Tổng quan về cảm biến quang sợi
Phân loại cảm biến quang sợi
Hiện nay, nhiều loại cảm biến quang sợi đang được nghiên cứu và ứng dụng Chúng ta có thể phân loại các cảm biến này dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau.
Cảm biến có thể được phân loại thành cảm biến cường độ (biên độ), cảm biến pha, cảm biến tần số và cảm biến phân cực dựa trên quá trình điều chế và giải điều chế Việc phát hiện pha và tần số trong quang học thường sử dụng kỹ thuật giao thoa, do đó, các cảm biến này còn được gọi là cảm biến giao thoa.
Cảm biến quang sợi được phân loại theo ứng dụng, bao gồm cảm biến vật lý (như đo nhiệt độ, sức căng, áp lực), cảm biến hóa học (đo nồng độ pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát xạ), và cảm biến y sinh (được đưa vào qua ống thông hoặc nội soi để đo lưu lượng máu, nồng độ glucose) Cả cảm biến quang sợi theo cường độ và cảm biến giao thoa đều có thể áp dụng cho các lĩnh vực này.
Cảm biến quang sợi được phân loại thành hai loại chính: ngoại sinh và nội sinh Cảm biến quang sợi ngoại sinh hoạt động bằng cách sử dụng sợi quang như một ống dẫn truyền ánh sáng từ vùng cảm biến về trung tâm xử lý, thu thập ánh sáng một cách hiệu quả Ngược lại, cảm biến quang sợi nội sinh dựa vào sự thay đổi của một hoặc nhiều tính chất vật lý của sợi quang do tác động của các thông số môi trường.
Cảm biến quang sợi được phân loại theo số điểm đo trong môi trường, bao gồm ba loại chính: cảm biến điểm-điểm, cảm biến tập trung và cảm biến phân tán Cảm biến điểm-điểm chỉ có một điểm đo tại cuối sợi quang, tương tự như các cảm biến điện thông thường Cảm biến tập trung cho phép đo tại nhiều điểm nhờ vào một hệ thống sợi quang, trong khi cảm biến phân tán có khả năng cảm nhận môi trường tại bất kỳ điểm nào dọc theo 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.
Cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh
Cảm biến quang sợi nội sinh sử dụng các thuộc tính của sợi quang để chuyển đổi những thay đổi môi trường thành tín hiệu ánh sáng, thông qua việc điều chế cường độ, pha hoặc phân cực Quá trình này diễn ra ngay trong sợi quang, cho phép bất kỳ tác động môi trường nào cũng được chuyển hóa thành tín hiệu quang để phân tích và xử lý.
Các tác động môi trường thường được đo bằng nhiều phương pháp khác nhau, sử dụng các loại cảm biến quang sợi Việc thiết kế cảm biến phù hợp là rất quan trọng để có thể ghi nhận sự thay đổi mong muốn trong môi trường.
Trong cảm biến quang sợi ngoại sinh, sợi quang truyền ánh sáng mang thông tin vào một hộp đen chứa môi trường cần đo Hộp đen này có thể bao gồm gương, khí, tế bào chất lỏng, hoặc các cơ chế khác như nhánh cantilever, nhằm điều chỉnh và biến đổi chùm sáng mang thông tin bị tác động bởi môi trường trước khi đưa về thiết bị xử lý và phân tích.
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
Cảm biến quang sợi đơn giản nhất hoạt động dựa vào sự thay đổi cường độ ánh sáng, thuộc loại cảm biến ngoại sinh điều chế cường độ Hình 1.1 minh họa một cảm biến dịch chuyển với hai sợi quang gần nhau Khi ánh sáng đi vào một sợi quang, nó sẽ thoát ra dưới dạng chùm sáng mở rộng thành hình nón, với góc phụ thuộc vào 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
Hình 1.2 Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo sức căng cơ khí của hệ thống
Hệ số điều chế của loại cảm biến này được định nghĩa là tỷ lệ giữa sự thay đổi công suất quang do điều chế (I) và công suất quang tại đầu thu khi không có điều chế (I0), trong khi P đại diện cho nhiễu.
Mẫu cảm biến dịch chuyển trong hệ thống giám sát sức căng và độ dịch chuyển của cơ khí sẽ phản ứng với sự thay đổi khoảng cách giữa hai lõi sợi quang khi có lực căng hoặc dịch chuyển xảy ra Sự thay đổi này làm thay đổi khẩu độ số của chùm sáng, dẫn đến sự tăng hoặc giảm cường độ tín hiệu thu được Hệ thống phân tích sẽ giúp xác định chính xác sức căng hoặc độ dịch chuyển.
Hình 1.3: Cảm biến vi uốn cong đơn giản
Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ gặp phải một số hạn chế như mất mát và thăng giáng không liên quan đến môi trường, chủ yếu do các đầu nối, bộ chia, và hiện tượng uốn cong Những vấn đề này bao gồm mất mát do micro hay macro bending, sai lệch cơ khí, và sự lệch của nguồn sáng và đầu thu Để khắc phục, nhiều cảm biến quang sợi với độ phân giải cao đã áp dụng thành công công nghệ hai bước sóng, trong đó một bước sóng được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi do sự thay đổi cường độ không mong muốn, giúp cải thiện độ chính xác của cảm biến.
Cảm biến quang sợi cường độ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều cơ chế biến đổi, dẫn đến sự thay đổi cường độ sáng khi chùm sáng truyền qua sợi quang Các yếu tố như mất mát do uốn cong, bộ hợp hai sợi quang, sự thay đổi lớp phủ, phản xạ, hấp thụ, suy hao, tán xạ phân tử, hiệu ứng phân tử và trường phân rã đều có thể tác động đến hiệu suất của cảm biến Một trong những công nghệ được sử dụng là vi uốn cong (micro bending), giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến quang sợi cường độ.
Khi uốn cong sợi quang, hiện tượng mất mát do uốn cong xảy ra, trong đó uốn cong cục bộ được gọi là vi uốn cong Cường độ sáng lối ra tỉ lệ thuận với lượng vi uốn cong, do đó, việc phát hiện sự thay đổi cường độ ánh sáng lối ra của cảm biến quang sợi cho phép đo lường lượng vi uốn cong một cách chính xác.
