基于石英光纤特性的相关研究及新型光纤传感器方面的综述

摘 要：文章主要就石英光纤在现阶段的一些特定用途而展现的特性作阐述。主要包括石英光纤的掺杂特性、光学特性做描述；后面会针对石英光纤在当代的主要制作工艺进行详细的介绍。除此，在最后的部分作者就当前最新的光纤传感器作了相应的描述。

关键词：石英光纤；光纤传感器；研究

中图分类号：TN253 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0062-02

Abstract： In this paper， the characteristics of silica optical fiber in some special applications at the present stage are described. It mainly includes the doping characteristics and optical properties of the silica fiber. The main fabrication process of the quartz fiber in the contemporary will be introduced in detail. In the last part， the author describes the latest optical fiber sensors.

Keywords： quartz optical fiber； optical fiber sensor； research

1 基于石英光纤的光敏特性的概述

紫外光诱导折射率变化形成永久性光纤光栅是由于Si-Ge缺陷所致[1]。在此后的讨论中，作者主要是通过基于掺杂后的石英光纤的光学特性的一个方向——紫外光诱导光敏特性进行说明。

掺杂离子锗是辐射诱导缺陷机构产生的主要原因之一。根据紫外光照射前后对比各种缺陷浓度的测量结果即掺锗石英光纤材料的紫外吸收谱，几乎可以断定的是掺锗石英光纤材料光敏特性的主要来源之一是紫外光照下光纤材料缺氧锗缺陷的光电离。除此，基于载氢参量如压力、时间对石英光纤材料折射率的改变可以进而对石英光纤光敏性改进。

2 基于石英光纤掺杂特性的研究

2.0μm掺铥光纤激光器和传统掺铒光纤激光器和传统的掺镱光纤激光器相比有更高的受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射阈值（SRS）阈值，在输出窄线宽和高脉冲能量方面有更大的优势。

掺铥光纤放大器主要包括功率放大器和光纤预放大器，其中掺铥光纤预放大器主要构成为（2+1）×1的抽运合束器、6m长的双包层单模掺铥光纤、总输出功率为10W的多模半导体激光器、该掺铥增益光纤的内包层直径为130μm，直径为10.0μm，并且增益光纤在790nm处包层抽运吸收率大约为3dB/m。除此，掺铥光纤放大器主要包括（2+1）×1的抽运合束器、4.7m长的大模场面积双包层掺铥光纤、总输出功率为69W的6个790nm半导体激光器、该掺铥增益光纤的内包层直径为400μm，直径为20.0μm，该增益光纤在790nm处包层抽运吸收率大约为4.5dB/m[2]。

3 基于石英光纤的制作工艺概述[3]

3.1 改进型气相沉积工艺

目前商用的稀土掺杂光纤预制棒最主要的工艺即为MCVD结合溶液掺杂法的工艺。所谓溶液掺杂法即从沉积车床取下内壁沉积有疏松SiO2层的石英沉积管，并且将其竖直浸润于掺杂有稀土离子和共掺离子的溶液中，经过大约一小时或更长的时间后，等待掺杂离子进入至疏松新层，然后将沉积管装回沉积车床，经过一系列的工艺如干燥、烧结、缩棒等处理，最终得到光纤的预制棒。该方法制备的损耗低、光学质量优异、由于简便灵活而应用广泛。然而，为适应高功率激光器对大模场直径的要求，在200℃具有较高蒸汽压的稀土螯合物应运而生，由于产生气相的设备较为简单，因此它相比于稀土离子的氧化物具有更大的优势。同时200℃具有较高蒸汽压的稀土螯合物在传输过程中不易发生凝结，因而可以实现与SiCl4的共沉积。

除此，在線溶液掺杂工艺改变了传统溶液中竖向放置位置。南安普顿大学光电子研究中心提出了稀土掺杂物直接在沉积车床上的沉积管的内部靠近沉积区外加热，即化学坩埚沉积法；这对于增加沿套管长度方向掺杂物质的均匀性十分有利。

3.2 外部气相沉积工艺

利用OVD制备稀土掺杂石英芯棒的工艺是美国康宁公司开发的，这种方法以氧气作为载气，烧嘴处接受含有Yb、Al的气相前驱物（Yb、Al的金属有机螯合物），这样可以使其在氢氧焰处发生水解反应生成粉尘微粒并沉积在基棒（通常为Al2O3陶瓷或高纯石墨材质）上。最后通过移除基棒，将带有中心孔的疏松棒体放入高温炉内进行纯化、烧结等处理以得到无气泡的透明的实心玻璃棒，即为芯棒。

