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1、南开大学硕士学位论文光纤CRDS技术及LPFG湿度传感研究姓名：刘亚萍申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：张伟刚20090501第一章绪论第一章绪论1 1 引言吸收光谱技术作为研究物质基本特性的一种方法，具有很长的发展历史。但早期研究由于光源单色性、功率密度及分辨率等方面的原因，吸收光谱技术的应用发展受到了一定程度的限制。直到二十世纪六十年代，随着激光技术的兴起和发展，特别是大功率可调谐激光器的出现为传统吸收光谱技术注入了新的活力，使吸收光谱技术逐步发展成为一项成熟的光谱分析技术，并在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域得到了广泛应用。常用的吸收光
2、谱检测法有腔内吸收探测法、长程吸收探测法、激光诱导荧光方法和共振增强多光子电离方法等，这些方法因其均通过测定光对气体作用前后光频率或光强度的变化来确定气体的成分和浓度导致在测定强光背景下的微弱吸收时即面临信噪比低、测量不够准确的问题。为进一步提高检测速度、灵敏度，扩展应用范围，相关研究领域仍保持活跃并不断有新进展问世。其中，腔衰荡光谱( C R D S ：c a v i t yr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ) 技术就是典型代表之一。作为近二三十年发展起来的一种新型吸收光谱检测技术，C R D S 技术具有极高的灵敏度和分辨率，且不受光源光强波动的
3、影响，适用于微弱吸收光谱的测量，因此得到了广泛的关注和研究。将光纤器件与腔衰荡光谱技术结合起来，可发展成为新型的光纤型腔衰荡系统，用于光纤通信系统的损耗测量、流体检测以及应变、温度等物理量传感，这为腔衰荡光谱技术的应用和光纤传感技术进一步发展开辟了广阔的前景。1 2 光腔衰荡光谱技术概述1 2 1 光腔衰荡光谱技术特点光腔衰荡光谱技术是一种超高灵敏度、高分辨率的吸收光谱测量方法。测量系统建立在由两个高反射镜形成的光学谐振腔之上，测试样品可放置在腔内，第一章绪论进入腔内的激光脉冲由于腔镜的高反射特性将在腔内往返振荡多次，每次发生反射后都有- 4 , 部分光透射出来，其光强按指数规律衰减，衰减速率
4、只取决于腔镜反射率和腔内介质的吸收，因此通过测量光强衰减速率即可获得腔内损耗特性，如腔镜反射率、腔内介质的吸收系数。由于检测量为光强衰减速率，而非光强衰减量，因此它不受光源强度波动的影响，而且光在腔内往返振荡数次，等效吸收光程长，这就大大提高了检测的灵敏度和精度。由于吸收光谱技术基于比尔吸收定律，原理简单、易于精确定量，但除了较长的吸收光程难于达到，微弱的吸收相对于较强的背景光信号难于检测之外，光源的不稳定性，也使吸收光谱方法在进行微弱光谱检测时受到很大的限制。为了克服这些不足而发展起来的各种检测方法，如傅立叶变换吸收光谱、激光诱导荧光、光声光谱、激光腔内光谱等，均因装置复杂、成本高、难于操作
5、，致使其应用范围受到很大限制。光腔衰荡光谱技术则在很大程度上弥补了以往吸收光谱的不足，故它一出现便很受青睐，应用领域及范围亦日趋广泛。其原因一是光在腔内多次反射，等效吸收光程长，因而光腔衰荡光谱具有很高的灵敏度；二是它检测的是腔内光信号的衰减速率，无须标定，也不受光源波动的影响，因此尤其适合微弱吸收测量；三是该技术易于定量测量，而且装置简单、操作容易、适应范围广。1 2 2 光腔衰荡光谱系统光腔衰荡光谱系统一般主要由光源系统、衰荡腔、光电探测器、A D 转换及计算机等后续数据处理设备构成。其中光源可以是脉冲激光器，也可以是连续激光器，连续光经过光强调制或斩波后亦可产生脉冲输出。因此，由此出发可
