稀土掺杂特种光纤的制备与应用研究（项目总结报告）

《光子学基础》课程项目

研究报告

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二零 年 月 日

稀土掺杂特种光纤的制备与应用研究

刘瑶、瞿诗雨、胡天骄、陈伟杰

2015年1月3日

摘 要：近年来，特种光纤及器件在光纤通信、光纤传感、光纤激光等领域有非常广泛的应用。 关键词：

English Title Uses the Same Format as the Chinese Title

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引言：

稀土掺杂特种光纤在光纤激光器、放大器和传感器中有着广泛的应用，并且最近几年得到了很大的发展，所用的掺杂剂有Nd3+, Era+, Ge3+, Pr3+, Ho3+, Eu3+等。稀土掺杂光纤对于光纤激光器、放大器和传感器等各种应用具有很大的吸引力。它的特点是具有圆柱形波导结构，芯径小，很容易实现高密度泵浦，使激射阀值低，散热性能好，其芯径大小与通信光纤很匹配，耦合容量及效率高，可形成传输光纤与有源光纤的一体化，是实现全光通信的基础。

近年来，纳米技术在光纤制备和加工领域，尤其在改善光纤性能、研制新型光纤器件等方面起到了重要的作用。纳米技术的应用主要在两个方面：①采用特种拉锥技术，可以制备具有几十纳米到亚微米直径的纳米尺度光纤；②采用纳米掺杂技术，可以将各种材料以纳米薄膜或纳米粒子的形式掺入到光纤中，从而提升现有光纤的光放大、光非线性、光纤激光等方面的性能。

正文：

一、纳米半导体掺杂光纤制备

目前，一般采用改进化学气相沉积(modified chemical vapor deposition , MCVD)技术制备纳米掺杂半导体光纤预制棒，并采用常规石英光纤拉丝塔拉制光纤。光纤预制棒的制备工艺流程如下：首先，以纯石英管作为预制棒基管，通入SiCl4和氧气反应生成二氧化硅，作为包层结构；其次，InP层和二氧化硅层交替沉积，作为有源内包层结构，其中InP的沉积采用高温气化方法，并采用氮气作为载气，以避免半导体材料的氧化；再次，通入GeCl4 , SiCl4和氧气反应生成掺锗二氧化硅，作为纤芯；最后，在高温条件下对反应基管进行玻璃化和收

棒。

在沉积过程中，对未完全玻璃化的InP沉积样品进行透射电镜测试，结果如图1所示。图中可见，二氧化硅材料中掺入了具有纳米尺度的InP粒子。利用光纤预制棒分析仪(PK2600)对纳米半导体掺杂光纤预制棒的折射率分布进行观测，结果如图2所示。光纤预制棒具有纤芯和2个InP掺杂内包层结构，其中第一个InP掺杂内包层具有较高的掺杂浓度和厚度，折射率差高达2. 5%；第二个InP掺杂内包层具有较低的掺杂浓度，折射率差为0.3%。

利用普通石英光纤拉丝塔将上述纳米InP掺杂光纤预制棒拉制成纤，为了与普通单模光纤匹配，光纤外径取为125 微米。利用光学显微镜对拉制所得光纤的端面进行观察，纤芯直径约为8 微米，InP内包层厚度约为400 纳米。

二、稀土掺杂特种光纤应用研究

（一）稀土掺杂光纤传感器

由于光纤的复用性、适应恶劣环境下的工作能力、多功能、抗电磁干扰以及高精度等优点，光纤传感器的应用越来越广泛。掺杂稀土元素的光纤传感原件在光纤光学测温方面有很多发展，它的特点是廉价、本征和简单。

目前主要有三种形式的荧光光纤传感器：强度型、强度比型、寿命型。 1、 荧光强度比测温（强度比型）

相比于普通电传感器, 光纤温度传感器具有精度高、传感范围宽、不受电磁干扰等优点。基于荧光强度、荧光寿命的稀土掺杂光纤温度传感器容易受到外部环境的干扰, 测量精度存在不确定性。利用稀土离子两个能级的荧光强度的比值随温度变化的特性进行测温, 可消除这种干扰( 如泵浦源的噪声和波动) , 而且荧光强度比对应力的不敏感性, 使得它可以在很多应力与温度交叉敏感的传感系统中作为温度补偿。

荧光光纤温度传感器原理：光纤将脉冲调制光源（激光二极管）的激发光传输到荧光材料（Cr:LiSAF），由荧光材料激发曾相应产生的与温度相关的荧光衰减由探测及接受，计算机分析得荧光寿命参数。

下图为Cr:LiSAF荧光测温系统

荧光强度比测温技术测量两个不同高态能级到同一低态能级之间的荧光辐射强度比。温度升高时，较高能级发出的荧光强度随温度升高而增强，较低能级的荧光强度随温度升高而减弱，它们的比值随温度升高而增大。荧光光纤温度传感器由激发光源、光纤与光源的耦合、光纤与荧光材料的耦合组成。使用上转换发光（低能量光子激发得到高能量光子）材料NaYF4:Yb3+/Er3+在980nm激光激发下发出可见光，发射波长短于激发波长。

下图一为典型荧光材料的能级示意图，下图二为典型荧光强度比测温，下图三为掺杂光纤温度传感系统。

下图为实验测量装置

2、高压设备温度在线监测（寿命型）

我国大多数高压设备由于采用封闭结构设计且无内部散热装置，当长期工作在高电压、大电流、强磁场环境中时，高温将导致设备运行隐患。

基于荧光寿命的光纤温度传感器，用于高压开关柜出头温度监测，将稀土作敏感材料粘贴在被测体表面，以实现非接触测温。荧光光纤温度传感器的电磁不敏感性、尺寸小、本安、遥感能力，能适应高电压大电流检测环节，它的出现将可能解决这一难题。荧光寿命型传感器不受光源和探测器退化及光纤弯曲影响，修正也容易，所以在此采用其作为高压设备监测传感器。

根据敏感材料的光谱特性，光源通过准直系统耦合进入光纤，接收的荧光信号中混有激励光，通过光滤波器消除激励光。

下图一位探头结构，图二为处理电路框图。

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