光纤传感技术性用特殊光纤线基本知识


『引言』文中较全方位地讲解了用以光纤传感器的各种各样光纤线，开发设计感应器用特殊光纤线的首要技术性方式，加工工艺及感测器特点。包含声学材料比较敏感光纤线、磁敏光纤线、低双折射光纤线、圆双折射光纤线、椭圆形双折射光纤线、线形双折射光纤线、保偏光纤、光的偏振光纤线、希土正离子夹杂光纤线及特殊原材料多个份光纤线及光纤光栅等。

1 前言

大家都知道，光纤传感技术性的起点不比光纤通信系统落后，但因为光纤通信系统给信息科技的快速发展带来的诱惑市场前景和极大销售市场，促使光纤线技术应用的发展趋势关键依从于光纤通信系统技术性的发展趋势。现阶段基本上已遮盖世界的巨大的光纤通信系统网，规定光纤线有非常低的消耗和较小的散射，以达到高速传输、大空间、长距离传送的规定。光纤线商品对光纤通信系统的需求基本上是至善至美、精雕细琢地去达到，但对用以传感器技术的光纤线所支出的能力则小得多。因而初期用以感应器的光纤线，大部分是以通信用光纤线中挑选立即应用或作一些特别解决（如绝缘层解决后）再应用。这针对一些感应器，如外界感应器或一些简易的內部感应器，已能达到一定的规定。但伴随着光纤传感技术性的发展趋势，在很多状况下，只是应用通讯光纤线是极凑合的。比如，光纤线电流传感器中，假如立即应用通讯光纤线，将有两个致命性难题，一是通信用石英石光纤线的费尔德（ Verolet ）参量不大；二是以便使光纤线围绕被测电流量需把光纤线绕成电磁线圈，这将使光纤线造成弯折，进而造成较强的线形双折射，其效果是将光纤线原本很低的费尔德参量又大幅度降低（约为以前的 1 ／ 50 ）以致没法具体运用。因而，开发设计各种各样合适于传感器技术规定的光纤线是十分需要的。

感应器用光纤线一直是光纤线技术领域中的一个关键课题研究。具体来说关键经过下面好多个方式开发设计独特种类的光纤线：

1 ）对石英石光纤线开展一些特别解决，能够更改光纤线的光的偏振特点或其他预估的感知特点。

2 ）对石英石光纤线在设计上完成更新改造，以更改其光的偏振特点。

3 ）更改光纤线的掺入原材料，或在光纤线构造中插进金属复合材料，以使光纤线造成新的特点或得到期望的光的偏振特点。

4 ）运用别的资料做成特殊光纤线，以得到某类特点。

5 ）紫外线描写人物光纤光栅。

2 独特处置的石英石光纤线

2.1 对光纤线外衣开展特别解决

对绝缘层的独特加工处理能够用以声学材料和电磁场、静电场、加快场、电流量等干预型光纤传感系统软件中。它的声学材料敏感度是外衣原材料弹性模具和外衣截面相乘的涵数。原材料的抗拉强度较高时，第二绝缘层的薄厚可较薄，相反也是。永磁材料在电磁场的效果下对光纤线造成径向地应力，而达到对电磁场的感测器。

2.2 开展调质处理的光纤线

在电磁场和电流量光纤传感器中，为了更好地摆脱盘绕时光纤线弯折造成的线形双折射，一个合理有效的办法是对光纤线开展退火处理。因为电磁线圈直徑不大造成较强的热应力。如果不清除，热应力导致的线形双折射将使光纤线电磁线圈没法用以电磁场电流量的感测器。淬火方式是将光纤线电磁线圈与瓷器线圈骨架一起加温到 800 ℃ ，维持一段时间后慢慢制冷，则光纤线弯折造成的线形双折射可彻底清除，变成低双折射或无双折射的光纤线。

2.3 金属拉丝时开展特别处置的光纤线

在光纤线金属拉丝时，采用某种对策能够使光纤线变成低双折射的光纤线、圆双折射或椭圆形双折射光纤线，以达到光纤传感器在光的偏振特点上对光纤线的规定。

1 ）磁矩型光纤线：在光纤线金属拉丝时，一边金属拉丝一边同轴线转动光纤线的预制构件律，能够 获得磁矩型光纤线。预制构件棒的转动速率能够调节在每分千余转。那样能够使光纤线随意方向角的转动节径十分短。光在那样的光纤线中传递时，线形偏振光无法跟上双折射轴的这类高速运转。这对传送模来讲，代表着光纤线呈圆对称性，因而光纤线內部的线形双折射和光的偏振模失 2pm 。这给光纤线的生产和光纤线间的藕合产生了艰难。但也是好的一面，即光纤线的弯折耗损小，且半导体材料激光发生器辐射源光点的形态与椭圆形芯相仿，因而便于完成与激光发生器的立即藕合。

