光纤传感技术用特种光纤基础知识

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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，石英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，光束质量分析仪光纤电流传感器中，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 ／ 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，中医科研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 。中医治未病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 PANDA ，其真实含义是偏振保持和吸收还原（ Polarization-maintaining and absorption-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，在掺棚的预制律中产生对称于光纤芯的扇形应力区，使熊猫光纤成为线性双折射光纤。
3.2 偏振光纤
    偏振光纤是以另一种方式工作的特殊光纤。其特点是在光纤中引人一种强衰减。但光纤中的两个正交偏振模中只有一个模受到衰减，而另一个模仍以极低的损耗在光纤中传输。因此即使互相垂直的两个偏振模同时注入光纤，由于其中一个模衰减很快，因此光纤输出端只有一个线性偏振模输出。与保偏光纤相比，偏振光纤可以提高注人光的消光比，具有起偏作用，因此偏振光纤的输出光与输入光相比可以具有很高的消光比。而保偏光纤在理论上只能保持往火光的偏振态，输出光的消光比不会高于注入光的消光比。偏振光纤的工作原理是迅衰场原理，使某一个偏振模迅速衰减的光纤结构有如下两种。
1 ） D 形截面光纤： D 形截面光纤是将单模光纤预制律沿轴向的一侧进行研磨去掉一部分包层。直至被研磨的平面接近光纤芯使预制棒的形状半圆形（形），然后进行抛光。拉丝过程中适当控制温度，使光纤截面仍保持 D 形。同时高温火焰中的拉丝对 D 平面（即抛光平面）进一起火焰抛光作用，使 D 平面成为极其光滑的低散射表面。用这种方法拉制出的 D 形截面光纤，可以使光纤中与光滑平面相平行的偏振光不受衰减，但垂直于光滑平面的偏振光迅速衰减，成为只有单一偏振输出的偏振光纤。通过适当控制预制律材料被磨去的厚度，也即调整光滑平面到光纤芯的距离，可以确保迅衰场的衰减最大，而又保证非迅衰场的衰减最小，使偏振光纤获得最大消光比。
2 ）中空截面光纤：这是对 D 形光纤的一种发展和改进。由于 D 形光纤的截面不是完整的圆形，给科学养猪使用带来不便。中空截面光纤是在 D 形光纤预制棒的外面套上一个尺寸相配的套管，形成一个包含 D 形光纤截面和中空截面的复合型预制棒。在对复合预制棒拉丝时，适当控制拉丝温度，使 D 形光纤保持 D 形截面不变，同时又要使 D 形光纤与包层套良好熔接在一起。最后拉制成的光纤截面仍保持的形状，因此称为中空截面光纤。中空截面光纤的优点是可以像普通光纤那样进行处理、切割和连接。