Ngoài việc đo dịch chuyển, các thông số như sức căng, áp suất, áp lực và thay đổi vị trí cũng có thể được thiết kế cơ khí để liên quan đến sự thay đổi vi uốn cong Do đó, những thông số này có thể được đo bằng cùng một cấu hình cảm biến quang sợi.
Hình 1.4 Một ứng dụng của cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn cong
Hình 1.4 là mô hình ứng dụng một cảm biến quang sợi sử dụng hiện tượng uốn cong để mô phỏng độ cong của một vật
Hệ sợi quang được đặt dọc vật sẽ thay đổi cường độ sáng khi có lực uốn cong, cho phép phân tích và mô phỏng độ cong bằng máy tính Cảm biến vi uốn cong sợi quang có ưu điểm giá thành rẻ và khả năng ứng dụng rộng rãi khi kết hợp với kỹ thuật phản xạ miền thời gian quang Tuy nhiên, nhược điểm chính của cảm biến này là độ chính xác tổng thể thường khá thấp Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp phản xạ.
Cảm biến quang sợi hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ, trong đó ánh sáng được truyền dọc theo sợi quang từ trái sang phải và tới gương phản xạ Khi gương phản xạ di chuyển gần đến sợi quang, cường độ ánh sáng phản xạ trở lại tăng lên Ngược lại, khi gương di chuyển ra xa, lượng ánh sáng phản xạ giảm, dẫn đến tín hiệu yếu hơn Do đó, khoảng cách giữa gương phản xạ và sợi quang có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ tín hiệu thu được.
Cảm biến quang sợi sử dụng phương pháp phản xạ và cường độ ánh sáng phản xạ để đo độ dịch chuyển Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự biến đổi cường độ nguồn sáng, có thể thêm một tín hiệu tham chiếu phù hợp vào loại cảm biến này Ngoài ra, cảm biến quang sợi dựa vào cường độ còn áp dụng phương pháp ghép sóng phù du.
Hiện tượng sóng phù du xảy ra khi ánh sáng lan truyền dọc theo sợi quang đơn mode, mở rộng ra vùng bọc thủy tinh xung quanh, và phần sóng ánh sáng này được gọi là sóng phù du Hiện tượng này được ứng dụng trong việc chế tạo bộ ghép/ tách quang, với cường độ ghép giữa hai sợi quang phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai lõi sợi; khoảng cách càng gần thì khả năng ghép càng mạnh Khi ánh sáng được đưa vào sợi quang, nó sẽ truyền đến vùng gần sợi thứ hai, cho phép một phần sóng phù du của sợi đầu tiên truyền vào sợi thứ hai, dẫn đến hiện tượng ghép sóng phù du Hệ số ghép tỉ lệ với khoảng cách giữa hai sợi quang, và khi có tác động từ môi trường như thay đổi áp suất, sóng âm hay nhiệt độ, khoảng cách giữa hai sợi sẽ thay đổi, làm thay đổi hệ số ghép và cường độ ánh sáng trên sợi thứ hai Nhờ vào việc theo dõi sự thay đổi cường độ ánh sáng của sợi thứ hai, chúng ta có thể nhận biết được sự biến đổi của môi trường.
1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng
Sợi quang, được chế tạo từ thủy tinh, có khả năng thay đổi chiết suất khi chịu áp lực hoặc sức căng, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đàn hồi quang Hơn nữa, áp lực hoặc sức căng tác động theo các hướng khác nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi chiết suất không đồng nhất, tạo ra sự khác biệt trong các hướng.
Sự sai khác pha giữa các hướng phân cực khác nhau cho thấy rằng, dưới tác động của áp lực hoặc sức căng, sợi quang hoạt động như một bộ trễ tuyến tính Bằng cách phát hiện sự thay đổi trong trạng thái phân cực đầu ra, chúng ta có thể thu thập thông tin về biến đổi của các thông số bên ngoài Để thiết kế một cảm biến quang sợi hiệu quả, cần chế tạo các cảm biến nhạy với thông số môi trường cần đo, đồng thời không nhạy với các thông số môi trường khác.
Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực cho thấy sự thay đổi chiết suất trong môi trường theo các hướng phân cực gần như đồng nhất, dẫn đến không có sự sai khác pha giữa hai trạng thái phân cực khác nhau, tức là delta=0 Do đó, biến động nhiệt độ môi trường không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến.
1.3.3 Cảm biến quang sợi dựa vào pha của ánh sáng
Pha của trường ánh sáng có thể biến đổi do các tác động bên ngoài, do đó cảm biến quang sợi có thể được phát triển dựa trên sự thay đổi này Mối liên hệ giữa sự thay đổi pha và sự khác biệt quang trình có thể được diễn đạt qua một biểu thức cụ thể.
Nghiên cứu cảm biến sử đo nhiệt độ sử dụng cách tử trong sợi quang
Tổng quan về cách tử Bragg trong sợi (FBG)
Cách tử Bragg (FBG) được coi là một phát minh quan trọng trong lĩnh vực thông tin quang, tương đương với sự phát minh ra Laser Hiện nay, FBG đang được nghiên cứu rộng rãi nhờ vào những ưu điểm nổi bật và ứng dụng đa dạng của nó, bao gồm bộ lọc, bộ tách/ghép quang, và bù tán sắc trong các hệ thống Đặc biệt, FBG có tiềm năng lớn trong lĩnh vực cảm biến.
FBG (Fiber Bragg Grating) là sợi quang đơn mode thông thường có chiều dài vài cm, với chỉ số chiết suất của lõi sợi thay đổi theo chu kỳ dọc theo chiều dài Chu kỳ này ảnh hưởng đến bước sóng phản xạ của cách tử, quyết định tính chất quang học của sợi.
FBG được tạo ra bởi Kenneth Hill vào năm 1978 tại Canada dựa vào
- GeO 2 – SiO 2 là vật liệu nhạy sáng
- Lõi sợi quang chịu ảnh hưởng lớn dưới tác dụng của chùm ánh sáng có bước sóng 244 (ánh sáng tử ngoại)
- Sự thay đổi hệ số khúc xạ trong lõi sợi
2.1.1 Điều kiện bước sóng Bragg
* Điều kiện phản xạ Bragg
Phản xạ Bragg xuất hiện tại bề mặt tiếp giáp giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau Khi ánh sáng chiếu vào, hiện tượng này tạo ra phản xạ có tính chu kỳ, được gọi là phản xạ Bragg.
Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp là a
Góc hợp bởi tia tới và tia vuông góc với tia phản xạ là θ
Hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng Ta có:
am n (2.1) Trong đó m là bậc nhiễu xạ n n
là bước sóng trong môi trường truyền dẫn λ là bước sóng trong chân không, n là chiếu suất của môi trường
Công thức (2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg
* Điều kiện bước sóng Bragg
Bước sóng Bragg phải thoả mãn hai định luật sau:
- Định luật bảo toàn năng lượng: tần số của sóng tới và sóng phản xạ phải bằng nhau vì năng lượng hf (h là hằng số Plank)
- Bảo toàn xung lượng: Vector sóng tới cách tử bằng vector sóng ra khỏi cách tử và vector sóng bị phản xạ
Trong đó: K f là Vector sóng tới cách tử
K i vector sóng ra khỏi cách tử
K vector sóng bị phản xạ Trong cách tử sợi tia phản xạ ngược với tia tới sợi nên
Xét bậc của tia phản xạ là m=1 vì tại bậc 1 năng lượng tập trung lớn nhất
Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được
B 2n eff (2.3) n eff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường tại bước sóng B
B là bước sóng Bragg bị phản xạ
là chu kỳ cách tử (từ 223nm đến 535nm)
Công thức (2.3) là điều kiện bước sóng Bragg
Gọi Pin là công suất của tín hiệu tới cách tử, Prefl là công suất tín hiệu khi qua cách tử
Ta có hệ số suy hao là: 10log 10 in ( ) refl
Khi ánh sáng đi qua FBG, chỉ một bước sóng bị phản xạ, trong khi các bước sóng khác tiếp tục truyền qua Do đó, phổ tín hiệu truyền qua FBG tại bước sóng Bragg sẽ bị giảm.
Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều với hằng số truyền dẫn lần lượt là β₀ và β₁ Năng lượng được chuyển giao giữa hai sóng này khi chúng thỏa mãn điều kiện cân bằng pha Bragg.
Trong đó là chu kỳ của cách tử Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan truyền
Năng lượng từ sóng truyền từ trái qua phải được kết hợp với sóng tán xạ, chuyển dịch ngược lại tại cùng bước sóng khi thỏa mãn điều kiện pha Bragg.
Bước sóng của sóng đến được ký hiệu là λ 0, trong khi chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi quang, tức là vật liệu làm cách tử Bragg, được ký hiệu là n eff Sóng sẽ được phản xạ khi thỏa mãn các điều kiện nhất định.
Bước sóng Bragg, ký hiệu là λ0, là bước sóng tại đó hiệu suất phản xạ đạt tối đa Khi bước sóng của sóng đến không khớp với bước sóng Bragg, hiệu suất phản xạ sẽ giảm Do đó, khi nhiều bước sóng được truyền vào cách tử Bragg, bước sóng Bragg sẽ được phản xạ, trong khi các bước sóng khác sẽ đi qua mà không bị tổn hao hoặc chỉ tổn hao rất ít.
Sự hoạt động của cách tử được thể hiện qua hình 2.3, cho thấy sự thay đổi tuần hoàn của chỉ số khúc xạ Sóng đến bị phản xạ từ mỗi chu kỳ của cách tử, và các phản xạ này sẽ cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ0 ở mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ0, tương ứng với điều kiện Bragg n eff 0 2.
* Độ ổn định của cách tử phụ thuộc vào một số yếu tố
- Loại và nồng độ của tạp chất pha tạp vào lõi
- Mật độ công suất tia sáng UV
- Phương pháp sử dụng để khắc cách tử Λ
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg
2.1.3 Phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG
Khi tín hiệu dải rộng đi qua cách tử, chỉ có bước sóng phù hợp với cấu trúc của cách tử được phản xạ lại, trong khi các bước sóng khác sẽ được truyền qua Cường độ tín hiệu phản xạ phụ thuộc vào chiều dài và độ chính xác của cách tử.
Laser bán dẫn
Laser bán dẫn là linh kiện phát quang lý tưởng cho thông tin quang nhờ vào công suất phát quang cao và góc phân kỳ nhỏ, giúp tăng hiệu suất ghép nối giữa laser và sợi quang Hiện nay, laser bán dẫn có khả năng phát chùm sáng với độ rộng phổ dưới 0,1nm tại -3dB và tần số điều biến trực tiếp vượt quá 25GHz Do đó, hầu hết các hệ thống thông tin quang hiện nay đều sử dụng laser bán dẫn làm nguồn phát tín hiệu quang.
2.2.1 Tăng ích quang Điều kiện đảo mật độ trong laser bán dẫn được thực hiện bằng cách pha tạp suy biến nặng các lớp p và n kẹp giữa lớp hoạt tính sao cho mức fermi nằm trong các vùng hoá trị và vùng dẫn λB λB
Tín hiệu được truyền qua
Tín hiệu được phản xạ Λ
Hình 2.3.Dạng phổ của tín hiệu khi qua cách tử a) Phổ tín hiệu vào, b) Phổ tín hiệu
Laser InGaAsP phát bước sóng 1,3 µm có hệ số tăng ích g < 0 khi mật độ hạt tải bơm N = 10^18 cm^-3 Khi mật độ N tăng lên, hệ số tăng ích g dần tăng và đạt giá trị dương.
Hệ số tăng ích g thay đổi tuyến tính với N, trong đó N lớn hơn cm Khi N tăng, đỉnh phổ phát xạ cũng dần dịch chuyển về phía sóng ngắn Sự phụ thuộc tuyến tính này giữa g và N là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
N có thể tính bằng công thức thực nghiệm [10]:
NT là giá trị mật độ hạt tải khi môi trường hoạt tính trở nên trong suốt với bước sóng phát, nơi mà quá trình hấp thụ và phát xạ diễn ra đồng đều Tiết diện tăng ích, hay còn gọi là tăng ích vi phân, được ký hiệu là σg Thông thường, NT và σg của laser InGaAsP có những đặc điểm riêng biệt.
