nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử bragg
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Mạnh Tưởng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Mạnh Tưởng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội Cán bộ đồng hướng dẫn: TS Bùi Huy HÀ NỘI - 2011 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Văn Hội và TS Bùi Huy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm trong quá trình làm khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã giảng dạy trong những năm học tập, và tập thể lớp K52V đã động viên, giúp đỡ trong thời gian qua. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với gia đình,người thân,bạn bè-những người luôn động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em yên tâm học tập. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Mạnh Tưởng TÓM TẮT NỘI DUNG Cách tử Bragg trong sợi quang là linh kiện quang tử được làm bằng sợi nhạy quang, trong đó phần lõi sợi quang có chiết suất thay đổi theo một chu kỳ nhất định dọc theo chiều dài của sợi quang, sự thay đổi chiết suất này thỏa mãn điều kiện Bragg: λ Bragg = 2n eff .Λ Bragg Cách tử Bragg có nhiều ứng dụng trong mạng thông tin quang và trong nghiên cứu cảm biến quang sợi như là ứng dụng chế tạo các bộ tách bước sóng quang, bù tán sắc trên tuyến thông tin quang, làm phẳng phổ khuếch đại quang cho thiết bị EDFA và đặc biệt có khả năng ứng dụng trong các laser sợi với độ đơn sắc cao sử dụng trong mạng viễn thông quang và nghiên cứu chế tạo cảm biến nhiệt độ, áp suất,gia tốc… Trong khuôn khổ khóa luận của mình,chúng tôi đã tìm hiểu một số cấu hình của một số cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi như:cảm biến đo gia tốc,cảm biến đo dư chấn… và xây dựng một cảm biến đo độ dịch chuyển .Với các kết quả thu được có thể giúp chúng ta sử dụng FBG làm các sensor ứng dụng trong thực tế khi chúng ta tích hợp, tinh giản các thiết bị quang trong hệ thống. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong bản đồ án tốt nghiệp này là kết quả trong công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Huy và PGS.TS Phạm Văn Hội.Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài liệu hay ấn phẩm nào khác .Các tài liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2011 Nguyễn Mạnh Tưởng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 3 NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI 3 1.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động 4 1.2. Các phương pháp chế tạo FBG 6 1.2.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia 8 1.2.2. Phương pháp chế tạo FBG qua mặt nạ pha( Phase Mask) 9 1.2.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế 12 1.3. Ứng dụng của FBG 13 1.3.1. Các ưu điểm chính của FBG 13 1.3.2. Ứng dụng của FBG trong bộ tách ghép kênh OADM 13 1.3.3. FBG dùng để bù tán sắc 19 1.3.4. Ứng dụng trong cảm biến 21 2.1. FBG làm cảm biến nhiệt độ 22 2.2. FBG làm cảm biến sức căng 22 2.3. Cảm biến gia tốc dựa trên FBG cho công trình kiến trúc xây dựng dân dụng 23 2.3.1. Giới thiệu 23 2.3.2. Thiết kế của sensor gia tốc FBG 24 2.4. Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng 27 2.5. Cảm biến FBG đo địa chấn 29 3.2. Kết quả và nhận xét 37 KẾT LUẬN 40 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADM Add/Drop Multiplexing Bộ tách ghép kênh CFBG Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ biến đổi DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh mật độ cao phân chia theo bước sóng EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang LCFBG Linear Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ biến đổi tuyến tính MUX Multiplexing Bộ ghép kênh OADM Optical Add/Drop Multiplexing Bộ ghép tách kênh quang OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi UFBG Uniform Chirped Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang chu kỳ đều UV Ultra Violet Tia cực tím WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước sóng MỞ ĐẦU Mô hình cách tử Bragg quang được đưa ra và chứng minh các tính chất của nó lần đầu tiên vào năm 1978 bởi Hilletal. Đến năm 1989, nó được mô tả một cách rõ ràng hơn bởi Meltzetal, cách tử Bragg quang được tạo ra bằng cách sử dụng phép chiếu giao thoa hai luồng tia cực tím UV-exposure. Với sự phát triển của mình, FBG có liên quan trực tiếp và chặt chẽ với sự phát triển của sợi quang, nó có khả năng sử dụng trong việc xây dựng các bộ lọc dùng để tách ghép kênh trong hệ thống truyền tải dữ liệu đa kênh. Nổi bật nhất trong những ứng dụng này là FBG được dùng cho hệ thống DWDM. FBG là cơ sở cho các thiết bị lựa chọn thụ động cho các bước sóng đơn, ghép bước sóng và chọn bước sóng băng hẹp. Nó làm việc tốt trong điều kiện các yếu tố về nhiệt độ và sức căng được đảm bảo bởi vì các điều kiện này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của FBG. Sự phát triển nhanh chóng của FBG về các ứng dụng trong mạng viễn thông quang và các hệ thống cảm biến đã thúc đẩy là nâng cao tốc độ đột phá trong nghiên cứu, những kết quả này đã làm cải thiện và phát triển chất lượng cũng như các tính năng của các thiết bị quang. Trong tương lai, các tính năng của các thiết bị này có thể vượt qua các giới hạn hiện tại bằng việc sử dụng kĩ thuật photonic. Tính năng nhạy cảm với môi trường là một điểm không tốt của FBG, tuy nhiên hiện nay nó lại được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống cảm biến. Một trong các ứng dụng là cầu chì sillica, nó liên quan đến tính chất không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường của FBG. FBG đang trở nên rất phổ biến với tư cách là một thiết bị quang đơn giản, linh hoạt và có vô số các ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống quang. Nhờ khả năng cảm biến tốt đối với sự thay đổi của môi trường nên ta dựa vào FBG có thể xác định được các thông số vật lý cơ bản của môi trường như áp suất, nhiệt độ,sức căng… Hiện tại, các FBG có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống cảm biến như: - Cảm biến nhiệt độ . - Cảm biến sức căng . 1 - Cảm biến áp suất. - Cảm biến gia tốc. - Cảm biến độ dịch chuyển… Nhờ các tính chất mà FBG có thể mang lại nên chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg” làm nội dung nghiên cứu trong khóa luận của mình. Mục đích của khóa luận: Nghiên cứu,chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử FBG và khảo sát chúng khi thay đổi các điều kiện bên ngoài.Chúng tôi hy vọng rằng các kết quả thu được ban đầu có thể là cơ sở để chúng ta có thể hoàn thiện chúng và ứng dụng trong thực tế. Nội dung khóa luận gồm có 3 chương: Chương 1. Nghiên cứu cách tử Bragg trong sợi. Chương 2. Cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg. Chương 3. Thực nghiệm và kết quả. 2 [...]... được co lại 1.3.4 Ứng dụng trong cảm biến Bằng những ưu điểm của mình, hiện nay FBG đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong chế tạo cảm biến quang. Các ứng dụng này sẽ được nghiên cứu chi tiết hơn trong chương 2 CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN QUANG SỢI SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG 21 Với rất nhiều ưu điểm của mình như ổn định trong quá trình sử dụng, hiệu suất cao ,có kích thước nhỏ, dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết…,đặc... của nhiễu điện từ trường,FBG hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong việc chế tạo cảm biến quang sợi Trong chương 2 này chúng ta sẽ đi tìm hiểu một số loại cảm biến đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay: • Cảm biến nhiệt độ • Cảm biến sức căng • Cảm biến gia tốc FBG • Cảm biến đo môi trường lỏng • Cảm biến đo địa chấn 2.1 FBG làm cảm biến nhiệt độ Nguyên lý: ta có ∆λB λB = [... giao thoa trên sợi quang