Luận văn 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 và 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 1 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, cảm ơn phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy tận tình giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Xin chân thành cảm ơn các anh, chị thuộc tập thể Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi Viện Khoa học vật liệu– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, hoàn thành luận văn thạc sĩ. Tôi xin gửi lời cảm ơn các thầy cô ở ở khoa vật lý kỹ thuật tại trường đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua, và giúp đỡ tôi tích lũy những kiến thức vô cùng quý báu cho những nghiên cứu khoa học trong tương lai. Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh 2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là luận văn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của phó giáo sư, tiến sĩ Phạm Văn Hội. Các số liệu, kết quả trong luận văn này là trung thực và do chính tôi thực hiện. Tất cả các tài liệu, công trình nghiên cứu của các tác giả khác được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong quá trình làm luận văn này đều được liệt kê và trích dẫn rõ ràng trong phần danh mục các tài liệu tham khảo. Hà nội, Ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh Mục Lục Lời cảm ơn .................................................................................................................. 1 Lời cam đoan ............................................................................................................... 2 Danh mục các hình vẽ .................................................................................................. 3 Danh mục bảng biểu .................................................................................................... 6 Danh mục từ viết tắt..................................................................................................... 6 Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi .............................................................. 9 1.1. Phân loại cảm biến quang sợi ........................................................................ 9 1.2. Cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh .................................................... 9 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 của ánh sáng ..................................... 15 1.3.4. Cảm biến quang sợi dựa vào phổ quang ................................................... 20 Chương 2 : Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang ..... 23 2.1. Tổng quan về cách tử Bragg trong 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 và phổ truyền qua của FBG ................................................... 27 2.2. Laser bán dẫn.................................................................................................. 27 2.2.1. Tăng ích quang .......................................................................................... 27 2.2.2. Hồi tiếp và ngưỡng phát laser .................................................................... 28 2.2.3. Cấu trúc của laser bán dẫn ......................................................................... 30 2.2.3.1. Laser bán dẫn khuếch đại do dẫn sóng (laser công tắc dải) ..................... 31 2.2.3.2 Laser dẫn sóng chặn bằng 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 trong vùng 1550 nm ........... 37 3.1. Các phương pháp chế tạo FBG ........................................................................ 37 3.1.1. Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia ................................ 38 3.1.2. Phương pháp chế tạo FBG qua Phase Mask. .............................................. 39 3.1.3. Phương pháp chế tạo FBG bằng hệ giao thoa kế ........................................ 42 3.2. Chế tạo cách tử Bragg trong 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 quả chế tạo cách tử .................................................................................... 51 3.3.1. Một số dụng cụ cần thiết ............................................................................ 51 3.3.2. Khảo sát các thông số nội của FBG ........................................................... 