Laser bán dẫn với σ g lớn có khả năng phát xạ ở mật độ dòng bơm nhỏ So với các loại laser thông thường, laser giếng lượng tử sở hữu σ g lớn hơn, cho phép chúng phát xạ hiệu quả tại dòng bơm rất nhỏ, khoảng 1mA.
2.2.2 Hồi tiếp và ngưỡng phát laser
Hồi tiếp quang là yếu tố thiết yếu cho sự hoạt động của laser Đối với laser bán dẫn, quá trình hồi tiếp quang diễn ra thông qua hai cạnh tinh thể, cho phép tạo ra laser mà không cần sử dụng gương ngoài.
Hệ số phản xạ trên bề mặt tinh thể được tính bằng công thức Fresnel:
(2.9) n – là chiết suất của vật liệu no=1 là chiết suất của không khí
Thông thường chiết suất của GaAs hoặc InP bằng 3,5 do đó Rm ≈ 30%
Xét sóng phẳng với biên độ Eo tần số ω và số sóng k n c
Sau một quy trình phản xạ vòng kín, biên độ của chúng được tăng lên exp 2 2 g L
Sự thay đổi của tăng ích và pha trong laser bán dẫn liên quan đến độ dài buồng cộng hưởng 2kL, trong đó L là độ dài buồng Biên độ thay đổi R được xác định bởi phản xạ trên hai gương và hấp thụ nội tại, bao gồm hấp thụ hạt tải tự do, tán xạ và một số cơ chế khác Hệ số phản xạ trên gương được ký hiệu là R1 và R2 Ở trạng thái dừng, sóng phẳng gần như không thay đổi sau một vòng phản xạ.
E o exp gL R R 1 2 exp int L exp 2 ikL E o (2.10) Biên độ và pha của hai phía như nhau, vậy ta nhận được: int int
Hình 2.4 Cấu trúc của laser bán dẫn và bộ cộng hưởng Faby-Perot của nó
Phương trình (3.37) cho thấy hệ số tăng ích là tổng mất mát của buồng cộng hưởng tại ngưỡng laser Tiếp theo, phương trình (3.38) chỉ ra rằng tần số phát ν có thể trùng với một trong các tần số νm Những tần số này là các mốt dọc và được xác định bởi độ dài quang nL Khe tần số ΔνL giữa các mốt dọc là hằng số.
trong đó chiết suất n bao gồm tán sắc của vật liệu vì vậy nên sử dụng công thức chiết suất nhóm n = n g và g n n dn
Thụng thường Δν L = 100ữ200 GHz khi L = 200ữ400àm
Laser Fabry-Perot (FP) thường phỏt đa mốt và BL ≈ 10(Gb/s)-km tại λ=1,55àm
2.2.3 Cấu trúc của laser bán dẫn
Laser bán dẫn dị thể thường có vựng hoạt tính mỏng (khoảng 0,1 µm) được kẹp giữa hai lớp bọc bán dẫn loại p và loại n, với độ rộng vùng cấm lớn hơn vùng cấm của các loại laser khác.
Profil phát xạ Các mode dọc
Laser bán dẫn có các mode dao động trong buồng cộng hưởng, với độ dài dao động từ vài chục đến vài trăm micro, tùy thuộc vào công suất phát của thiết kế laser.
2.2.3.1 Laser bán dẫn khuếch đại do dẫn sóng (laser công tắc dải)
Dòng bơm đi vào vùng hoạt tính qua một dải công tắc kim loại ở trung tâm laser, với độ rộng thay đổi từ 3-10 mm Hạt tải trong vùng hoạt tính sẽ được tập trung tại trung tâm dọc theo dải laser, đồng thời tăng ích quang cũng sẽ hội tụ tại khu vực này Ngoài dải bơm, vùng hoạt tính có hệ số hấp thụ cao, giúp ánh sáng truyền tập trung trong dải bơm Hiện tượng giam giữ ánh sáng do tăng ích quang được gọi là khuếch đại do dẫn sóng.
Chùm sỏng laser trên gương có tiết diện Elớp với kích thước thông thường 1.5 x 2 Khuyết điểm của loại laser này là kích thước chùm sáng không ổn định khi công suất phát tăng, do đó nó ít được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang chất lượng cao.
2.2.3.2 Laser dẫn sóng chặn bằng chiết suất (Index-guided laser)
Laser công tắc dải hoạt động theo nguyên tắc giam giữ ánh sáng theo chiều dọc nhờ vào chiết suất của vùng hoạt tính cao hơn vùng dị chất Tuy nhiên, ánh sáng theo chiều ngang không bị chặn, dẫn đến vấn đề ổn định mốt phát khi công suất quang thay đổi Laser dẫn sóng là một công nghệ liên quan đến hiện tượng này.
Dòng bơm Công tắc kim loại dạng dải
Công tắc Vùng phát xạ laser p-InGaAsP InGaAsP n-InGaAsP n-InP
Laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép (DHL) chặn bằng chiết suất đã khắc phục nhược điểm bằng cách chặn quang theo chiều ngang trong vùng hoạt tính thông qua việc pha tạp các chất có chiết suất nhỏ hơn Vùng hoạt tính có thể được chế tạo với tiết diện 0,1 x 1 mm² bằng cách chôn nhiều tạp chất xung quanh Laser này, còn được gọi là laser cấu trúc dị thể chôn, có thông số quang rất tốt và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hiện nay Tuy nhiên, do lớp hoạt tính rất mỏng (0,1 mm) và độ dài lớp bọc dị thể chỉ ở mức micron-mét, độ phân kỳ của chùm tia laser bán dẫn theo chiều dọc và ngang khác nhau, gây ra hiệu ứng loạn sắc (astigmatism) và giảm hiệu suất ghép nối laser-sợi quang Góc phân kỳ thông thường của laser này là α⊥ ~ 25° ÷ 30° và α// ~ 8° ÷ 18° cho các laser có độ rộng vùng phát xạ 0,1 x 5 mm².
Xây dựng cấu hình cảm biến
Cách tử Bragg trong sợi quang (FBG) được chế tạo bằng cách chiếu chùm tia UV với bước sóng 248 nm vào lõi sợi quang silica SiO2 pha tạp GeO2 nồng độ cao Tia cực tím tác động làm thay đổi cấu trúc liên kết của GeO2.
