光纤传感技能用特种光纤根底知识
『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首要技能途径，制造工艺及传感特性。包括声学灵敏光纤、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资料多组份光纤及光纤光栅等。
1 导言
众所周知，光纤传感技能的起步并不比光纤通讯滞后，但因为光纤通讯给信息技能的开展供给的诱人远景和巨大商场，使得光纤技能的开展首要依从于光纤通讯技能的开展。现在简直已掩盖全球的巨大的光纤通讯网，要求光纤有极低的损耗和极小的色散，以满意高速率、大容量、远间隔传输的要求。光纤产品对光纤通讯的要求简直是一无是处、精雕细镂地去满意，但对用于传感技能的光纤所投入的力气则小得多。因此前期用于传感器的光纤，大多数是从通讯用光纤中挑选直接运用或作某些特别处理（如包层处理后）再运用。这关于某些传感器，如外部传感器或某些简略的内部传感器，已能满意必定的要求。但随着光纤传感技能的开展，在许多情况下，只是运用通讯光纤是极牵强的。例如，光纤电流传感器中，假如直接运用通讯光纤，将有两个丧命问题，一是通讯用石英光纤的费尔德（ Verolet ）常数很小；二是为了使光纤盘绕被测电流需把光纤绕成线圈，这将使光纤发生曲折，然后发生很强的线性双折射，其结果是将光纤原本很低的费尔德常数又大大下降（约为本来的 1 ／ 50 ）以致无法实践运用。因此，开发各种合适于传感技能要求的光纤是十分必要的。
传感器用光纤一直是光纤技能范畴中的一个重要研讨课题。归纳起来首要经过以下几个途径开发特别类型的光纤：
1 ）对石英光纤进行某些特别处理，能够改动光纤的偏振特性或其它预期的传感特性。
2 ）对石英光纤在结构规划进步行改造，以改动其偏振特性。
3 ）改动光纤的掺杂资料，或在光纤结构中刺进金属资料，以使光纤发生新的特性或取得预期的偏振特性。
4 ）运用其它资料制成特种光纤，以取得某种特性。
5 ）紫外写人光纤光栅。
2 特别处理的石英光纤
2.1 对光纤外套进行特别处理
对包层的特别处理能够用于声学和磁场、电场、加快场、电流等干与型光纤传感体系中。它的声学灵敏度是外套资料弹性模量和外套截面积乘积的函数。资料的弹性模量较高时，第二包层的厚度可较薄，反之亦然。磁性资料在磁场的效果下对光纤发生轴向应力，而完成对磁场的传感。
2.2 进行热处理的光纤
在磁场和电流光纤传感器中，为了战胜环绕时光纤曲折发生的线性双折射，一个有用的办法是对光纤进行退火处理。因为线圈直径很小发生很强的内应力。假如不消除，内应力构成的线性双折射将使光纤线圈无法用于磁场电流的传感。退火办法是将光纤线圈与陶瓷线圈骨架一同加热到 800 ℃ ，坚持一段时间后逐步冷却，则光纤曲折引起的线性双折射可彻底消除，成为低双折射或无双折射的光纤。
2.3 拉丝时进行特别处理的光纤
在光纤拉丝时，采纳某些办法能够使光纤成为低双折射的光纤、圆双折射或椭圆双折射光纤，以满意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，能够得到自旋型光纤。预制棒的旋转速度能够操控在每分钟数千转。这样能够使光纤恣意方位角的旋转节距十分短。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，即光纤的曲折损耗小，且半导体激光器辐射光斑的形状与椭圆芯附近，因此易于完成与激光器的直接耦合。
2 ）蝴蝶结光纤：其结构在挨近光纤芯处有两个扇形应力区，光纤资料为播锗石英玻璃（ GeO2 ／ SiO2 ）。应力区的资料为掺硼（高浓度）石英玻璃，因为掺硼区域周围区域的热紧缩不同，因此在光纤中引人很强的内应力。应力的效果使光纤发生线性双折射。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 。为了取得尽可能大的双折射，应当使扇形应力区尽可能挨近光纤芯，但也不能过火挨近，否则在包层中将发生消失场，导致光纤损耗添加。这对其它应力双折射光纤也是适用的。
