 1 2 a e 的分辨力，并能进行动静态测 试。2 0 0 0 年，l u n ai n n o v a t i o n s 公司在密苏里大学校园里的一座全复合材料高速公 路桥上安装了2 4 个f p 应变传感器和1 个f - p 温度传感器，并进行了荷载动态应 变测试实验，在路面铺装后，共有1 4 个传感器存活，存活率达5 6 1 3 i l 。 ( 2 ) 国内研究概况 我国从9 0 年代初就已经刃= 始了光纤珐珀传感器的研究，先后有天津大学、四 j l i 大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、燕山大学等多家单位进行了大量基础性研 究。 重庆大学的研究小组将光纤珐珀传感器应用在芜湖长江大桥桥梁模型，宜昌 长江大桥环道疲劳试验，以及渝长高速公路的红槽房公路桥的大梁监测中1 3 2 1 。重 庆大学与冈济大学共同研制和歼发的大佛寺长江大桥健康监测系统，将共计4 0 个 光纤f - p 传感器埋入5 个关键截面用以监测主梁应力1 3 3 j 。该项目的完成，在国内 首次实现了光纤f p 应变传感器和光电挠度测量系统的大规模工程应用，初步证 明了光纤应变测量系统光电挠度位移测量系统在桥梁健康监测中的可行性和可靠 性。 2 0 0 7 年3 月，电子科技大学饶云江、冉曾令发明光纤珐珀传感器及其制作 方法的专利，采用激光微加工的方法在各种光纤上制作光纤珐珀传感器，该方 法制作的光纤珐珀传感器具有机械稳定性好、耐高温、光学性能优良等优点【。 1 3 本论文的主要研究内容 光纤珐珀传感器以其结构简单、灵敏度高、长期稳定性好、与光纤兼容等优 点成为光纤传感器家族中十分重要的成员之一，也是光纤传感领域中的研究和应 用热点之一。虽然光纤f p 传感器已取得一些成就，但在实际应用中仍存在以下 几个问题： 3 电子科技大学硕士学位论文 一、制作工艺：传统的制作方法采用人工手动完成，工序复杂，而且难以精 确地控制珐珀腔腔长、端面角度等参数，导致制作工艺重复性差，几乎无法实现 批量生产。而激光微加工的方法虽然制作出可靠性高、重复性好，但是设备复杂 昂贵，制作成本高，并且不能批量生产。 二、信号检测：目前，光纤珐珀传感器都存在的输出信号较弱就是信号较弱 ( 峰值功率为纳瓦以下) ，在实际应用中由于噪声的干扰会使得信噪比较低，给信 号检测增加了较大的难度，这无疑增加了整个传感系统的复杂性和影响了测量精 讳亨 反。 本课题是国家自然科学重点基金项目( 批准号：6 0 5 3 7 0 4 0 ) “新一代微纳光纤传 感器基础研究”的一部分。在该项目的支持下，本文以化学腐蚀方法对掺铒、掺 硼两种不同光纤制作出的封闭型结构微光纤f p 传感器为研究对象，通过对这两 种的光纤f p 传感器的研究，使其成为微纳光纤传感器研究的一个有机部分，为 微纳光纤传感器开展系统的更深入的理论研究奠定坚实的实验基础，具有非常重 要的学术价值。另一方面，通过实验研究可以发现掺铒本身可引入光放大这一独 特的特性，为将来设计出能满足各种不同应用要求、适应于不同应用场合的新型 光纤传感器件提供依据，因而具有十分重要的应用价值。本文具体的研究内容如 下： 一、采用氢氟酸化学腐蚀的方法在掺铒和掺硼光纤上制作出光纤f p 传感器， 该加工技术有助于实现光纤f - p 传感器制作工艺的批量化，解决生产产业化的问 题。 二、利用表面轮廓仪对对腐蚀光纤后的光纤端面形成的凹槽的进行观测和分 析，测量凹槽深度、直径、未腐蚀光纤直径等重要数据参数。 三、对掺杂光纤f p 传感器的应变、温度特性进行了实验研究和定性分析； 并对光放大技术在掺铒光纤f p 传感器中的应用研究。f f p l 传感器的信号极其微 弱，必须较大幅度地增强其干涉信号强度，从而降低对探测系统的要求。本课题 将提出一种大幅度增强干涉信号而基本不增加系统成本的方法。 4 第二章光纤法珀干涉仪的基本原理、分类和制作方法 第二章光纤珐珀干涉仪的基本原理、分类和制作方法 与传统的电传感器相比，光纤传感器具有一系列独特的优点：灵敏度高、响 应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐潮、电绝缘性好、防雷、防爆、便于和光纤 传输系统组成遥测网络等。