2 ）丝带蝴蝶结光纤线：其构造在挨近光纤线芯处有两个扇型地应力区，光纤线原材料为播锗石英玻璃管（ GeO2 ／ SiO2 ）。地应力区的材质为掺硼（浓度较高的）石英玻璃管，因为掺硼地区周边地区的热缩小不一样，因此在光纤线中让人较强的热应力。地应力的功能使光纤线造成线形双折射。在各种各样线形双折射光纤线中，丝带蝴蝶结光纤线是双折射最強的光纤线，其双折射主要参数 B 可以达到 4.8 × 10 － 4 。为了更好地得到尽量大的双折射，理应使扇型地应力区尽量贴近光纤线芯，但也不可以太过挨近，不然在绝缘层里将造成消退场，造成 光纤线耗损提升。这对其他地应力双折射光纤线也是可用的。

3 ）小熊猫光纤线：小熊猫光纤线的名字来自于英文简写 PANDA ，其真正含意是光的偏振维持和消化吸收复原（ PolarizaTIon-maintaining and absorpTIon-reducing ）。为了更好地产生线形双折射，需要在光纤线预制构件律中，光纤线芯区两侧对称性的部位各钻一个圆洞，并在每一个圆洞中各插进一个规格非常的掺硼预制构件律。一般，光纤线预制构件棒是用 VAD 法纪成的，而掺棚的预制构件律则是用平常的 MCVD 法纪成的。因而小熊猫光纤线预制构件棒是～个复合型预制构件棒。随后用平常的方式拉成光纤线，光纤线制冷后，在掺棚的预制构件律中造成对称性于光纤线芯的扇型地应力区，使小熊猫光纤线变成线形双折射光纤线。

3.2 光的偏振光纤线

光的偏振光纤线是以另一种方法工作中的独特光纤线。其特性是在光纤线中让人一种强衰减系数。但光纤线中的2个正交和光的偏振模中只有一个模遭受衰减系数，而另一个模仍然以非常低的消耗在光纤线中传送。因而即便互相垂直的2个光的偏振模与此同时引入光纤线，因为在其中一个模衰减系数迅速，因而光纤线輸出端只有一个线形光的偏振模輸出。与保偏光纤对比，光的偏振光纤线能够提升注人光的消光比，具备起偏功效，因而光的偏振光纤线的輸出光与键入光对比能够有着很高的消光比。而保偏光纤在理论上只有维持往火光的偏振态，輸出光的消光比不容易高过引入光的消光比。光的偏振光纤线的设计原理是迅衰场基本原理，使某一个光的偏振模快速衰减系数的光纤线构造有以下二种。

1 ） D 形横截面光纤线： D 形横截面光纤线是将单模预制构件律沿径向的一侧开展碾磨除掉一部分绝缘层。直到被打磨的平面图贴近光纤线芯使预制构件棒的样子半圆型（形），随后开展打磨抛光。金属拉丝全过程中合理操纵溫度，使光纤线横截面仍维持 D 形。与此同时高溫火苗中的金属拉丝对 D 平面图（即打磨抛光平面图）进一起火苗打磨抛光功效，使 D 平面图变成极为光洁的低透射表层。用这个方式拉制成的 D 形横截面光纤线，能够使光纤线中与光洁平面图相持平的偏振光不会受到衰减系数，但垂直平分光洁表面的偏振光快速衰减系数，变成仅有单一光的偏振輸出的光的偏振光纤线。根据合理操纵预制构件律原材料被磨掉的薄厚，也即调节光洁平面图到光纤线芯的间距，能够 保证迅衰场的衰减系数较大 ，而又确保非迅衰场的衰减系数最少，使光的偏振光纤线得到较大 消光比。

2 ）空心横截面光纤线：这也是对 D 形光纤线的一种发展趋势和改善。因为 D 形光纤线的横截面并不是完全的环形，给应用造成不变。空心横截面光纤线是在 D 形光纤线预制构件棒的外边套上一个规格搭配的防水套管，产生一个包括 D 形光纤线横截面和空心横截面的复合性预制构件棒。在对复合型预制构件棒金属拉丝时，适度操纵金属拉丝溫度，使 D 形光纤线维持 D 形横截面不会改变，与此同时又要使 D 形光纤线与绝缘层套优良溶接在一起。最终拉做成的光纤线横截面仍维持的样子，因而称之为空心横截面光纤线。空心横截面光纤线的特点是能够像一般光纤线那般开展解决、激光切割和联接。