để tạo cách tử Nếu để bậc 0 chiếu tới sợi sẽ ảnh hưởng tới quá trình chế tạo FBG, do đó ta phải chắn chùm bậc 0 lại Chu kỳ cách tử Λ g chế tạo được được tính theo công thức: Λg = λuv 2sin ( θ B 2 ) (1.11) Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa Ưu điểm: - Có thể chế tạo được FBG trong dải bước sóng rộng (ví dụ loại Phase Mask 1060 có thể chế tạo được FBG... bởi cảm biến đo gia tốc sử dụng cách tử FBG và cảm biến đo áp lực sử dụng FBG 2.3.2 Thiết kế của sensor gia tốc FBG Sơ đồ của một sensor gia tốc FBG được thể hiện trên hình 2.1.Sensor gia tốc này gồm một đòn cân bằng cứng hình chữ L,một khối đặc và một lò xo.Để phát hiện biến dạng tác động vào sensor thì cách tử Bragg trong sợi quang phải đặt ở vị trí giữa 2 điểm A và B Nó được liên kết với cảm biến. .. nhiên.Trị số biến dạng ɛ gây ra trong cách tử Bragg được biểu diễn xấp xỉ dưới dạng: ε ≈− d /l 1 Ag 2 L ω0 (2.10) Tần số tự nhiên của nguyên mẫu là 45 Hz.Chiều dài hiệu dụng của cách tử Bragg là 30 mm.Hệ số d / l là 0.2.Với điều kiện 1.0 Gal( cm / s 2 ) gây ra 0,83 đơn vị biến dạng trong cách tử Bragg. Khi một cách tử Bragg bước sóng 1550nm được sử dụng, độ nhạy của sự thay đổi bước sóng là 1,2 pm/đơn vị biến. .. của bước sóng cách tử Bragg. Mối quan hệ giữa độ dịch bước sóng Bragg Δλ (pm) và biên độ gia tốc Ag (Gal ) có thể được biểu diễn đơn giản dưới dạng sau: ∆λ = 1.0 Ag (2.11) 2.4 Sử dụng FBG trong cảm biến đo môi trường lỏng Sử dụng khả năng ghép chung của các cảm biến rời rạc dựa trên FBG, một cảm biến gia tốc có thể FBG được tích hợp chung cảm biến áp lực để đo môi trường lỏng Một cảm biến gia tốc FBG...CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI 1.1 Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG) 1.1.1 Giới thiệu Hình 1.1: Cấu tạo và chiết suất của FBG Cách tử Bragg quang thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong hình trên Chỉ số chiết suất của FBG được tính... dân dụng đặc biệt là phát hiện những thiệt hại do động đất và gió bão Cảm biến gia tốc quang có rất nhiều ưu điểm so với cảm biến gia tốc điện thông thường ví dụ như “ sự miễn dịch” của nó với nhiễu điện trường và khả năng truyền tín hiệu qua khoảng cách xa mà không cần có thêm các bộ khuếch đại.Mới đây,chúng ta đã phát triển một loại cảm biến gia tốc quang mới sử dụng yếu tố cách tử Bragg trong sợi Cảm. .. Cảm biến gia tốc này đã được chế tạo để có độ nhạy cao cỡ 1 pm/Gal trong phạm vi tần số thấp.Độ nhạy qua trục được giảm tới mức tối thiểu bằng cách sử dụng một lò xo lá.Cơ chế làm việc của sensor này bảo đảm sự phân bố sức căng đồng đều trên yếu tố cách tử Bragg do đó phản xạ Bragg tối đa sẽ không bị giảm.Mặt khác,môi trường cách tử Bragg cần được gắn một cái giá đỡ kéo căng để tạo ra biến dạng một cách. .. thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và hoạt động có hiệu quả FBG chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi được ghi những cách tử có chu kỳ thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của sợi quang Λ ( z ) = Λ0 + Λl ( z ) (1.12) Λ 0 là chu kỳ ở điểm bắt đầu của đoạn cách tử, Λ l là sự thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của đoạn cách tử Tại vị trí z trên đoạn cách tử Bragg, một sóng ánh . tài Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử Bragg làm nội dung nghiên cứu trong khóa luận của mình. Mục đích của khóa luận: Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang sợi sử dụng cách tử. điều kiện Bragg: λ Bragg = 2n eff .Λ Bragg Cách tử Bragg có nhiều ứng dụng trong mạng thông tin quang và trong nghiên cứu cảm biến quang sợi như là ứng dụng chế tạo các bộ tách bước sóng quang, . của một số cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi như :cảm biến đo gia tốc ,cảm biến đo dư chấn… và xây dựng một cảm biến đo độ dịch chuyển .Với các kết quả thu được có thể giúp chúng ta sử dụng FBG