光纤传感技术用特种光纤基础知识.doc

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1、光纤传感技术用特种光纤基础知识   『摘要』本文较全面地介绍了用于光纤传感器的各种光纤，开发传感器用特种光纤的主要技术途径，制作工艺及传感特性。包括声学敏感光纤、磁敏光纤、低双折射光纤、圆双折射光纤、椭圆双折射光纤、线性双折射光纤、保偏光纤、偏振光纤、稀土离子掺杂光纤及特种材料多组份光纤及光纤光栅等。   1引言   众所周知，光纤传感技术的起步并不比光纤通信滞后，但由于光纤通信给信息技术的发展提供的诱人前景和巨大市场，使得光纤技术的发展主要依从于光纤通信技术的发展。目前几乎已覆盖全球的庞大的光纤通信网，要求光纤有极低的损耗和极小的色散，以满足高速率、大容量、远距离传输的要求。光纤产品对光纤

2、通信的要求几乎是尽善尽美、精益求精地去满足，但对用于传感技术的光纤所投入的力量则小得多。因此早期用于传感器的光纤，大多数是从通信用光纤中选择直接使用或作某些特殊处理（如包层处理后）再使用。这对于某些传感器，如外部传感器或某些简单的内部传感器，已能满足一定的要求。但随着光纤传感技术的发展，在许多情况下，仅仅使用通信光纤是极勉强的。例如，光纤电流传感器中，如果直接使用通信光纤，将有两个致命问题，一是通信用石英光纤的费尔德（Verolet）常数很小；二是为了使光纤环绕被测电流需把光纤绕成线圈，这将使光纤产生弯曲，从而产生很强的线性双折射，其结果是将光纤本来很低的费尔德常数又大大降低（约为原来的1／

3、50）以至无法实际应用。因此，开发各种适合于传感技术要求的光纤是非常必要的。   传感器用光纤一直是光纤技术领域中的一个重要研究课题。归纳起来主要通过以下几个途径开发特殊类型的光纤：   （1）对石英光纤进行某些特殊处理，可以改变光纤的偏振特性或其它预期的传感特性。   （2）对石英光纤在结构设计上进行改造，以改变其偏振特性。   （3）改变光纤的掺杂材料，或在光纤结构中插入金属材料，以使光纤产生新的特性或获得预期的偏振特性。   （4）利用其它材料制成特种光纤，以获得某种特性。   （5）紫外写人光纤光栅。   2特殊处理的石英光纤   2.1对光纤外套进行特殊处理   对包层的特殊处理可

4、以用于声学和磁场、电场、加速场、电流等干涉型光纤传感系统中。它的声学灵敏度是外套材料弹性模量和外套截面积乘积的函数。材料的弹性模量较高时，第二包层的厚度可较薄，反之亦然。磁性材料在磁场的作用下对光纤产生轴向应力，而实现对磁场的传感。   2.2进行热处理的光纤   在磁场和电流光纤传感器中，为了克服缠绕时光纤弯曲产生的线性双折射，一个有效的方法是对光纤进行退火处理。由于线圈直径很小产生很强的内应力。如果不消除，内应力造成的线性双折射将使光纤线圈无法用于磁场电流的传感。退火方法是将光纤线圈与陶瓷线圈骨架一起加热到800℃，保持一段时间后逐渐冷却，则光纤弯曲引起的线性双折射可完全消除，成为低双折

5、射或无双折射的光纤。   2.3拉丝时进行特殊处理的光纤   在光纤拉丝时，采取某些措施可以使光纤成为低双折射的光纤、圆双折射或椭圆双折射光纤，以满足光纤传感器在偏振特性上对光纤的要求。   （1）自旋型光纤：在光纤拉丝时，一边拉丝一边同轴旋转光纤的预制律，可以得到自旋型光纤。预制棒的旋转速度可以控制在每分钟数千转。这样可以使光纤任意方位角的旋转节距非常短。光在这样的光纤中传输时，线性偏振光跟不上双折射轴的这种高速旋转。这对传输模而言，意味着光纤呈圆对称，因此光纤内部的线性双折射和偏振模失2pm。这给光纤的制造和光纤间的耦合带来了困难。但也有好的一面，即光纤的弯曲损耗小，且半导体激光器辐射光

6、斑的形状与椭圆芯相近，因此易于实现与激光器的直接耦合。   （2）蝴蝶结光纤：其结构在靠近光纤芯处有两个扇形应力区，光纤材料为播锗石英玻璃（GeO2／SiO2）。应力区的材料为掺硼（高浓度）石英玻璃，由于掺硼区域周围区域的热压缩不同，因而在光纤中引人很强的内应力。应力的作用使光纤产生线性双折射。在各种线性双折射光纤中，蝴蝶结光纤是双折射最强的光纤，其双折射参数B可达4.8×10－4。为了获得尽可能大的双折射，应当使扇形应力区尽可能接近光纤芯，但也不能过分靠近，否则在包层中将产生消失场，导致光纤损耗增加。这对其它应力双折射光纤也是适用的。   （3）熊猫光纤：熊猫光纤的名称来自于英文缩写PAN

7、DA，其真实含义是偏振保持和吸收还原（Polarization-maintainingandabsorption-reducing）。为了形成线性双折射，需在光纤预制律中，光纤芯区两边对称的位置各钻一个圆孔，并在每个圆孔中各插入一个尺寸相当的掺硼预制律。通常，光纤预制棒是用VAD法制成的，而掺棚的预制律则是用普通的MCVD法制成的。因此熊猫光纤预制棒是～个复合预制棒。然后用普通的方法拉成光纤，光纤冷却后，在掺