52 3.3.3. Kết quả chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm 54 Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến ............................................. 56 4.1 Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế ... 56 4.2. Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của 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 3 Danh mục các hình vẽ Thứ tự Tên hình vẽ Trang 1.1 Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máy móc 8 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo sức căng cơ khí của hệ thống 9 1.3 Cảm biến vi uốn cong đơn giản 10 1.4 Một ứng dụng của 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 trên hiện 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 của 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 trên giao thoa kế Mach-Zehnder 17 1.11 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ của cách tử Bragg trong sợi quang 18 1.12 Thí dụ về ứng dụng của cảm biến quang sợi đo biến dạng trong thiết kế cánh máy bay phản lực 19 2.1 Phản xạ Bragg 20 2.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg 22 2.3 Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử. a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu 23 2.4 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot của nó 26 2.5 Các mode dao động trong buồng cộng hưởng của 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 4 Thứ tự Tên hình vẽ Trang 2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải) 30 2.9 Sơ đồ nguyên lý của 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 là photodiode 33 3.1 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang 34 3.2 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG 35 3.3 Chế tạo FBG dùng Beam splitter 36 3.4 Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask 37 3.5 Chùm UV tới vuông góc được 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 bằng hệ gương giao thoa 39 3.8 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot (tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học) 40 3.9 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG 42 3.10 Phase Mask 42 3.11 Gương quét (scaning mirror) 43 3.12 Hai gương giao thoa 43 3.13 Nguyên lý hoạt động của Circulator 49 3.14 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ 49 3.15 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử 49 3.16 Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử 50 3.17 Mô hình đo truyền qua của FBG 50 3.18 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua 51 3.19 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1556.85nm 51 3.20 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ=1557.198nm 52 5 Thứ tự Tên hình vẽ Trang 3.21 Phổ phản xạ của cách tử tại 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 của mạch ổn định nhiệt độ 54 4.3 Sơ đồ quan sát phổ phát xạ của 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 của laser DFB bị dịch do thay đổi nhiệt độ 56 4.6 Đồ thị sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào sự thay đổi nhiệt độ của đế 57 4.7 Cách tử FBG được bọc hạt nano CdSe (trái); FBG được bọc hat nano sau đó bọc ống teflon ra ngoài cùng (phải) 58 4.8 Sơ đồ khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của cách tử Bragg vào sự thay đổi nhiệt độ 59 4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khoảng 10 -100oC 59 4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ môi trường 60 4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang 61 4.12 Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện 61 4.13 Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang 62 4.14 Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện trên photodiode trong hệ cảm biến 62 6 Danh mục bảng biểu Thứ Tự Tên bảng biểu Trang Bảng 4.1 Cường độ tín hiệu lớn nhất của Photodiode so với sự thay đổi nhiệt độ của FBG và laser diode 64 Danh mục từ viết tắt OSA (Optical Sepectrum Analyzer): Máy phân tích phổ quang FBG (Fiber Bragg Grating): Cách tử trong 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. 