Vùng bơm n-type p-type n-type
Hình 2.8 Cấu trúc laser DFB (trái) và laser DBR (phải)
SiO 2 bị bẻ gẫy do đó các vùng bị chiếu ánh sáng tử ngoại sẽ có chiết suất thấp hơn so với vùng không bị chiếu Bằng phương pháp giao thoa kế Talbot (Mach Zehnder cải tiến) trên chùm laser UV , ta sẽ tạo được ảnh giao thoa gồm các đường sáng tối xen kẽ nhau, chiếu ảnh giao thoa này vào lõi sợi quang chúng ta thu được các vùng có chiết suất khác nhau sắp xếp xen kẽ theo chu kỳ dọc theo trục của sợi quang tạo ra cấu trúc của cách tử Bragg Khi có ánh sáng chiếu tới cách tử đóng vai trò như một gương phản xạ ánh sáng có bước sóng phù hợp tuân theo công thức B 2n eff sin (2.14) với B là bước sóng ánh sáng được phản xạ là chu kỳ của cách tử n eff là chiết suất hiệu dụng của cách tử, là góc tới của chùm sáng với trục cách tử Trong sợi quang góc luôn bằng
Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi chiết suất của cách tử khi nhiệt độ hoặc áp suất biến đổi, dẫn đến sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử Công thức tính toán cho loại cảm biến này là B = 2Λn eff.
Nguyên lý cảm biến nhiệt dọc theo trục sợi
Hệ số dãn nở nhiệt (α) khoảng 10^-6, hệ số quang đàn hồi (pe) của thủy tinh Silica khoảng 0,22, và hệ số quang nhiệt (ζ) có chiết suất thay đổi theo nhiệt độ khoảng 10^-5 Công thức (2.15) cho thấy sự thay đổi nhiệt độ (ΔT) ảnh hưởng đến các hệ số này Để đo sự thay đổi, ta xác định khoảng dịch bước sóng phản xạ (ΔλB) của cách tử, từ đó có thể biết được sự thay đổi nhiệt độ thông qua dịch bước sóng Bragg Cảm biến nhiệt độ sử dụng FBG thường áp dụng kỹ thuật “nhúng” vào môi trường có hệ số dãn nở nhiệt lớn để tăng độ nhạy.
Hệ số và của thủy tinh silica rất nhỏ khiến cho độ dịch chuyển bước sóng B chỉ đạt 11 pm/°C Cảm biến này kết hợp cả hiện tượng dãn nở và sức căng tác động lên sợi quang, với sơ đồ nguyên lý được trình bày bên dưới.
Sử dụng nguồn phổ dải rộng trong vùng bước sóng phản xạ của cách tử đưa vào cổng 1 của bộ Coupler phổ ánh sáng cho phép truyền tín hiệu đến cách tử ở cổng 2 Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong môi trường ảnh hưởng đến bước sóng phản xạ của cách tử, dẫn đến sự khác biệt so với bước sóng ban đầu Biến đổi này được ghi nhận trên bộ thu tại cổng 3, thường là máy phân tích phổ quang độ phân giải cao hoặc photodiode Mặc dù photodiode có thể thu được sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử Bragg, nhưng cần cấu hình phức tạp và chi phí cao Hiện nay, nghiên cứu về cảm biến FBG đang tập trung vào việc thay thế tín hiệu quang phổ bằng tín hiệu điện để giảm giá thành thiết bị.
Kể từ khi cách tử Bragg được phát minh vào năm 1978 bởi Kenneth Hill, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực thông tin quang sợi, bao gồm tách ghép bước sóng và bù tán sắc cho hệ thống truyền thông Đặc biệt, nghiên cứu ứng dụng cách tử Bragg trong cảm biến quang để đo nhiệt độ, áp suất, gia tốc và độ căng đang phát triển mạnh mẽ Tại Việt Nam, Viện Khoa học Vật liệu đã nghiên cứu việc sử dụng hạt nano bọc cách tử Bragg nhằm giảm độ giãn phổ phản xạ của cách tử khi nhiệt độ thay đổi Tuy nhiên, phần thu của cảm biến vẫn đang sử dụng máy phân tích truyền thống.
Cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg với độ phân giải cao không thể cạnh tranh về giá với các loại cảm biến bán dẫn Chúng tôi đề xuất một phương pháp kết hợp sự thay đổi bước sóng phản xạ do tác động môi trường với điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser đơn mốt, nhờ vào pin Peltier Phương pháp này cho phép sử dụng một photodiode để thu thập sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử thông qua cường độ phản xạ của cách tử FBG, đồng thời trùng hợp với phổ phát xạ của laser đơn mốt.
Laser phát xạ đơn mốt có bước sóng trùng với cách tử tại cổng 1 của bộ phản xạ vòng ở nhiệt độ phòng Ánh sáng từ laser truyền đến cách tử tại cổng 2, và bước sóng phản xạ được thu bởi photodiode tại cổng 3 Khi cách tử chưa bị tác động bởi môi trường, photodiode thu được công suất lớn nhất tại bước sóng λ của laser Tuy nhiên, khi môi trường thay đổi, bước sóng phản xạ dịch chuyển một khoảng B, dẫn đến công suất thu được giảm dần Đề xuất của chúng tôi là điều chỉnh bước sóng laser dịch chuyển một khoảng = B để tối ưu hóa công suất photodiode Nhờ đó, chúng tôi có thể xác định khoảng dịch của bước sóng cách tử tương ứng với biến đổi nhiệt độ chỉ với một photodiode.
Hình 2.10 Sơ đồ dự kiến nguyên lý cảm biến quang sử dụng dụng đầu thu là photodiode
Hình 3.1.Cấu trúc GeO 2 trong lõi sợi quang
Chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm
Các phương pháp chế tạo FBG
Để chế tạo FBG, ta áp dụng nguyên lý chiếu chùm tia tử ngoại có năng lượng cao nhằm thay đổi cấu trúc và chỉ số khúc xạ của lõi sợi quang Sự thay đổi này diễn ra theo quy luật tuần hoàn nhờ vào hiện tượng giao thoa giữa hai chùm tia UV.
Khi chiếu chùm UV với bước sóng 248nm vào sợi quang có lõi SiO2 pha tạp GeO2, vật liệu này thể hiện tính nhạy quang từ 14% đến 20% Tuy nhiên, nếu nồng độ pha tạp GeO2 quá thấp, sẽ không tạo ra được FBG.