3.3 纳米粒子直接掺杂

还有一种类似OVD技术的纳米粒子直接沉积工艺是由美国nLIGHT公司开发。而DND区别于OVD工艺的地方是，DND工艺是分别用氢氧焰加热通过两个烧嘴注入稀土化合物和其他共掺化合物等原子化的液体物料及SiCl4等气体物料，该方法通过物料在氢氧焰处发生反应已达到部分反应物以颗粒的形式直接沉积在基棒上。通过计算机的控制可以实现注入两个烧嘴的物料的量的精确比例。当沉积过程完成后，移去基棒，在高温炉内通过干燥、清洁、烧结和缩棒等工艺就可以得到实心的芯棒。在热处理之前在芯棒外套上圆形或者其他特定形状的石英套管后，经热处理工艺即得到预制棒。

4 新型光纤传感结构[4]

4.1 光纤光栅传感器

FBG传感器是基于分布式结构的灵敏度高传感器。它的目的是在一根光纤内实现多点测量。对于实际的大型器件及工程进行安全检测而言该传感器具有绝对的优势；同时在化工生产中它更可以替代其他类型的化工生产传感器。由于该光纤光栅传感器的交叉传感灵敏度，如温度与应力交叉的传感低于单一传感器的灵敏度，所以该传感器并没有广泛应用于实际过程中。

4.2 阵列复用传感系统

阵列复用传感系统的设计思想是采用复用、空分复用、时隙复用等方式进行传输。它阵列化了单点光纤传感器并以此在三维空间实现多点分时或者同时传输信号。采用WDM/TDM的FBG型阵列系统与各种复用技术兼容，它可以在应力多点采集的分布式系统同时完成对温度以及应力的数据采集及测量，应用十分广泛。

4.3 分布式光纤传感系统

分布式光纤传感器以实现长距离、大范围的传感为宗旨而设计。目前基于散射机理的分布式传感系统是分布式传感器的一个研究热点。该种技术涉及后向瑞利散射分布式光纤传感技术，前向传输模耦合技术。

4.4 智能化光纤传感系统

光纤传感与通信技术和当今成熟的计算机技术相融合是光纤传感器的智能化主要体现。智能化光纤传感系统也在很多新的领域受到广泛关注与应用，例如在智能材料、聲发射检测、石油勘探等一些实际工程案例中具有良好的应用。

4.5 掺杂光纤放大器发展及其应用

而EDTFA可以工作在整个C+L波段。在L波段（1581-1616nm）EDTFA的噪声和增益特性在2000年被A.Mori首次报道。

EDTFA与EDFA的工作原理相同，但是EDTFA改善了EDFA的石英基而采用碲酸盐玻璃基质。这样增大了铒离子的受激发射截面和增益带宽，同时较氟化物玻璃有较好的化学稳定性。

5 总结与展望

石英作为最基本的光纤材料在光纤的发展史上独树一帜，成为了每一个团队竞相研究的热点。在文章中，作者主要就石英光纤材料的特性做了详细的概述。在基于石英光纤材料特性的基础上可以方便读者理解石英光纤成为光纤材料研究热门的原因。在石英光纤材料的众多研究中，光纤传感成为了研究的热点之一。在文章的后半部分作者罗列了有关光纤传感的一系列应用，可见光纤传感，特别是基于基本石英材料的光纤传感已经成为了光纤发展史上浓墨重彩的一笔。在此，作者谨向为光纤材料发展做过贡献的每一位研究者以及作者团队的每一位成员致以最崇高的谢意。

参考文献：

[1]孙英志，余重秀，林金桐.基于色心模型掺杂硼锗光纤材料紫外光诱导光敏特性的实验分析[J].通信学报，2000.

[2]王璞，刘江.2.0μm掺铥超短脉冲光纤激光器研究进展及展望

[J].中国激光，2013.

[3]刘双，陈丹平.稀土掺杂石英光纤预制棒制备工艺最新进展[J]，激光与光电子学进展，2013.

[4]吴军玲.光纤传感技术的应用进展[J].甘肃科技纵横，2017.

[5]陈冀景.基于石英光纤材料的发展历程以及当今基于石英光纤材料从事研究和进展方向概述[J].科技创新与应用，2018（25）：89-90.