7 Mở đầu Sự phát triển của nền công nghiệp quang điện tử và thông tin quang trong những thập niên qua đã góp phần phát triển nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Trong đó, lĩnh vực nghiên cứu sử dụng sợi quang trong thiết kế các cảm biến đang rất được quan tâm. Các cảm biến quang phát triển nhanh chóng thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội như: - Kích thước nhỏ - Khối lượng nhẹ - Băng thông rộng - Độ nhạy cao - Ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường - Bền trong môi trường khắc nghiệt Cảm biến quang học dựa trên cách tử Bragg (Fiber Bragg Gratting (FBG)) đã thu hút sự chú ý ngay từ khi nó được phát minh. FBG không chỉ được biết đến trong các lĩnh vực quang tử, truyền thông mà nó còn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu cảm biến. Cảm biến sử dụng FBG có khả năng đo được các thông số như sức căng, nhiệt độ, áp suất, hóa học hay sinh học và nhiều thông số khác [4,7,11]. Với sự linh hoạt trong thiết kế cảm biến FBG có thể sử dụng đơn điểm hoặc thành một dãy nhiều điểm với chi phi rẻ. Bởi vậy nó trở thành một thiết bị lý tưởng được áp dụng cho vô số các ứng dụng cảm biến khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau và công nghiệp. Với bất kỳ sự thay dổi bước sóng phản xạ của cách tử Bragg đều bị ảnh hưởng bởi các yêu tố như nhiệt độ, áp suất hay sức căng.Ví dụ như đáp ứng nhiệt của cảm biến dựa trên FBG bị ảnh hưởng bởi cả hai yếu tố: sự giãn nở nhiệt của vật liệu và sự thay đổi chiết suất do nhiệt độ. Sự thay đổi bước sóng phản xạ của FBG thường được phát hiện bằng cách đo bước sóng thông qua máy phân tích phổ quang. Điều đó là một bất lợi của cảm biến dựa trên FBG do có giá thành của sản phẩm lớn. Trong luận văn này chúng tôi đề xuất một phương pháp mới phát hiện sự dịch bước sóng phản xạ của FBG thông qua điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser đơn mode DFB (Distributed Feedback Gratings) thông qua sự thay đổi nhiệt độ trên đế laser. Chúng tôi sẽ thu được cường độ lớn nhất ở detector khi bước sóng phát xạ của laser trùng với bước sóng phản xạ của cách tử. Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ của cách tử chế tạo trên sợi thủy tinh là rất nhỏ 11pm/ oC [5,3]. Do vậy các nghiên cứu thường bọc cách tử FBG bằng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn để tăng độ đáp ứng nhiệt của cách tử. Khi nhiệt độ tăng lên vật liệu bọc sẽ bị giãn nở tạo ứng suất lực lên cách tử FBG. Tuy nhiên nếu vật liệu bọc phủ không đều trên bề mặt cách tử dẫn tới ứng suất lực gây lên cách tử không đồng nhất gây hiện tượng giãn phổ phản xạ của cách tử hoặc gây hỏng cách tử [8]. Chúng tôi đã trộn hạt nano CdSe vào vật liệu 8 bọc trước khi phủ ra ngoài cách tử với mục đích làm cho vật liệu bọc được phủ trên bề mặt của cách tử đồng nhất do vậy sẽ tránh hiện tượng giãn phổ hoặc gây hỏng cách tử đồng thời tăng được độ đáp ứng nhiệt của cách tử là 22.7pm/ 0C. Các mẫu thử nghiệm đã cho thấy đáp ứng nhiệt tốt cho việc đô nhiệt độ trong vùng 0 - 100 oC khi nhiệt độ đế laser thay đổi trong khoảng 10 -50 0C và tỷ lệ /T của DFB laser là 77,5 pm. K-1. Các kết quả ban đầu chúng tôi thu được rất khả quan và đã được đăng trên tạp chí khoa học chyên ngành như: Tạp chí Communication in Physics, tạp chí Khoa học và Công nghệ năm 2013 Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang Chương 2: Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang Chương 3: Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến 9 Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi 1.1. Phân loại cảm biến quang sợi Hiện nay,có rất nhiều loại cảm biến quang sợi đang được nghiên cứu và sử dụng. Chúng ta có thể phân loại cảm biến quang sợi theo các tiêu chí như sau: - Căn cứ vào quá trình điều chế và giải điều chế của cảm biến có thể phân loại cảm biến cường độ (biên độ), cảm biến pha, cảm biến tần số hay cảm biến phân cực. Bởi vì việc phát hiện pha hay tần số trong quang học dựa trên kỹ thuật giao thoa nên chúng ta cũng gọi các cảm biến loại này là cảm biến giao thoa. - Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại trên cơ sở ứng dụng của chúng: cảm biến vật lý (ví dụ như đo nhiệt độ, sức căng, áp lực), cảm biến hóa học (ví dụ như đo nồng độ pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu,), cảm biến y sinh (đưa vào qua ống thông hay nội soi để đo lưu lượng máu, nồng độ glucose,). Các cảm biến quang sợi theo cường độ hay cảm biến giao thoa đều có thể được