Khi chiếu chùm UV vào sợi GeO2, cấu trúc của nó bị bẻ gãy, làm cho các nguyên tử Oxi dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu Sự thay đổi này dẫn đến việc chiết suất của sợi cũng thay đổi, tạo ra các mức chiết suất khác nhau ở từng đoạn trong lõi sợi Cụ thể, tại những khu vực có cường độ UV cao, chiết suất sẽ tăng lên.
UV thấp thì giữ nguyên chiết suất nên tạo được cấu trúc của FBG
Khi ánh sáng chiếu tới bề mặt có sự thay đổi về chiết suất, nó sẽ bị phản xạ trở lại Nếu điều kiện Bragg được thỏa mãn, bước sóng phản xạ Bragg sẽ được thu nhận.
Hình 2.6 mô tả nguyên lý chế tạo FBG dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm tia UV
Chú ý: khi sử dụng chất khác pha tạp vào lõi thì cần phải sử dụng bước sóng khác 248 để bẻ gãy mạch trong cấu trúc GeO 2
Các bước để chế tạo cách tử:
Để tạo ra FBG chính xác, bước đầu tiên là loại bỏ lớp bọc của sợi nhạy quang Quá trình này cần được thực hiện bằng máy gọt sợi quang trong phòng sạch, sau đó chiếu chùm tia UV lên sợi đã gọt.
Để tạo cách tử trên sợi, bước quan trọng là đặt sợi vào vị trí giao thoa của hai chùm tia một cách chính xác.
Có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử Sau đây chúng ta tìm hiểu một số phương pháp để chế tạo FBG
3.1.1 Phương pháp chế tạo FBG sử dụng bộ chia chùm tia
Phương pháp được mô tả trong hình 3.3 sử dụng bộ chia chùm tia để chia chùm UV thành hai phần, sau đó hội tụ tại góc θ nhờ sự phản xạ từ hai gương UV Phương pháp này cho phép lựa chọn bước sóng Bragg tùy thuộc vào bước sóng UV theo công thức: sin 2 eff uv = B uv n n.
Bước sóng phản xạ Bragg λ B, chỉ số mode hiệu dụng n eff trong sợi, chỉ số chiết suất của sợi trong vùng UV n uv, và bước sóng của bức xạ UV λ uv là những yếu tố quan trọng trong nghiên cứu quang học của sợi.
Cách tử Phần giao thoa Λ
Chùm tia UV Chùm tia UV
Hình 3.2 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG
Từ công thức trên, có thể nhận thấy rằng λB phụ thuộc vào bước sóng của chùm tia UV và góc hợp giữa hai chùm tia tới gây giao thoa tại sợi Do đó, khi thay đổi λ uv và θ, λB cũng sẽ thay đổi, dẫn đến chu kỳ cách tử cũng thay đổi theo.
Sợi quang được giữ tại điểm giao thoa của hai chùm tia, đánh dấu phương pháp đầu tiên thành công trong việc chế tạo cách tử tại bước sóng nhìn thấy Để đảm bảo tính chất của chùm tia không thay đổi khi tách ra thành hai phần, chùm laser cần phải đủ lớn Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt theo phương pháp này trong công nghiệp gặp nhiều khó khăn.
3.1.2 Phương pháp chế tạo FBG qua Phase Mask
Phương pháp này lợi dụng một phần tử quang nhiễu xạ để điều chỉnh chùm tử ngoại khắc
Nguyên lý nhiễu xạ qua Phase Mask cho thấy khi chùm tia UV được chiếu qua Phase Mask, nó sẽ nhiễu xạ thành nhiều bậc m = 0, ±1,… Hình 2.8 minh họa các bậc đến và bậc nhiễu xạ, tuân theo phương trình nhiễu xạ chung, trong đó Λpm là chu kỳ của Phase Mask.
Hình 3.3 Chế tạo FBG dùng Beam splitter sin sin 2 pm uv m i m
(3.2) θ m /2 là góc của bậc được nhiễu xạ, λ uv là bước sóng UV và θ i là góc của chùm
Khi chu kỳ của cách tử nằm giữa λ uv và λ uv /2, sóng đến chỉ bị nhiễu xạ một bậc (m = -1), trong khi phần công suất còn lại được truyền qua ở m = 0.
Nguyên lý chế tạo sử dụng Phase Mask giúp khắc cách tử hiệu quả hơn bằng cách chiếu tia UV vuông góc với Phase Mask Mặt cắt của cách tử tuần hoàn trong Phase Mask cần được lựa chọn sao cho chùm tia UV khi chiếu lên Phase Mask tạo ra chùm tia nhiễu xạ bậc không có công suất nhỏ hơn 5% công suất truyền, trong khi bậc 1 và -1 phải có công suất lớn nhất, vượt quá 37% công suất truyền.
Chùm tia tử ngoại đến θt θi
Hình 3.4 Nhiễu xạ của chùm tia tới Phase Mask Λpm m = -1 Chùm tia nhiễu xạ m = +1 m = 0 θ m /2 θ m /2 Chùm tia tử ngoại đến vuông góc
Hình 3.5 Chùm UV tới vuông góc được nhiễu xạ thành hai bậc1
Khi bức xạ UV chiếu vuông góc với Phase Mask (θi = 0), nó sẽ bị nhiễu xạ thành các bậc m = 0 và m = ±1 Đặt sợi ngay sau Phase Mask, mẫu giao thoa tại sợi của hai chùm nhiễu xạ bậc ±1 sẽ hội tụ với chu kỳ Λg, liên quan đến góc nhiễu xạ θm/2 theo một phương trình nhất định.
Chu kỳ của các vân giao thoa, ký hiệu là g, được xác định bởi bước sóng Bragg yêu cầu, ký hiệu là λB, cho cách tử trong sợi Việc này được thực hiện thông qua phương trình (2.8).
Chế tạo cách tử Bragg trong sợi
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã sử dụng hệ giao thoa kế Talbot tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học thuộc Viện Khoa Học Vật Liệu - Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam để chế tạo cách tử Bragg Sơ đồ nguyên lý của hệ giao thoa kế này được trình bày dưới đây.