6、将光腔衰荡光谱系统分为脉冲腔衰荡光谱系统和连续腔衰荡光谱系统。早期腔衰荡光谱系统装置采用脉冲激光源，直接用产生的脉冲光激发衰荡腔，实现腔衰荡光谱检测，此即脉冲腔衰荡光谱技术( P C R D S ) ，其典型装置如图1 1 所示。一般情况下，采用高反射镜R l 和R 2 构成的共焦腔作为衰荡腔，其两侧的棱镜用于光聚焦以实现更好的耦合和模式匹配。高灵敏度的光电探测器接收从衰荡腔透射出来的衰荡光信号，经过数模转换后送到计算机进行后处理。这种系统最突出的优点就是装置结构简单，容易实现。2第一章绪论图1 1 脉冲腔衰荡光谱系统1 9 8 8 年，O K e e f e 等人【1 】采用脉冲染料激光器首
7、次实现了对氧分子吸收光谱的测量。随后在二十世纪九十年代，脉冲腔衰荡光谱作为一种灵敏的探测方法被广泛应用于低损耗测量、原子分子光谱研究、空气质量监测等领域。尽管P C R D S 具有实验装置简单的特点，但是它要求光源功率高，窄脉冲又限制了光谱分辨率，因此在光谱应用领域的进一步发展受到了限制。寻求更高的灵敏度和光谱分辨率的研究促使了连续腔衰荡光谱( C W - C R D S l的诞生【2 ，3 1 ，图1 2 所示为其一般装置示意图。图1 2 连续腔衰荡光谱系统通过光强调制器( A O M ) 将光源发出的连续光调制成一定频率和宽度的脉冲光，经过模式匹配后激发谐振腔，从而实现衰荡信号输出。在调
8、制的过程中3第一章绪论需要借助触发电路将探测器与调制器关联起来，其余信号接收途径与脉冲腔衰荡系统相同。由于连续光源具有很窄的线宽( 州2 ，则会导致包层模式向基模的耦合，降低长周期光纤光栅的谐振峰值损耗。另一方面，通过调制写入长度也可以达到调节谐振峰值损耗的目的。总之为达到适合的谐振峰值，设计时应将以上两种因素同时考虑。图4 1 是根据( 4 7 ) 式计算出的三个不同长周期的光纤光栅透射谱。W a v e l e n g t h ( 姗)图4 1 长周期光纤光栅透射谱其中，实线为x L = 0 4 ，三= 5 0 r a m ；虚线为础= 0 4 ，L = 3 0 m m ：点划线4 5口o
9、_HIl暑1_第四章基于光纤环衰荡的L P F G 湿度传感研究为K L = 0 3 ，L = 5 0 m m 。从图中和公式均可以看出，当也一定时，其光栅的透射率一定，此时光栅长度越长，带宽越窄；当光栅长度一定时，其光栅透射谱的半宽度一定，此时，也越大，光栅的透射率就越大。4 1 2L P F G 的折射率传感特性采用光纤的三层折射率模型，如图3 6 所示。根据在纤芯与包层界面处的电磁场连续条件，可以从基模传播的波动方程中求解基模的传播常数，其本征方程为路嚣端+盟h划1糍1udv(u)w L ( w ) w 2) ( 4 9 ，【_呱( w ) 儿乞峨( 甜)、甜27 L 乞“2w 2 对上
10、式化简，可得到L P o l 模的本征方程为州 y 再三! 竺些! ：y 拓螋( 4 1 0 ) - 1 0 ( v 4 1 6 )K o ( V 4 b )、式中，y = 塑导厢是光纤在波长为兄时的归一化频率；b 是归一化有，一一“ 一效折射率，定义为b = 二g 。 听一绣考虑场的连续性，在纤芯与包层( F 力、包层与空气( 产6 ) 的交界处，利用边界条件可从包层模传播的波动方程得到包层模传播常数的本征方程【8 6 9 0 1 ，即p 2 + 2 x l x 2 ( 去 2 + 愀P v s 2 1 q ”) ( R U 2 “ 剐鑫 2 -H n 一新佛靠) - 去 2= 彳h 一晋妒
11、见一玢卜刃+ 薏n 凡+ 去)式中，第四章基于光纤环衰荡的L P F G 湿度传感研究彳= 帮=口；叼暇 靠吃= a u 2 ，U = a u l甜? = 七2 ，彳一夕2 = 一竹，i = 1 ，2巧i = 口2 幢= 尼2 a 2 ( 砰一力：2 )吃= 6 2 屹= 七2 b 2 ( 2 一惕2 )S 2 1b口22 一 口= 6 2 ( 2 - k 2 伤2 )磊= ( 譬) 2见( ，- ) = 以( 甜：，) M ( “：口) 一以( 甜：口) M ( u 2 r ) ，见毫P ，( 6 )吼( 厂) = 以( u 2 r ) M ( z f 2 口) 一( 口) 0 ( 豁：r