3 ）金属玻璃光纤线：这类光纤线是在空心光纤线的裂缝中引入超低温铝合金而成的。因为铝合金的引入促使这类光纤线具备较强的光的偏振特点，能够做成金属玻璃光纤线起偏器。金属玻璃光纤线。光纤线的数值孔径约为 0.16 ，截止波长约为 1.25pm ，空心横截面到光纤线芯的间距约为 3pm 。裂缝中补充的金属材料是低溶点的 SnIn 铝合金，溶点为 120 ℃ 。用一个配有铝合金的不锈钢板注射针在 130 ℃ 的环境温度和 4 × 105Pa 大气压强下，将铝合金慢慢地引入到光纤线的裂缝中。大概每分能够添充 2m 长的光纤线。光纤线的外边套上pe环氧树脂绝缘层。 5cm 长的光纤线可得到 40dB 的消光比，光波长范畴为 1300 ～ 1600nm 。根据调节光纤线芯到金属材料平面图的间距，能够操纵光纤线的消光比。因而光纤线光的偏振器的消光比能够做得很高，长短为 1cm 乃至更短的一段光纤线，其较大 消光比可超出 100dB 。

4 更改光纤线的掺入原材料

上述情况的光纤线全是以石英石光纤线为基本，对其开展一些特别加工处理或特别设计方案而变成独特光纤线。因此光纤线的无耗特点大部分获得确保。大家还能够用别的方式如在光纤线中掺加小量其他原材料或彻底应用其他玻璃材质做成独特光纤线，因此使光纤线具备新的特点。以使光纤线具备光变大功效、强旅光功效或光拉斯效用。

4.1 接希土全属高过光纤线

初期，大家对在石英石光纤线中掺加稀土氧化物正离子曾持猜疑乃至否认心态。这主要是因为在光纤线技术性进步历程中，曾煞费苦心除掉各种各样金属离子以减少光纤线耗损。但 Poole S B 和 Town send J E 等表明了假如严控光纤线芯和绝缘层中希土正离子的成分，能够使用根据 MCVD 法的光纤线技术性，生产制造出无耗的掺希土正离子光纤线。能够夹杂的金属离子有很多种多样，如钛 Nd ，钦 Ho ，饵 Er ，镨 Pr ，镝 Dy ，钛 Tb ，铈 Ce ，铕 Eu ，铥 Tu ，钇 Yb 等。不一样的夹杂可使光纤线有不一样的特点。比如掺钛光纤线的吸附与溫度转变有优良的线性相关，掺钬光纤线具备十分锐利的消化吸收有边。掺铽或铈正离子的光纤线具备强旋光特点，渗饵或镨可使光纤线具备自觉性，即具备变大或震荡作用。夹杂的水平能够 2 × 10-7 ～ 3 × 10-3 品质百分数范畴内变化。掺希土光纤线的生产制造技术能够以接钦为例子来表明，它以 MCVD 加工工艺为基本，在一些问題上开展了特别解决。这具体是在常温下希土正离子的卤化是固态，他们溶点高，蒸汽放低而且以水合物的方式发生。为了更好地彻底解决这一难题，将必须夹杂的化学物质（如纯净度为 99.9 ％的 NdCl3 · 6H2O ）引进堆积管进气口端独特气房间内，在氢气自然环境下被加温烘干处理产生无水晶体，并熔融堆积在制动气室内壁。随后对堆积管里面完成处理以除掉干躁流程中形成的所有残渣。下面是用基本方式产生绝缘层。在堆积料芯时，气房间内的夹杂化学物质被加温到 1000 ℃ 以造成小量 NdCl3 蒸汽，它被反映气旋送到堆积管的中下游并被钛酸异丙酯与光纤线芯融合在一起。与基本 MCVD 对比，芯子的堆积溫度较低，因而芯子的双组分最开始是未被融化的。在氢气自然环境中持续加温后，芯子被熔融产生通透的元出气孔层，历经缩棒后产生坚固的光纤线预制构件律。夹杂光纤线中钕的成分为 5 × 10 － 6 品质百分数，消化吸收衰减系数的溫度弹性系数为 0.2 ％ C － 1 。也有人选用铁夹杂的希土光纤线，夹杂浓度值为 10-3 品质百分数，假如把它做为分布式系统温度感应器，敏感度为 1 ℃ 时，屏幕分辨率为 3 ． 5m ，溫度线形范畴为一 200 ～＋ 100 ℃ 。掺钬光纤线除具备敏锐的气温特点，还具备险峻的消化吸收有边特点，能够组成机敏的过滤器。比如 7m 长的掺钦光纤线对 633nm He － Ne 的泵源和反斯托克斯赖曼透射谱线 616nm 中间的衰减系数差可以达到 109 ，因而可对泵光的波长有非常不错的抑止特点。夹杂光纤线的更高网络热点是接饵或掺镨光纤线。因为他们对光线的扩大功效，已在光纤通信系统中做为光纤传感器或光纤线震荡器获行了极大进度和具体运用。因有很多文章内容对其详解，文中不会再详细描述。