另外，它结构简单、重量轻、体积小、耗电少。经过 二十多年的发展，光纤传感器在众多领域有了广泛的研究和应用，尤其是它具有 在电传感器无法正常使用的高温、强电磁干扰等各种恶劣条件下工作等一系列优 点，因而迅速成为传感领域的佼佼者，而光纤珐珀传感器光纤珐珀( f a b r y p e r o t ) 干涉传感器利用单根光纤上两个反射面的多光束干涉原理来测量，与光纤麦克尔 逊干涉仪，光纤马赫一曾德干涉仪相比具有体积小，灵敏度高，可靠性好，结构 简单等优点。 2 1 光纤珐珀干涉仪的基本原理 光纤珐珀传感器由光学珐珀干涉仪发展而来，它是由两根端面镀以反射膜、 间距为l 、相互之间严格平行的光学平行平板组成的光学谐振腔。当一束相干光射 入f - p 腔中，一部分光在腔内来回反射、形成光学谐振。在每次反射过程中，都 有少量光分别从两镜面处投射出，且每次投射的光束与前一投射光束的相位差都 恒定。 r 1r 2 p i 匿 藿 j 鍪 1 l p r l 图2 - 1f a b r y - p e r o t 干涉仪 根据多光束干涉原理，光学珐珀腔的反射输出r n , 与透射输出t f p 分别为： 5 电子科技大学硕士学位论文 。尺1 + r 2 2 4 r , r 2c o s 2 未意乏蒜 ( 2 1 ) 。而高 协2 ) r f p 表示被f p i 反射的光功率岛与入射光总功率b 之比，r r e 表示被f p l 透射 的光功率尸r 与入射光总功率b 之比，r j 和飓分别表示两个反射面的反射率表示。 西是干涉仪中光来回传播形成的相位差，可以由下式表示： 小一竺 ( 2 3 ) 西= 一 、j ， 7 a 这里，l 是珐珀干涉仪中两镜片之间的介质的折射率，a 是自由空间中的光波 长，l 是珐珀干涉仪的腔长。 精细度f 是评价f p i 的优点时常用的指标，定义为相邻的两个透射峰的相位 变化与一个透射峰的两边最大值的一半处的两点的相位变化之比，f 可表示为： f = # 4 r o - n ) ( 2 4 ) 这样，在反射镜无损耗的干涉仪中，r = 0 9 时，f = 2 9 8 ；而r 一0 9 9 时， f ；3 1 2 6 。可见反射率对于精细度的影响是很明显的。 当f a b r y p e r o t 干涉仪的反射率较低时，条纹的精细度会受到一定的限制。再 次假设两个反射端面的反射率相等，即尺一r 。= r ：，如果r 1 ，由( 2 1 ) 式和 ( 2 2 ) 式，可以得出： r e e 等2 r ( 1 一c o s b ) z ，尸g1 2 r ( 1 一c o s4 , ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 应当注意到这时( r 1 时) 精细度会急剧降低。实际上，由精细度的定义出发， 利用( 2 4 ) 式，当尺= 0 1 7 2 时，f = 1 ；而r c 吐 s t r a i n l 壕 图5 - 5 掺硼光纤珐珀腔波长移动与应变的关系 掺硼光纤珐布里一珀罗腔的温度特性实验中用光源和接收设备和掺铒光纤温度 实验时候一样，高精度光纤光栅解调仪s i 7 2 0 。光纤珐珀传感头放置在加入热水容 器中，用温度计监控温度，温度从7 0 下降到2 0 ，每5 测量一次，如图 5 4 所示。 2 03 04 05 0 t e m p r a t u r e o c 图5 与掺硼光纤珐珀腔波长移动与温度的关系 5 0 7 0 第五章化学腐蚀掺硼光纤制作法珀腔的方法及传感应用 5l3 化学腐蚀掺硼光纤制作珐珀腔的结果分析与讨论 对比掺铒光纤，掺硼光纤的纤芯腐蚀的速度略快，因而同等条什下腐蚀形成 珐珀腔腔长较长，分析其原因，参照第三章中有关腐蚀原理的理论，类比掺杂玻 璃，依据b r o w n 和k e a n i c o t t 的研究硼硅酸盐玻璃在 i f 溶液中溶解遽率较在b 溶液中快，这是由于b 2 0 3 极易吸湿，其在水中的溶解度大于氧化硅中。