Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano: Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG ỨNG DỤNG ĐO NHIỆT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN QUANG SỬ DỤNG CÁCH TỬ TRONG SỢI QUANG ỨNG DỤNG ĐO NHIỆT ĐỘ Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Văn Hội HÀ NỘI - 2013 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, cảm ơn phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội trực tiếp hướng dẫn, dạy tận tình giúp tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Xin chân thành cảm ơn anh, chị thuộc tập thể Phòng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi Viện Khoa học vật liệu– Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tơi suốt q trình tìm hiểu nghiên cứu, hồn thành luận văn thạc sĩ Tơi xin gửi lời cảm ơn thầy cô ở khoa vật lý kỹ thuật trường đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội giảng dạy tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua, giúp đỡ tơi tích lũy kiến thức vơ q báu cho nghiên cứu khoa học tương lai Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh Lời cam đoan Tơi xin cam đoan luận văn thực hướng dẫn trực tiếp phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội Các số liệu, kết luận văn trung thực tơi thực Tất tài liệu, cơng trình nghiên cứu tác giả khác sử dụng làm tài liệu tham khảo trình làm luận văn liệt kê trích dẫn rõ ràng phần danh mục tài liệu tham khảo Hà nội, Ngày tháng Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh năm 2013 Mục Lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Danh mục từ viết tắt Chương 1: Tổng quan cảm biến quang sợi 1.1 Phân loại cảm biến quang sợi 1.2 Cảm biến quang sợi nội sinh ngoại sinh 1.3 Cảm biến quang sợi dựa vào điều chế quang 10 1.3.1 Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ ánh sáng 10 1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng 15 1.3.3 Cảm biến quang sợi dựa vào pha ánh sáng 15 1.3.4 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ quang 20 Chương : Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử sợi quang 23 2.1 Tổng quan cách tử Bragg sợi (FBG) 23 2.1.1 Điều kiện bước sóng Bragg 23 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 25 2.1.3 Phổ phản xạ phổ truyền qua FBG 27 2.2 Laser bán dẫn 27 2.2.1 Tăng ích quang 27 2.2.2 Hồi tiếp ngưỡng phát laser 28 2.2.3 Cấu trúc laser bán dẫn 30 2.2.3.1 Laser bán dẫn khuếch đại dẫn sóng (laser công tắc dải) 31 2.2.3.2 Laser dẫn sóng chặn chiết suất (Index-guided laser) 31 2.2.3.3 Laser đơn mốt dọc 32 2.3 Xây dựng cấu hình cảm biến 33 Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ vùng 1550 nm 37 3.1 Các phương pháp chế tạo FBG 37 3.1.1 Phương pháp chế tạo FBG sử dụng chia chùm tia 38 3.1.2 Phương pháp chế tạo FBG qua Phase Mask 39 3.1.3 Phương pháp chế tạo FBG hệ giao thoa kế 42 3.2 Chế tạo cách tử Bragg sợi 43 3.2.1 Mô tả giao thoa kế 45 3.2.1.4 Chương trình điều khiển giao thoa kế 49 3.2.3 Một số yêu cầu cho hệ 50 3.3 Kết chế tạo cách tử 51 3.3.1 Một số dụng cụ cần thiết 51 3.3.2 Khảo sát thông số nội FBG 52 3.3.3 Kết chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ vùng 1550 nm 54 Chương 4: Kết thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến 56 4.1 Khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ laser DFB vào nhiệt độ đế 56 4.2 Khảo sát phụ thuộc bước sóng phản xạ cách tử vào nhiệt độ 60 4.3 Thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ 63 Kết luận 67 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 68 Danh mục hình vẽ Thứ tự Tên hình vẽ Trang 1.1 Cảm biến dịch chuyển dựa độ số sử dụng để thị đóng cửa đo mức dịch chuyển máy móc 1.2 Một mẫu cảm biến chế tạo thử nghiệm để đo sức căng khí hệ thống 1.3 Cảm biến vi uốn cong đơn giản 10 1.4 Một ứng dụng cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn cong 11 1.5 Cảm biến quiang sợi sử dụng phương pháp phản xạ 12 1.6 Cảm biến quang sợi dựa tượng sóng phù du 13 1.7 Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot 14 1.8 Ứng dụng đo gia tốc cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot 15 1.9 Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder 16 1.10 Cảm biến quang sợi dựa giao thoa kế Mach-Zehnder 17 1.11 Một ứng dụng cảm biến quang sợi dựa dịch phổ cách tử Bragg sợi quang 18 1.12 Thí dụ ứng dụng cảm biến quang sợi đo biến dạng thiết kế cánh máy bay phản lực 19 2.1 Phản xạ Bragg 20 2.2 Nguyên lý hoạt động cách tử Bragg 22 2.3 Dạng phổ tín hiệu qua cách tử a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu 23 2.4 Cấu trúc laser bán dẫn cộng hưởng Faby-Perot 26 2.5 Các mode dao động buồng cộng hưởng laser 27 2.6 Sơ đồ laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) 28 2.7 Cấu trúc laser dị thể chôn (BH-laser diode) 29 Thứ tự Tên hình vẽ Trang 2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) laser DBR (phải) 30 2.9 Sơ đồ nguyên lý cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg 32 2.10 Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng đầu thu photodiode 33 3.1 Cấu trúc GeO2 lõi sợi quang 34 3.2 Sự giao thoa hai chùm tia UV để tạo FBG 35 3.3 Chế tạo FBG dùng Beam splitter 36 3.4 Nhiễu xạ chùm tia tới Phase Mask 37 3.5 Chùm UV tới vng góc nhiễu xạ thành hai bậc 1 37 3.6 Chế tạo cách tử FBG dùng Phase Mask 38 3.7 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG hệ gương giao thoa 39 3.8 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot 40 (tại phịng thí nghiệm trọng điểm Quang học) 3.9 Toàn hệ thống chế tạo FBG 3.10 42 42 Phase Mask 3.11 Gương quét (scaning mirror) 43 3.12 Hai gương giao thoa 43 3.13 Nguyên lý hoạt động Circulator 49 3.14 Cách đo độ phản xạ cách tử mơ hình đo phản xạ 49 3.15 Mơ hình đo phổ phản xạ cách tử 49 3.16 Phổ dải rộng ASE sợi chưa khắc cách tử 50 3.17 Mơ hình đo truyền qua FBG 50 3.18 Đo hệ số phản xạ cách tử mơ hình truyền qua 51 3.19 Phổ phản xạ cách tử bước sóng λ=1556.85nm 51 3.20 Phổ phản xạ cách tử bước sóng λ=1557.198nm 52 Thứ tự Tên hình vẽ Trang 3.21 Phổ phản xạ cách tử bước sóng λ=1557.3nm 52 4.1 Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin peltier dùng để điều khiển nhiệt độ đế laser 53 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn định nhiệt độ 54 4.3 Sơ đồ quan sát phổ phát xạ laser DFB phụ thuộc vào nhiệt độ đế 55 4.4 Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm 55 4.5 Phổ phát xạ laser DFB bị dịch thay đổi nhiệt độ 56 4.6 Đồ thị phụ thuộc bước sóng phát xạ laser DFB vào thay đổi nhiệt độ đế 57 4.7 Cách tử FBG bọc hạt nano CdSe (trái); FBG bọc hat nano sau bọc ống teflon (phải) 58 4.8 Sơ đồ khảo sát phụ thuộc bước sóng phản xạ cách tử Bragg vào thay đổi nhiệt độ 59 4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ cách tử gây thay đổi nhiệt độ khoảng 10 -100oC 59 4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ FBG vào nhiệt độ môi trường 60 4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg sợi quang 61 4.12 Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện 61 4.13 Sơ đồ mạch in thu xử lý tín hiệu quang 62 4.14 Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện photodiode hệ cảm biến 62 Danh mục bảng biểu Thứ Tự Tên bảng biểu Trang Bảng 4.1 Cường độ tín hiệu lớn Photodiode so với thay đổi nhiệt độ FBG laser diode Danh mục từ viết tắt OSA (Optical Sepectrum Analyzer): Máy phân tích phổ quang FBG (Fiber Bragg Grating): Cách tử sợi quang DFB (Distributed Feedback Gratings): Cách tử phản hồi phân bố EDFA (Erbium Drop Fiber Amplifier) : Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium LCD (Liquid-crystal Display): Màn hình tinh thể lỏng 64 55 Hình 3.20 Phổ phản xạ cách tử bước sóng λ=1557.198nm Hình 3.21 Phổ phản xạ cách tử bước sóng λ=1557.3nm Trên hình 3.19,3.20,3.20 trình bày kết chế tạo cách tử có bước sóng phản xạ 1550,08 nm, 1557,198nm, 1557,3nm Các cách tử có độ phản xạ từ 60-80 %, có độ bán rộng phổ 0.13 - 0.18nm 56 