新型光敏光纤与耐高温布喇格光栅研究

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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。
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