由此， 掺杂玻璃的刻蚀过程可以看成二氧化硅与氟化物粒子作用与掺杂氧化物和水作用 过程的综合结果。这一说法是基于如下实验观察：( 1 ) 随着水含量的增加，重掺 杂玻璃的刻蚀速率起初有个增加过程；( 2 ) 随着掺杂浓度的增加，掺杂玻璃在 b h f 溶液中刻蚀速率的城大值向溶液低浓度方向移动。水对b 2 0 3 及 i f 对s i 0 2 的溶解作用的相对大小决定了b 2 0 3 一s i 0 2 玻璃总刻蚀速率的大小。不同掺杂玻璃 刻蚀速率的差异主要与掺杂氧化物在水中溶解度的差异有关唧】。b z 0 3 b ：o ，极易吸 湿，其在水中的溶解度大于二氧化硅中，因为腐蚀速聿较拷铒光纤快脚l 。 5 2 掺锗光纤化学腐蚀的实验 采用和51 同样的方法来腐蚀掺锗光纤 n u f e r n 公司生产的高掺锗光纤) ，腐 蚀实验结果图5 7 ，5 - 8 ，5 - 9 所示； ； 、；簪 _ 7 、1 誓 、 - ， t i f f u 】- 、_ t 图5 - 7 掺锗光纤腐蚀后形成的h 槽的c o n t o u rp l o t 罔 ，霸弼凶 电r 科技大学硕士学位论文 圈 五! 叠曩墨_ 毫盈盛盆翟疆_ - i _ 墨曩：三j 蛋目趟 圈5 - 8 掺锗光纤腐蚀后形成的凹槽的2 dp l o l 图 - l ” 一o - ：0 l - 1 、f n ，t e c ( ) 3 _ d i m e n s i 洲一ii n t e r a c t i d i s i l l 州：= 苫篓： t i t l e ： n t t e ： 旧5 - 9 掺锗光纤腐蚀后形成的凹橹的2 dp l o t 圉 巍慧蚕 第丘章化学腐蚀掺硼光纤制作法珀腔的打法及传感应用 掺锗光纤腐蚀形成的即槽深度为6 “m 、外任1 0 0 肌、内径2 0 ! a m ，凹槽内表 面的丰糙度3 5 0n m ，由于腔k 过短，考虑到其光谱周期远天rs i 7 2 0h 椭波长范 围( 15 1 0n m 一】5 9 0n n l ) ，囡此没有将其熔接。 53 多模光纤化学腐蚀制作光纤珐珀腔 采用和第= 三章同样的腐蚀溶液来腐蚀多模光纤( 康宁公司的6 25 多模l i m 光 纤一实际芯径6 1 b i n ) ，腐蚀条件为室温2 5 摄氏度，时川为4 0 分钟。腐蚀实验结 果如图5 1 0 ，5 一，5 一1 2 所h i ： 匿 |i “矗x 壹b 葛芝蛊苜2 翟罐强臻翟薹盏趣i - 盔_ 一口盘幽 围5 - 1 0 多模光纤腐蚀后形成的凹槽的c o n t o u r p l o t 图 多模光纤腐蚀已经有a n b ow a n g 等人做过实验，本实验的目的是验证和比较 其实验结果。多模光纤腐蚀彤成的凹槽深度为25p m 、外径9 0u m 、内径6 1 , u r n ， 由圈5 1 1 可知，凹槽为u 型。凹槽厚度仅为2 8l i l t l 。因此在熔接形成珐珀腔后结 果不如掺铒掺硼光纤的珐珀腔结构坚固，而且在熔接过程中，由于熔接机拉力测 试的原因，珐珀腔将被拉仲，其腔长将有所增加。图5 1 2 是多模光纤腐蚀形成凹 槽后熔接形成的珐珀腔的显微照片，图5 1 4 是用s i 7 2 0 测得的其反射光谱。其条 纹对比度小于5d b 。 一露_圈，一 ： 器 k c c o “ 田 i 图5 1 l 多横光纤腐蚀后形成的凹槽的2 dp l o t 用 阁5 - 12 多模光 f 麂蚀后形成的凹惰的2 dp l o a 斟 5 4 鬻 第五帝化学腐蚀掺硼光纤制作法珀腔的方法及传感应用 图5 1 3 多模光纤珐珀腔 1 5 1 0 1 5 2 01 5 3 。1 5 4 01 5 5 91 5 6 01 5 7 01 5 8 01 5 9 0 w a v e l e n g t h n _ 圈5 1 4 多模光纤珐珀腔的反射谙 5 4 单模光纤化学腐蚀的实验 采用和第三章同样的腐蚀溶液来腐蚀单模光纤( 康宁公司的s m f 2 8 e ) ，腐蚀 条件为室温2 5 摄氏度，时间为4 0 分钟。腐蚀实验结果如图5 - 15 5 - 1 6 ，5 - 1 7 所 水。