3 ）熊猫光纤：熊猫光纤的称号来自于英文缩写 PANDA ，其实在意义是偏振坚持和吸收复原（ PolarizaTIon-maintaining and absorpTIon-reducing ）。为了构成线性双折射，需在光纤预制律中，光纤芯区两头对称的方位各钻一个圆孔，并在每个圆孔中各刺进一个尺度恰当的掺硼预制律。一般，光纤预制棒是用 VAD 法制成的，而掺棚的预制律则是用一般的 MCVD 法制成的。因此熊猫光纤预制棒是～个复合预制棒。然后用一般的办法拉成光纤，光纤冷却后，在掺棚的预制律中发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办法作业的特别光纤。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要一个模遭到衰减，而另一个模仍以极低的损耗在光纤中传输。因此即便相互笔直的两个偏振模一起注入光纤，因为其间一个模衰减很快，因此光纤输出端只要一个线性偏振模输出。与保偏光纤比较，偏振光纤能够进步注人光的消光比，具有起偏效果，因此偏振光纤的输出光与输入光比较能够具有很高的消光比。而保偏光纤在理论上只能坚持往火光的偏振态，输出光的消光比不会高于注入光的消光比。偏振光纤的作业原理是迅衰场原理，使某一个偏振模敏捷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。直至被研磨的平面挨近光纤芯使预制棒的形状半圆形（形），然后进行抛光。拉丝进程中恰当操控温度，使光纤截面仍坚持 D 形。一起高温火焰中的拉丝对 D 平面（即抛光平面）进一同火焰抛光效果，使 D 平面成为极端润滑的低散射外表。用这种办法拉制出的 D 形截面光纤，能够使光纤中与润滑平面相平行的偏振光不受衰减，但笔直于润滑平面的偏振光敏捷衰减，成为只要单一偏振输出的偏振光纤。经过恰当操控预制律资料被磨去的厚度，也即调整润滑平面到光纤芯的间隔，能够确保迅衰场的衰减最大，而又确保非迅衰场的衰减最小，使偏振光纤取得最大消光比。
2 ）中空截面光纤：这是对 D 形光纤的一种开展和改善。因为 D 形光纤的截面不是完好的圆形，给运用带来不方便。中空截面光纤是在 D 形光纤预制棒的外面套上一个尺度般配的套管，构成一个包括 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，恰当操控拉丝温度，使 D 形光纤坚持 D 形截面不变，一起又要使 D 形光纤与包层套杰出熔接在一同。最终拉制成的光纤截面仍坚持的形状，因此称为中空截面光纤。中空截面光纤的长处是能够像一般光纤那样进行处理、切开和衔接。
3 ）金属玻璃光纤：这种光纤是在中空光纤的空泛中注入低温合金而成的。因为合金的注入使得这种光纤具有极强的偏振特性，能够制成金属玻璃光纤起偏器。金属玻璃光纤。光纤的数值孔径约为 0.16 ，截止波长约为 1.25pm ，中空截面到光纤芯的间隔约为 3pm 。空泛中填充的金属是低熔点的 SnIn 合金，熔点为 120 ℃ 。用一个装有合金的不锈钢注射器在 130 ℃ 的温度和 4 × 105Pa 大气压力下，将合金慢慢地注入到光纤的空泛中。大约每分钟能够填充 2m 长的光纤。光纤的外面套上丙烯树脂包层。 5cm 长的光纤可取得 40dB 的消光比，波长规模为 1300 ～ 1600nm 。经过调整光纤芯到金属平面的间隔，能够操控光纤的消光比。因此光纤偏振器的消光比能够做得很高，长度为 1cm 乃至更短的一段光纤，其最大消光比可超越 100dB 。
4 改动光纤的掺杂资料
前述的光纤都是以石英光纤为根底，对其进行某些特别处理或特别规划而成为特别光纤。因此光纤的低损耗特性基本上得到确保。人们还能够用其它办法如在光纤中掺入少数其它资料或彻底运用其它玻璃资料制成特别光纤，因此使光纤具有新的特性。如使光纤具有光扩大效果、强旅光效果或光克尔效应。
4.1 接稀土全属高于光纤
前期，人们对在石英光纤中掺入稀土金属离子曾持置疑乃至否定情绪。这是因为在光纤技能开展进程中，曾费尽心机去掉各种金属离子以下降光纤损耗。但 Poole S B 和 Town send J E 等人证明了假如严格操控光纤芯和包层中稀土离子的含量，能够运用根据 MCVD 法的光纤技能，制造出低损耗的掺稀土离子光纤。能够掺杂的金属离子有许多种，如钛 Nd ，钦 Ho ，饵 Er ，镨 Pr ，镝 Dy ，钛 Tb ，铈 Ce ，铕 Eu ，铥 Tu ，钇 Yb 等。不同的掺杂可使光纤有不同的特性。例如掺钛光纤的吸收与温度改动有杰出的线性关系，掺钬光纤具有十分尖利的吸收边带。掺铽或铈离子的光纤具有强旋光特性，渗饵或镨可使光纤具有主动性，即具有扩大或振动功用。掺杂的程度能够 2 × 10-7 ～ 3 × 10-3 质量百分比规模内改动。掺稀土光纤的制造工艺能够以接钦为例来阐明，它以 MCVD 工艺为根底，在某些问题进步行了特别处理。这首要是在室温下稀土离子的卤化物是固体，它们熔点高，蒸气压低而且以水合物的方式呈现。