dùng trong các ứng dụng này. - Cảm biến quang sợi ngoại sinh và cảm biến quang sợi nội sinh là một cách phân loại khác. Ở cảm biến quang sợi ngoại sinh, quá trình cảm biến diễn ra bên ngoài sợi quang và sợi quang làm việc như một ống dẫn truyền ánh sáng đến vùng cảm biến một cách hiệu quả và theo mô hình mong muốn sẽ thu góp ánh sáng từ vùng cảm biến về trung tâm xử lý. Ngược lại, trong một cảm biến quang sợi nội sinh, một hoặc nhiều tính chất vật lý của sợi quang sẽ thay đổi khi có tác động của các thông số môi trường. - Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại theo đáp ứng với số điểm đo trong môi trường. Ba loại cảm biến quang sợi quan trọng là: cảm biến điểm- điểm, cảm biến tập trung và cảm biến phân tán. Trong cảm biến điểm-điểm có một điểm đo duy nhất tại điểm cuối của sợi quang tương tự như hầu hết các cảm biến điện. Cảm biến tập trung cho phép đo tại nhiều điểm trong môi trường do một hệ thống sợi quang đảm nhận và cảm biến phân tán có thể cảm nhận môi trường tại bất cứ điểm nào dọc theo một tuyến sợi quang. Mỗi loại cảm biến này lại được phân loại thành các loại nhỏ. Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét vài loại cảm biến quang sợi quan trọng nhất. 1.2. Cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh Trong cảm biến quang sợi nội sinh, các thuộc tính của chính bản thân sợi sẽ biến các thay đổi của môi trường thành dạng điều chế của chùm sáng truyền qua. Điều chế này có thể là cường độ, pha hay phân cực. Cảm biến quang sợi nội sinh diễn ra 10 trong chính bản thân sợi quang. Hầu như bất kỳ tác động môi trường nào cũng có thể được biến đổi thành tín hiệu quang để được phân tích, xử lý. Các trường hợp thông thường, mỗi tác động môi trường có thể được đo bằng hàng chục phương pháp sử dụng các loại cảm biến quang sợi khác nhau. Điều quan trọng là cần thiết kế cảm biến để thu được sự thay đổi mong muốn của môi trường. Ngược lại, trong cảm biến quang sợi ngoại sinh, sợi quang được sử dụng để mang ánh sáng (có mang thông tin ban đầu) vào trong một hộp đen có chứa môi trường cần đo và dẫn chùm sáng mang thông tin bị tác động bởi môi trường về thiết bị xử lý, phân tích. Hộp đen có thể chứa gương, khí hay tế bào chất lỏng, một nhánh cantilever hoặc hàng chục cơ chế khác có thể tạo ra để điều chỉnh hoặc biến đổi chùm sáng. 1.3. Cảm biến quang sợi dựa vào điều chế quang Các loại cảm biến quang sợi có điều chế quang gồm bốn loại chính. Dưới đây, chúng tôi sẽ thảo luận về mỗi loại cảm biến này. 1.3.1. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ ánh sáng Trong một vài khía cạnh, loại đơn giản nhất của cảm biến quang sợi dựa vào thay đổi cường độ ánh sáng thuộc loại cảm biến ngoại sinh dựa trên điều chế cường độ. Hình 1.1 sẽ chỉ ra một cảm biến dịch chuyển bao gồm hai sợi quang được giữ rất gần nhau. Ánh sáng được đưa vào một sợi quang, khi nó đi ra, chùm sáng mở rộng thành hình nón mà có góc phụ thuộc độ dịch chuyển. Hình 1.1: Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máy móc. 11 Hình 1.2. Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo sức căng cơ khí của hệ thống Với loại cảm biến này hệ số điều chế thông thường có thể được định nghĩa là: Ở đây, I là sự thay đổi công suất quang gây ra bởi điều chế, I0 là công suất quang đạt được tại đầu thu khi không có điều chế và P là nhiễu. Hình 1.2 là một mẫu cảm biến dịch chuyển sử dụng trong một hệ thống để giám sát sức căng hay độ dịch chuyển của một hệ cơ khí. Khi có một sự dịch chuyển hay một lực căng cơ học xảy ra sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai lõi sợi quang do vậy thay đổi khẩu độ số của chùm sáng làm cho cường độ tín hiệu thu được tăng lên hoặc giảm đi. Nhờ hệ thống phân tích sẽ biết được sức căng hay độ dịch chuyển. 12 Hình 1.3: Cảm biến vi uốn cong đơn giản Tuy nhiên, cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có một số hạn chế như mất mát và thăng giáng trong hệ thống không liên quan đến tác động của môi trường. Hạn chế này xảy ra liên quan tới mất mát do các đầu nối và bộ chia, mất mát do micro hay macro bending, sai lệch cơ khí và sự lệch của nguồn sáng và đầu thu. Để giải quyết các vấn đề này nhiều cảm biến quang sợi dựa vào cường độ với độ phân giải cao đã triển khai thành công hai bước sóng. Một bước sóng đượ