单模光纤腐蚀形成的凹槽深度为3 p m 、外径8 2 i t m 、内径1 3p m ，凹槽内裘面 的粗糙度1 8 0n m ，由于腔长过短，并且腔壁厚度6 9 p m ，结构。簪周，熔接后也未被 十种 ，腕k 不会增加，熔接后未能在s i 7 2 0i - 行到干涉谱线的波峰和波谷。 电子科技大学硕士学位论文 【：3 3 d o 删：胜f ，4 h ! j j l 一 。 1c、o【1 0 1 、k 、】 s u m a c ed a t a ， i - 、 | | 1 1 i h 、ik 阁5 - 1 5 单模光纤腐蚀后形成的凹槽的c o n t o u r p l m i 至i # n 、p t 、j c 1 圈 l 警_ 。_ ， + r i 塞差 匿翼 二，一一一l 等喏 昔 圈5 1 6 单模光纤腐蚀后形成的凹漕的2 dp l o t 图 二蚓剐_罔l 蓬 4i 第五章化学腐蚀掺硼光纤制作法珀腔的方法及传感应用 ，u 。1 ，j _ m 1 7r i j 、# c ( o 3 - i ) i m e n s i i n l c i i 、ed i s p i 黑= 1 ：嚣 i i t l e ： 、l “r ： 图5 - 1 7 单模光纤腐蚀后形成的凹槽的3 dp l o t 图 55 本章小结 本章利用化学腐蚀方法在掺跚光纤i 作微型光纤珐布里珀罗腔，和化学腐蚀 掺铒光纤制作微型光纤珐布里- 珀罗腔类似，该方法具有操作简单，具有较高的 加工效率和较低的制作成本。该方法制作的传感器用f 应变和温度的测量，具有 较高的灵敏度和较好的线性度。与腐蚀掺铒光纤制作的光纤珐珀腔相比，掺硼光 纤其腐蚀凹槽的表面租糙度稍高，制作的珐珀腔腔长较长，但其干涉条纹的对比 度较低腔的稳定性也小如掺铒光纤珐珀腔。 此外还做了掺锗光纤、多模光纤和单模光纤的化学腐蚀实验其中多模光纤 由于其结构特点可以制作形成光纤珐珀腔；而掺锗和单模光纤未能形成光纤珐珀 腔，其原因是掺杂物质的组成成分和掺杂浓度过低。通过多种光纤的化学腐蚀试 验，有助于选择种类合适的光纤制作珐珀腔。 电子科技大学硕士学位论文 第六章全文总结 利用化学腐蚀方法在高掺杂光纤上制作光纤珐珀传感器是导师饶云江教授提 出的，在饶老师的悉心指导下，作者在原有普通单模和多模光纤腐蚀制作珐珀腔 的基础上，本文先用氢氟酸和氟酸氨溶液腐蚀，形成凹槽，然后将带凹槽的掺杂 光纤与普通光纤熔接形成珐珀腔。本文对这种掺杂光纤珐珀腔的部分特性进行了 实验研究，主要工作总结如下： 1 、报道了在掺铒光纤上用氢氟酸和氟酸氨溶液腐蚀制作珐珀腔的方法。利用 表面轮廓仪分析了化学腐蚀掺杂光纤后形成凹槽的轮廓数据，发现其凹槽内表面 平均粗糙度与机械切割刀切割光纤的表面平均粗糙度接近，反射率也接近，这是 形成光纤珐珀腔的基本条件之一。 2 、对用氢氟酸和氟酸氨溶液腐蚀制作的掺杂光纤珐珀腔的基础特性( 应变和 温度) 进行了系统实验研究和分析，经过比较，发现其应变和温度特性与激光微 加工制作的光纤珐珀腔的相应特性规律基本一致。 3 、研究了基于光放大的掺铒光纤珐珀传感系统的应变传感特性，加入9 8 0 n m 泵浦后，掺铒光纤的放大自发辐射形成了宽带光源，在不增加系统成本的同时， 提高了干涉信号幅度和信噪比。 4 、报道了在在掺硼光纤上用氢氟酸和氟酸氨溶液腐蚀制作珐珀腔的方法，分 析了与掺铒光纤上制作的珐珀腔的不同点及其原因。 不足之处和展望： 利用化学腐蚀方法在高掺杂光纤制作光纤珐珀传感器，由于包层同时被腐蚀， 因此制作的珐珀腔腔长有限，这也是该方法的局限性，使得该方法制作珐珀腔的 应用收到极大限制，如何将包层隔离，使之不被腐蚀，增加腔长，这是我们下一 步将要进行的工作。 5 8 致谢 致谢 在此论文完成之际，我首先要感谢的是我的导师饶云江教授。三年来，导师 在学习和生活等各个方面给予了我无微不至的关心、支持和帮助。导师不但为我 们创造了优越的学习环境和一流的实验条件，还为我们营造出良好的学术氛围， 以及提供难得的学术交流机会。学生的每一次进步都离不开老师的辛勤指导，学 生今天所有的成绩都浸透着老师的心血和汗水。