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG dùng hệ giao thoa kế Talbot
(tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quang học)
* Tiến hành các bước như sau:
- Làm sạch buồng laser, các đường ống dẫn khí và nạp khí cho laser
- Bật máy tính và bắt đầu chương trình điều khiển giao thoa kế (xem chi tiết ở mục 3.1.1.3)
Nguyên lý chế tạo sử dụng nguồn laser Excimer với năng lượng 210mj/xung, bước sóng 248nm, độ rộng xung 10ns và tần số lặp lại từ 1-50Hz Chùm UV phát ra từ laser được chiếu vào gương quét 45 độ, sau đó được dẫn tới Phase Mask Tại đây, chùm tia bị tán xạ thành nhiều chùm ứng với các bậc 0, 1, 2, , nhưng chỉ sử dụng nhiễu xạ bậc 1 có cường độ lớn nhất, hướng tới hệ thống 2 gương giao thoa Sau khi phản xạ trên 2 gương này, hai chùm tia sẽ giao thoa trên sợi quang để tạo ra cách tử Để tránh ảnh hưởng đến quá trình chế tạo FBG, một tấm nhôm phẳng được đặt sau Phase Mask nhằm chắn chùm tia bậc 0.
Với nhiễu xạ bậc 1 và B là góc hợp bởi hai chùm tia giao thoa tại sợi, cách tử chế tạo được có chu kỳ:
uv là bước sóng của chùm tia UV (ở đây uv = 248nm )
Theo (3.1) ta thấy chu kỳ cách tử phụ thuộc vào uv (bước sóng của nguồn ) và
Để tạo ra các loại cách tử có chu kỳ khác nhau, người ta chế tạo hệ gương giao thoa có khả năng quay quanh trục một góc nhất định Khi gương quay và vị trí của sợi thay đổi, hai chùm tia giao thoa mới sẽ được tạo ra, dẫn đến các cách tử với chu kỳ và bước sóng phản xạ khác nhau.
Hình 3.9 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG
3.2.1 Mô tả giao thoa kế
3.2.1.1 Những thành phần giao thoa kế quan trọng
- 1 Phase Mask để chế tạo cách tử chu kỳ 560nm và một Phase Mask để chế tạo cách tử chu kỳ 1060nm
- 1 gương HR có độ phản xạ cao khi góc tới là 45 0 (gương quét)
- 2 gương giao thoa HR có độ phản xạ cao khi góc tới nằm trong khoảng từ 62 0 đến 78 0
- 2 giá quay chính xác M-037.DG cùng với một máy tính điều khiển dải dịch chuyển 90 0
- 1 giá thẳng chính xác M-405.DG với dải chuyển động 25mm để máy tính điều khiển sự sắp hàng của gương quét
Hình 3.11 Gương quét (scaning mirror)
Hình 3.12 Hai gương giao thoa
- 1 giá thẳng chính xác M-410.DG với dải chuyển động 50mm để máy tính điều khiển sự sắp hàng của sợi
- 1 giá máy đo góc dùng để điều chỉnh sự sắp thẳng hàng của Phase Mask bằng tay
- 1 giá thẳng để điều chỉnh khoảng cách giữa Phase Mask và các gương giao thoa bằng tay
- 2 kẹp sợi để đặt sợi
Khoảng cách các thành phần của giao thoa kế được xác định một cách chính xác + Khoảng cách giữa hai gương giao thoa là 62mm
+ Khoảng cách từ Phase Mask với chu kỳ 1060nm tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa là 128,8mm
+ Khoảng cách từ Phase Mask với chu kỳ 560nm tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa là 62,8mm
+ Khoảng cách của sợi tới đường kết nối ảo giữa hai tâm của gương giao thoa phụ thuộc vào vị trí của các gương giao thoa
Sự sắp xếp các thành phần của giao thoa kế có thể được tính toàn bằng thủ tục con “mô phỏng cài đặt giao thoa kế - INTERFEROMETER SETUP SIMULATION”
3.2.1.2 Những chú ý chung cho sự lắp đặt giao thoa kế
Giao thoa kế cần được đặt ở nơi khô ráo, sạch sẽ để tránh bụi bẩn, vì bụi có thể làm hỏng bề mặt quang Tất cả các kết nối điện phải thực hiện đúng theo hướng dẫn để đảm bảo an toàn Cần chú ý không để các motor va chạm với các thành phần cơ khí để tránh hư hỏng Trong trường hợp cần thiết, các nút bấm được tích hợp trong chương trình điều khiển để dừng motor ngay lập tức Nếu máy tính điều khiển không hoạt động, hãy ngắt kết nối các motor bằng cách tháo cáp hoặc tắt máy tính.
3.2.1.3 Thủ tục điều chỉnh giao thoa kế
Chùm laser được điều chỉnh để gương quét 45 độ và các thành phần của giao thoa kế (Phase Mask và sợi) được sắp xếp chính xác trên trục quang Gương giao thoa cần được quay chính xác quanh giá gương, và camera được cài đặt để quan sát các gương từ bên trên Kết nối camera với màn hình qua cáp đồng trục BNC (75Ω) để đánh dấu vị trí gương và quay gương 180 độ theo mọi hướng Thủ tục này sẽ tiếp tục cho đến khi các gương quay chính xác xung quanh giá gương, với các ốc điều chỉnh được vặn chặt và không sử dụng trong các bước tiếp theo.
Phase Mask được điều chỉnh trong các bước tiếp theo, với một phần nhỏ của chùm laser bị cắt bằng cách sử dụng lỗ nhỏ trước đầu ra của laser Phần này sẽ được định hướng chính xác về tâm của Phase Mask, nhằm đảm bảo sự phản xạ chùm laser từ Phase Mask quay trở lại đúng vào lỗ nhỏ Cần chú ý đến khoảng cách từ Phase Mask đến các gương giao thoa để đảm bảo độ chính xác Độ cong của Phase Mask được kiểm tra thông qua các lỗ nhỏ được đặt tại các bậc nhiễu xạ ±1.
Khi Phase Mask được đặt đúng vị trí, các gương giao thoa sẽ được điều chỉnh Việc quay các gương này nhằm phản xạ các bậc nhiễu xạ ±1 trở lại vị trí ban đầu, tương tự như việc tạo ra các lỗ nhỏ trước đầu ra của laser Sau đó, các gương sẽ trở về vị trí Home, được xác định là vị trí 0.