4.2 特殊原材料光纤线

能够彻底运用某类光学玻璃做成光纤线，如含武夹层玻璃光纤线或含钵夹层玻璃光纤线。因为夹层玻璃内所含成份较多，因此一般称之为多个份光纤线或软玻璃光纤线。这种特别的光学玻璃具备一些特别的电子光学特点，如旋光特点、离散系统等。光纤线的生产制造加工工艺一般选用插律例（ rod intube ）。该光纤线所运用的铽夹层玻璃中铽的成分为 56 ％，光纤线的折光率遍布为 W 型，二次插棒法的加工工艺全过程。 经二次插棒和2次金属拉丝全过程生产制造的铽夹层玻璃光纤线具备较强的旋光特点，费尔德参量 V 一 9.52 π× 10-2min ／ A ，芯径φ 1= 4.5mm ，内绝缘层直徑φ 2= 25.3mm ，外绝缘层直徑φ 2= 125mm 。

5 紫外线载入光纤光栅

这也是运用光纤线折光率对紫外线直射具备敏感度而快速发展下去的一种独特光纤器件，早在 1978 年 K.O.Hill 就发觉了这类敏感度，但直至 1989 年 G.Melth 才第一次完成了用干预法载入的可用以通讯光波长的光纤光栅。光纤光栅可普遍用以色散补偿器、波分复用器和光纤传感器等各行各业。 初期的光纤光栅选用的是一般光纤线，它对紫外线的敏感度较弱，载入敏感度低。因而增敏技术性的探讨是很重要的。如曾有些人在掺锗光纤线上选用髙压荷氢（ H2Loading ）增敏技术性来生产制造光纤光栅。这类办法的特点是光纤线是一般光纤线，无须独特制做，但不足之处是减少了光纤线的抗压强度，不有利于光纤线的联接，不可以完成成批迅速生产制造。增敏的另一解决方案是研发用以光纤光栅的独特光纤线，使之对紫外线载入有更多的精确度和合适大批量生产，如高掺锗光纤线、共掺棚光纤线、共掺锡光纤线等。除此之外有一些其他共掺光纤线，如共掺钵、共接钽、共掺铅等，但特性都比不上共掺锡光纤线，未得到具体运用。单纯性的高掺锗光纤线有一些缺陷，如光纤线数值孔径过大，不利与一般光纤线联接，光折光率的改变较低（ 10-4 量级）。共掺棚光非石英石原材料的光纤线耗损都非常大，只有用以光纤传感或生产制造独特的光纤器件，而无法用以光的传送。纤可使光致折光率提升一个量级，约为 10 － 3 。此外掺硼减少了纤芯折光率，数值孔径随着减少，因此减少了与一般金属的联接耗损。但掺棚的不足之处是光纤线本身耗损扩大，温度系数扩大，夹杂不匀称和金属拉丝不均衡造成 光纤线径向光敏性的不匀称。接锡光纤线是在其中较好的一种独特光纤线，可减少温度系数，减少本身耗损，光敏性更强，感光匀称性提升等优势。 光纤光栅是一个仍在持续进步的行业，一种功能优质的用以光纤光栅的侍殊光纤线，不但靠原材料的改善，还可以根据加工工艺的改善来得到。现阶段制做光纤光栅用的特殊光纤线的加工工艺主要是 MCVD 法和 VAD 法。 MCVD 法的具体缺陷是金属的感光匀称性较弱。这主要是因为氢氧焰气炉的螺旋前行，产生部分堆积温差，导致预制构件律的部分不均衡性。但根据改善 MC VD 法的加工工艺操纵全过程，将能增强其均衡性。用 VAD 法纪出的光纤光栅，将有不错的匀称性。

6 结语

文中从对石英石光纤线的独特解决，更改石英石光纤线的构造，更改石英石光纤线的掺入原材料及运用材料等方式阐述了光纤传感器用特殊光纤线的科研开发设计、加工工艺以及感测器特点。

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