导师严谨的治学态度，强烈的创 新精神、对科学始终如一的执着追求以及正直坦荡的为人风范将会是我未来人生 道路上的楷模。在此，我向饶老师表示最衷心的感谢和最崇高的敬意! 在攻读硕士学位期间，我还得到了冉曾令老师的悉心指导，衷心感谢他给予 我的关心和帮助。龚元老师耐心仔细地审查毕业论文的格式和内容。张健、管锡 乐合作完成了论文中的部分实验，并时常讨论交流，让我获益良多，在此致以衷 心的感谢! 此外，我还要感谢光纤技术实验室罗俊、熊森、罗力伟、李立、岳剑 锋、蒋琪、谷彦菊及保研的汤伟锋、邓坤等同学给予的支持和帮助，谢谢你们! 同时，我还要感谢我的家人，是他们的关怀和支持帮助我顺利地完成学业! 最后，再次向所有关心帮助过我的亲人、老师、同学和朋友致以深深的谢意1 5 9 电子科技大学硕士学位论文 参考文献 f l 】黄尚廉，陈伟民，饶云江，朱永，符欲梅光纤应变传感器及其在结构健康监测中的应用 测控技术，2 0 0 4 ，2 3 ( 5 ) ：1 - 4 【2 】d a j a c k s o n , p r o g r e s si no p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t r yi no p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g y , k t vg r a t t a na n db t m e g g i t t ，e d s ( c h a p m a n & h a l l ，l o n d o n , 19 9 8 ) , p p 16 7 - 2 0 6 【3 】饶云江，曾祥楷，朱永等非本征型珐布里珀罗干涉仪光纤布拉格光栅应变一温度传感器 及其应用光学学报，2 0 0 2 ，2 2 ( 1 ) ：8 5 - - - 8 8 【4 】j w p a r k ，c y r y u , h k k a n g d e t e 商o no fb u c k l i n ga n dc r a c kg r o w t hi nt h ed e l a m i n a t e d c o m p o s i t e su s i n gf i b e ro p t i cs e n s o r j o u r n a lo f c o m p o s i t em a t e r i a l s ，2 0 0 0 3 4 ( 1 9 ) ：1 6 0 2 1 6 2 3 【5 】je l s t e r , m j o n e s ，me v a n s o p t i c a lf i b e re x t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t r i c - b a s e d b i o s e n s o r s p r oo fs p l e ，2 0 0 0 ，3 9 1l ：1 0 5 11 2 【6 】吕涛，刘德森基于非本征f - p 腔光纤液位传感器研究光子学报，2 0 0 7 ，3 6 ( 4 ) ：6 9 0 - 6 9 3 【7 】hk a n g ，dk a l l g ! lhb a n g m o n i t o r i n go fc o m p o s i t e l a m i n a t e su s i n gf i b e ro p t i cs e n s o l s s m a r t m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ，2 0 0 2 ，l l ( 2 ) ：2 7 9 2 8 7 【8 】b k w o n , c gk i m ，c s h o n g s i m u l t a n e o u ss e n s i n go ft h es t r a i na n dp o i n t so ff a i l u r ei n c o m p o s i t e b e a m sw i t ha ne m b e d d e df i b e ro p t i