新型光敏光纤与耐高温布喇格光栅研究

论文摘要

基于光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating——FBG)的温度传感器由于具有波长编码测量、抗电磁辐射、轻巧、灵活等优点而被广泛地应用于各个工业领域。然而,基于FBG的温度传感器一般只能适用于较低温度范围的测量。这主要是由FBG较差的耐高温性能所决定的。众所周知FBG并不是一个永久性的结构,当长时间工作在高温环境下时FBG会消失或被“洗掉”。因此为了能够将FBG用于更高温度范围的传感应用,必须制作出具有更强耐高温性能的FBG。本论文所涉及的研究工作的目标在于研制出新型的光敏性光纤并能够采用紫外曝光相位掩模法在这些光纤中写入具有强耐高温性能的FBG。采用优化的化学气相沉积法分别将锑(Sb)、铟(In)、铋(Bi)掺入锗硅光纤中并制作出了高光敏光纤。在波长为248nm的紫外准分子激光的照射下,这些光敏光纤的内部形成了强光纤光栅。退火实验结果证实写入上述几种光纤中的FBG在800℃或是900℃下退火24小时后,仍可在反射光谱中观测到这些光栅的反射率,显示出了超强的耐高温性能,有着潜在的工业传感应用前景。在对各种光纤的光敏性和写入其中的FBG在高温下的稳定性进行测试的基础上,对光纤的光敏性和FBG的衰退机理进行了进一步的研究,并提出了一种新的理论模型——阳离子跳跃模型,解释了所得实验结果。这一模型认为锗硅光纤中的空位对于获得高光敏光纤具有重要的作用,而在紫外曝光过程中阳离子跳离原来位置的行为是造成光纤折射率变化的主要原因。在结合阳离子跳跃模型和所谓的老化曲线模型的基础上建立了阳离子阱式分布模型。采用该模型对上述光栅在高温下的衰退性质进行拟合所得的结果与实验结果符合得很好,并能准确地预测光栅在某一温度下的工作寿命作为上述耐高温FBG的一个重要应用,我们采用基于上述耐高温FBG的传感器对热通量进行了测量,并和采用荧光寿命型光纤温度仪所得的测量结果进行了比较。实验结果表明基于耐高温FBG的温度传感器具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 基于FBG的温度传感器简介
• 1.2 FBG温度稳定性研究现状
• 1.3 立题意义和工作目标
• 1.4 论文结构
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 光纤的光敏性及FBG的温度传感原理
• 2.1 光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating——FBG）简介
• 2.2 光纤光栅历史回顾
• 2.3 光纤的光敏性
• 2.3.1 光纤光敏性简介
• 2.3.2 光纤光敏性的机理
• 2.3.3 增强光纤光敏性的方法
• 2.3.4 光纤光栅的光敏类型及其热稳定性
• 2.4 FBG的温度传感原理
• 2.4.1 均匀布喇格光栅的反射率
• 2.4.2 FBG对温度的敏感性
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 传感用耐高温FBG的研制
• 3.1 Sb-Er-Ge共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制
• 3.1.1 Sb-Er-Ge共掺光敏光纤的研制
• 3.1.2 Sb-Er-Ge共掺石英光纤的光敏性能及写入其中的FBG的耐高温性能测试
• 3.2 Sb-Ge共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制
• 3.3 In-Ge共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制
• 3.4 Bi-Ge共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 耐高温FBG的热衰退特性研究
• 4.1 FBG热衰退特性研究的重要性
• 4.2 用于描述光栅热衰退特性的幂函数衰退模型及老化曲线模型
• 4.2.1 幂函数衰退模型
• 4.2.2 老化曲线模型
• 4.3 耐高温布喇格光栅的衰退机理——阳离子跳跃模型
• 4.3.1 采用老化曲线模型对耐高温FBG的热衰退性质分析
• 4.3.2 FBG耐高温性能的再分析
• 4.3.3 阳离子跳跃模型（Cation-Hopping Model）的提出
• 4.4 基于阳离子跳跃模型的耐高温FBG的衰退特性分析——阳离子阱式分布模型的建立与应用
• 4.4.1 阳离子阱式分布模型的建立
• 4.4.2 阳离子阱式分布模型对耐高温FBG的热衰退特性的分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于耐高温FBG的温度传感器的工业应用
• 5.1 用于热通量测量的传感系统的结构与性能
• 5.1.1 基于耐高温FBG的传感器系统
• 5.1.2 基于Tm:YAG晶体的荧光寿命探测的光纤测温仪系统
• 5.2 基于耐高温FBG的温度传感器系统对热通量的测量
• 5.2.1 热通量测量的原理和实验配置
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 主要研究成果回顾
• 6.2 本论文的主要创新成果
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