为了处理这一问题，将需求掺杂的物质（如纯度为 99.9 ％的 NdCl3 · 6H2O ）引进堆积管进气端的特别气室内，在氯气环境下被加热烘干构成无水晶体，并熔化堆积在气室壁上。然后对堆积管内部进行整理以去掉枯燥进程中发生的任何杂质。接下来是用惯例办法构成包层。在堆积料芯时，气室内的掺杂物质被加热到 1000 ℃ 以发生少数 NdCl3 蒸气，它被反响气流带到堆积管的下流并被氯化与光纤芯结合在一同。与惯例 MCVD 比较，芯子的堆积温度较低，因此芯子的组份开始是未被熔化的。在氯气环境中继续加热后，芯子被熔化构成通明的元气孔层，经过缩棒后构成坚固的光纤预制律。掺杂光纤中钕的含量为 5 × 10 － 6 质量百分比，吸收衰减的温度改动率为 0.2 ％ C － 1 。还有人选用铁掺杂的稀土光纤，掺杂浓度为 10-3 质量百分比，假如把它作为散布式温度传感器，灵敏度为 1 ℃ 时，分辨率为 3 ． 5m ，温度线性规模为一 200 ～＋ 100 ℃ 。掺钬光纤除具有灵敏的温度特性，还具有峻峭的吸收边带特性，能够构成灵活的滤波器。例如 7m 长的掺钦光纤对 633nm He － Ne 的泵源和反斯托克斯赖曼散射谱线 616nm 之间的衰减差可达 109 ，因此可对泵光波长有十分好的按捺特性。掺杂光纤的更大热门是接饵或掺镨光纤。因为它们对光的扩大效果，已在光纤通讯中作为光纤扩大器或光纤振动器获行了巨大发展和实践运用。因有许多文章对其具体介绍，本文不再胪陈。
4.2 特种资料光纤
能够彻底运用某种光学资料制成光纤，如含武玻璃光纤或含钵玻璃光纤。因为玻璃内所含成分较多，所以一般称为多组份光纤或软玻璃光纤。这些特别的光学资料具有某些特别的光学特性，如旋光特性、非线性等。光纤的制造工艺一般选用插律法（ rod intube ）。该光纤所运用的铽玻璃中铽的含量为 56 ％，光纤的折射率散布为 W 型，二次插棒法的工艺进程。 经二次插棒和两次拉丝进程制造的铽玻璃光纤具有极强的旋光特性，费尔德常数 V 一 9.52 π× 10-2min ／ A ，芯径φ 1= 4.5mm ，内包层直径φ 2= 25.3mm ，外包层直径φ 2= 125mm 。
5 紫外写入光纤光栅
这是运用光纤折射率对紫外光照耀具有灵敏性而开展起来的一种特别光纤器材，早在 1978 年 K.O.Hill 就发现了这种灵敏性，但直到 1989 年 G.Melth 才第一次完成了用干与法写入的可用于通讯波长的光纤光栅。光纤光栅可广泛用于色散补偿器、波分复用器和光纤传感器等各个范畴。 前期的光纤光栅选用的是一般光纤，它对紫外光的灵敏性较差，写入灵敏度低。因此增敏技能的研讨是很重要的。如曾有人在掺锗光纤上选用高压荷氢（ H2Loading ）增敏技能来制造光纤光栅。这种办法的长处是光纤是一般光纤，不用特别制造，但缺陷是下降了光纤的强度，不方便于光纤的衔接，不能完成大批量快速出产。增敏的另一处理办法是开发用于光纤光栅的特别光纤，使之对紫外写入有更高的灵敏度和合适批量出产，如高掺锗光纤、共掺棚光纤、共掺锡光纤等。此外有些其它共掺光纤，如共掺钵、共接钽、共掺铅等，但功能都不如共掺锡光纤，未取得实践运用。单纯的高掺锗光纤有一些缺陷，如光纤数值孔径过大，不利于与一般光纤衔接，光折射率的改动较低（ 10-4 数量级）。共掺棚光非石英资料的光纤损耗都很大，只能用于光纤传感或制造特别的光纤器材，而不能用于光的传输。纤可使光致折射率进步一个数量级，约为 10 － 3 。别的掺硼下降了纤芯折射率，数值孔径随之下降，因此下降了与一般光纤的衔接损耗。但掺棚的缺陷是光纤本身损耗增大，温度系数增大，掺杂不均匀和拉丝不均匀导致光纤轴向光敏性的不均匀。接锡光纤是其间最好的一种特别光纤，可下降温度系数，下降本身损耗，光敏性更强，光敏均匀性进步等长处。 光纤光栅是一个仍在继续开展的范畴，一种功能优秀的用于光纤光栅的侍殊光纤，不仅靠资料的改善，也能够经过工艺的改善来取得。现在制造光纤光栅用的特种光纤的工艺首要是 MCVD 法和 VAD 法。 MCVD 法的首要缺陷是光纤的光敏均匀性较差。这首要是因为氢氧焰喷灯的螺旋式行进，构成部分堆积温度差，构成预制律的部分不均匀性。但经过改善 MC VD 法的工艺操控进程，将能进步其均匀性。用 VAD 法制出的光纤光栅，将有较好的均匀性。
6 结束语
本文从对石英光纤的特别处理，改动石英光纤的结构，改动石英光纤的掺杂资料及运用特别资料等办法论说了光纤传感器用特种光纤的研讨开发、制造工艺及其传感特性。