cm i c h e l s o ns e n s o r c o m p o s i t e ss c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , 1 9 9 7 ，5 7 ：1 6 3 9 1 6 5 1 【9 】k a m u r p h y , c a s e h m i d , t a t r a n 1 ) e l a m i n a t i o nd e t e c t i o n i nc o m p o s i t eu s i n go p t i c a lf i b e r t e c h n i q u e s s p i e ：s m a r ts e n s i n g ，p r o c e s s i n g ，a n di n s t n t m e n t a t i o n ，1 9 9 4 ，2 ( 1 9 1 ) ：2 2 7 2 3 1 【lo 】tt r a n ，a g r e e n e , j ，m u r p h y e f p im a n u f a c t u r i n gi m p r o v e m e n t sf o re n h a n c e dp e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t y s p i e ：s m a r ts t r u c t u r e sa n dm a t e r i a l s ：i n d u s t r i a la n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n so f s m a r ts t r u c t u r e st e c h n o l o g i e s ，19 9 5 ，2 4 4 7 ：312 3 2 3 【l l 】c f a b r ya n d a p e r o t ，a n n ，c h e m p h y s 1 8 9 9 ，1 6 ，p p 1 1 5 f 1 2 】c e l e e , h et a y l o r i n t e r f e r o m e t r i eo p t i c a lf i b e r $ e u s o r su s i n gi n t e r n a lm i n o r s e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，1 9 8 8 ，2 4 ( 4 ) ：1 9 3 1 9 4 【l3 】c c h a n g , j s s k i d sa b s o l u t ep h a s em e a s u r e m e n tm t he x t r i n s i cf - po p t i c a lf i b e rs e n s o r , 1 9 9 6 ， 2 8 3 9 ：l l1 1 2 1 fl4 】pa l e i l a b a d ya n dm c o r k e , a l l f i b e r - o p t i cr e m o t es e n s i n go ft e m p e r a t u r ee m p l o y i n g i n t e r f e r o m e t r i ct e c h n i q u e s ，o p t l e t ( 1 9 8 7 ，1 2 ，p p 7 7 3 6 0 参考文献 【l5 】f f a r a h i ，t p n e w s o n ，pa l e i l a b a d y , j d c j o n e s ，a n dd a j a c k s o n ，am u l t i p l c x e d r e m o t e f i b e ro p t i cf a b r y p e r o ts e n s i n gs y s t e m ，i n t j o p t o e