12、) ，吼暮q ，( b )o ( ，) = 以( 甜：，) 机( 甜：口) 一山( 材：口) M ( 甜：，) ，暑气( 恐)4 7盟似堕盥吼燮峨=J |尸R豸一J J考一砰=第四章基于光纤环衰荡的L P F G 湿度传感研究& ( ，) = ( “：，一) 0U ：口) 一( 1 1 2 口) 乞( u 2 r ) ，s ，三s ，( b )其中，Z ，E ，M 分别为y 阶第一类、第二类、第三类变型贝塞尔函数。把己知的光纤参数代入( 4 1 1 ) 式，用图解法可求得包层模的传播常数与光栅周围折射率的关系，然后代入( 4 2 ) 和( 4 3 ) 式可得到光纤光栅透射谱中波长变化与折射率变
13、化的关系曲线【卿。由上面的推论和计算我们知道，纤芯的有效折射率由纤芯的折射率栉。和包层的折射率行2 决定，对周围环境的折射率刀3 不敏感。而包层的有效折射率不仅对即。和胛2 敏感，对刀3 也敏感。利用此特性，在光栅表面涂覆湿敏材料后，环境湿度变化将会引起湿敏材料吸水或者失水，从而改变栅区包层周围湿敏介质的折射率，引起L P F G 频谱变化。由于环境湿度的增加将使包层的有效折射率变大，由( 4 3 ) 式可知，L P F G 的谐振波长将向短波方向平移，这一点将在稍后的实验中得到验证。4 2C 0 2 激光脉冲法写制长周期光纤光栅根据光栅周期的长短，光纤光栅可以分为两大类：布拉格光纤光栅和长周
14、期光纤光栅。其中，光纤布拉格光栅出现的比较早，其写制技术已非常成熟，己经在光纤传感和光纤通信领域得到了广泛应用。随着光纤通信的发展，人们需要具有低插入损耗、弱背向反射的光纤光栅，于是长周期光纤光栅应运而生，而且一问世便得到了普遍的重视。4 2 1 长周期光纤光栅写制方法目前制作长周期光纤光栅的方法有很多，每种方法都能制作出具有不同光谱特性和传感特性的光栅，并且各具特点。目前常用的写入方法有紫外写入法、离子注入法、电弧放电法、腐蚀刻槽法、红外飞秒激光脉冲法、聚焦C 0 2 激光脉冲法等。其中用紫外曝光法写入的长周期光纤光栅，其折射率变化主要发生在光纤纤芯，因此这种光栅结构对外界环境的灵敏度较低；
15、而基于电弧放电法制作的长周期光纤光栅虽然在纤芯和包层均有折射率变化，对外界环境灵敏度较高，但插入损耗高，制作效率低且不灵活；腐蚀刻槽法和机械微弯法制作光4 8第四章基于光纤环衰荡的L P F G 湿度传感研究栅时对光纤造成了物理损伤，且光栅机械强度较差，因而在光纤通信和传感系统中未得到广泛应用。4 2 2 聚焦C 0 2 激光脉冲法聚焦C 0 2 激光脉冲法由D a v i s 于1 9 9 8 年首次提出【9 1 1 ，随后得到了广泛的应用和研究。2 0 0 1 年饶云江在此基础上，提出了用计算机控制高频C 0 2 激光脉冲在普通单模光纤上写制长周期光纤光栅的方法。利用普通通信光纤在1 0
16、，6 朋波长处的强吸收峰，采用中心波长为1 0 6 , u m 的聚焦C 0 2 激光脉冲对光纤沿轴向周期性逐点曝光，导致光纤包层和纤芯折射率及物理结构发生周期性改变，从而形成长周期光纤光栅。该方法的写制机理一般认为是残余应力释放。在光纤的拉制过程中，纤芯比包层冷却得快，以致在纤芯产生残余应力。而这些残余应力可通过弹光效应使纤芯折射率变小。C 0 2 激光脉冲加热光纤产生的局部高温，使得被加热处的残余应力得以释放，以致纤芯折射率增加，从而形成长周期光纤光栅。另一方面，当用高功率C 0 2 激光对光纤进行局部加热并对光纤施以一定的轴向应力，亦可使光纤表面熔融即发生物理形变，从而使光纤的晶格阵列和应力场发生改变，由于弹光效应，该处折射率就会发生变化，进而形成光栅。此外，此法写制L P F G 时折射率的改变量还与光纤的类型，激光脉冲的频率，能量，加热时间等因素有关。目前，还没有一个完整成熟的理论或模型可以解释