Chương 4: Kết thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến Để xây dựng cấu hình cảm biến chúng tơi phải thực công việc sau: Chế tạo cách tử Bragg vùng bước song 1550 nm (đã làm chương 3); Khảo sát phụ thuộc bước sóng phat xạ laser DFB vào nhiệt độ đế laser; Khảo sát thay đổi bước sóng phản xạ cách tử vào nhiệt độ; Thiết lập hệ cảm biến đo nhiệt đô Sau tiến hành thực nghiệm theo bước 4.1 Khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ laser DFB vào nhiệt độ đế Để khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ laser DFB vào nhiệt độ đế laser sử dụng hệ mạch điều khiển dịng ni cho pin peltier qua điều khiển nhiệt độ đế laser hình 4.1 đây: Hình 4.1 Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin peltier dùng để điều khiển nhiệt độ đế laser Trên hình 4.1 laser DFB gắn phiến nhôm (1), phiến nhôm đặt pin peltier (2) Chúng sử dụng pin peltier modul laser bơm công suất cao để điều khiển nhiệt độ cho laser DFB có độ ổn định cao Mạch điện tử dùng để điều khiển dòng cho pin peltier thiết kế với độ ổn định tốt điều khiển nhiệt độ đế laser ổn định sai số nhiệt độ 0.1 độ Mạch điện điều khiển nhiệt độ cho laser bơm hoạt động theo nguyên lý sau: 57 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn định nhiệt độ - Cảm biến nhiệt độ bên module laser tạo điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ laser Mạch điện tử so sánh điện áp cảm ứng với điện áp chuẩn (tương ứng với nhiệt độ chuẩn, thường đặt 250C) Kết xử lý mạch so sánh điều khiển dòng điện chạy qua pin Peltier Chiều độ lớn dòng điện qua pin Peltier thiết kế thích hợp cho nhiệt độ laser ln nhiệt độ chuẩn Để hệ thống điều khiển nhiệt độ hoạt động ổn định, thiết kế hệ điều khiển hai phương pháp: xử lý kỹ thuật tín hiệu tương tự (analog) xử lý kỹ thuật số (digital) - Sơ đồ điều khiển ổn định nhiệt độ cho laser phối hợp hai mạch điều khiển là: mạch điều khiển tương tự mạch điều khiển số hình 4.2 Nguyên tắc hoạt động phương pháp xử lý tín hiệu tương tự mạch so sánh tín hiệu điện với giá trị điện áp chuẩn Điện áp sai lệch tạo dịng điện qua pin Peltier thích hợp, cho pin Peltier điều khiển nhiệt độ laser với nhiệt độ chuẩn Trong phương pháp xử lý số, điện áp điều khiển pin Peltier xuất phát từ chương trình phần mềm, nguyên tắc hoạt động phương pháp là: Biến đổi giá trị điện áp thị nhiệt độ thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter – ADC), sử dụng vi xử lý để so sánh xử lý giá trị số chương trình phần mềm Các kết xử lý chương trình chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện áp nhờ mạch chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter – DAC) Sau mạch DAC điện áp điều khiển dòng điện cấp cho pin Peltier, chiều độ lớn dòng điện qua pin Peltier tính tốn cho nhiệt độ laser bơm luôn nhiệt độ chuẩn Phổ phát xạ laser quan sát máy phân tích phổ quang theo sơ đồ hình 4.3 58 Sợi quang đơn mốt Laser DFB Máy phân tích phổ quang (OSA) Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 4.3.Sơ đồ quan sát phổ phát xạ laser DFB phụ thuộc vào nhiệt độ đế Ở điều kiện ban đầu mạch điều khiển nhiệt độ thiết lập nhiệt độ đế laser 23oC bước sóng phát xạ laser ổn định Khi thay đổi nhiệt độ đế laser dẫn tới phổ phát xạ laser thay đổi, thay đổi quan sát thơng qua máy phân tích phổ quang Hình 4.4 Máy đo phổ quang (OSA) với băng tần từ 600 nm đến 1700 nm, độ phân giải phổ 0,01 nm Thiết bị đo phổ Advantest Q8384 máy phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang sử dụng cách tử nhiễu xạ Thiết bị Q8384 có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm, độ xác bước sóng đo ±20pm, vùng bước sóng hoạt động từ 600nm đến 1700nm, vùng cơng suất quang đo từ -87dBm đến 23dBm (tương đương từ pico-watt đến 200 mW) Thiết bị sử dụng hình hiển thị LCD màu phím 59 điều khiển mặt máy với hướng dẫn sử dụng tiện lợi Số liệu đo đạc lấy ổ đĩa mềm 3.5 inch đồ thị qua máy in nội Laser DFB laser diode phát xạ đơn mốt với độ bán rộng phổ 