Việc điều chỉnh giá thẳng bằng vòng kẹp sợi được thực hiện bằng cách chèn một sợi vào kẹp và di chuyển cho đến khi sợi nằm đúng tại điểm giao nhau của hai chùm tia Vị trí này được gán là vị trí 0 Thay vì thực hiện các bước như trên, có thể đặt một bản thuỷ tinh tại vị trí sợi và điều chỉnh camera để xem ảnh phát huỳnh quang của hai chùm tia trên bản thuỷ tinh Cuối cùng, điều chỉnh giá thẳng để hai chùm tia chồng chéo chính xác lên nhau.
Giao thoa kế được kiểm tra thông qua thủ tục khắc với sợi thử nghiệm, giữ nguyên vị trí của giá thẳng và bước sóng Bragg Bước sóng Bragg được điều chỉnh cho đến khi có thể khắc FBG đồng nhất với hệ số phản xạ cao, từ đó định nghĩa độ lệch của giao thoa kế dựa trên bước sóng Bragg đo được Sau khi điều chỉnh hoàn toàn, giao thoa kế có thể sử dụng trong dải bước sóng xác định Để đạt chất lượng tốt cho FBG, cần gá sợi với độ căng vừa phải và đặt sợi đúng vị trí giao thoa của hai chùm tia để tối ưu cường độ laser, đảm bảo độ chính xác của bước sóng và độ rộng phổ ∆λ hẹp Hệ thống cần căn chỉnh để các bộ phận nằm trên một mặt phẳng, với cường độ laser đủ mạnh để tránh thời gian chiếu xạ lâu và sự rung lắc ảnh hưởng đến độ chính xác của FBG Tất cả hệ thống phải được lắp đặt trên giá chống rung và cần tránh va chạm trong quá trình chế tạo Ngoài ra, độ chính xác của FBG còn bị ảnh hưởng bởi môi trường, như bụi và hơi nước bám vào Phase Mask và gương, dẫn đến phản xạ kém hoặc không chính xác.
3.2.1.4 Chương trình điều khiển giao thoa kế
Chương trình điều khiển giao thoa kế được giải thích như sau:
Sau khi kết nối tất cả các motor, hãy bật máy tính và khởi động chương trình điều khiển “INTERFEROMETER _ 248.LLB” Trình khởi tạo motor sẽ được thực hiện trước tiên, và việc ngắt trình này có thể gặp khó khăn Tất cả các motor sẽ di chuyển đến vị trí tham chiếu của chúng Khi quá trình khởi tạo hoàn tất, mặt nạ đầu vào sẽ được mở, cho phép nhập các tham số quan trọng để xác định cấu hình giao thoa kế.
* Các thông số quan trọng:
- Phase Mask period - Chu kỳ Phase Mask được sử dụng (giá trị mặc định 1060nm hoặc 560nm)
- Interferometer mirror distance - Khoảng cách giữa các gương giao thoa (giá trị mặc định 62mm)
- Effective fiber refractive index - Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi (giá trị mặc định 1,454)
- Laser wavelenght - Bước sóng laser (giá trị mặc định 248nm)
- Wavelenght at the effective fiber refractive index - Bước sóng tương ứng với chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi (giá trị mặc định 1543nm)
- Dispersion – Tán sắc của sợi (giá trị mặc định 1,519x10 -5 nm -1 )
Hệ khí tạo laser bao gồm các khí Heli, Neon, Kripton và Flo, trong đó Heli và Neon đóng vai trò là khí đệm, còn Kripton và Flo là khí chính Do Flo rất độc, nên nó cần được bảo quản trong hộp kín để đảm bảo an toàn Trước khi nạp khí vào buồng laser, cần phải xả hết khí cũ bằng bơm chân không Khi thay khí, cần mở van từ từ và đóng kín các van lại sau khi nạp đủ để tránh rò rỉ.
Có hai cách nạp khí:
+ Chỉ dùng Heli làm khí đệm: tổng áp suất trong buồng khi nạp đủ khí là 3000mbar
+ Dùng cả Heli và Neon làm khí đệm: tổng áp suất khi đó là 4200mbar
Có công suất trung bình lớn nhất là 100 W Năng lượng lớn hơn 200mJ Độ rộng xung trong khoảng 5 – 90ns Bước sóng phát ra 248nm
3.2.3 Một số yêu cầu cho hệ
Chùm laser có thể gây hại nghiêm trọng cho mắt, do đó trong quá trình chế tạo, cần phải cẩn trọng để tránh tia laser chiếu vào mắt Hiện tại, chỉ có một loại kính bảo hộ duy nhất, nên chỉ một người được phép làm việc trên hệ thống này Cần thiết phải mua thêm kính bảo hộ để đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
- Cần mua 1 thiết bị đo công suất cho nguồn laser Excimer để xác định thời điểm thay khí từ đó cho cường độ laser đủ lớn
Hệ thống này đòi hỏi độ chính xác cao, vì vậy cán bộ sử dụng cần được huấn luyện kỹ lưỡng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định trong việc điều chỉnh hệ thống.
- Để mở rộng khả năng tạo cách tử FBG trong sợi quang pha tạp Ge thấp cần mua hệ trữ H2 áp suất cao (200atm), và có nhiệt độ đến 200 0 C.
Kết quả chế tạo cách tử
3.3.1 Một số dụng cụ cần thiết
Các thông số chính của máy phân tích phổ Advantest Q8384:
- Hãng sản xuất Advantest – Japan
- Vùng bước sóng 600nm1700nm
- Vùng động lực 60dB 0,05dB
- Vùng hoạt động -87dBm23dBm
Trong quá trình thực nghiệm, máy quét được điều chỉnh ở chế độ Hi-sen1 với thời gian quét khoảng 60 giây, độ phân giải 0,01 nm và vùng hoạt động từ -75 dBm đến -25 dBm.
* Máy hàn sợi quang: Model FSM 18S Japan
Sợi quang được hàn bằng nguồn hồ quang (nhiệt độ lớn hơn 2000 0 K) Các mối hàn có độ suy hao thấp (khoảng 0,01 0,08dBm)
Nguồn phát sáng phổ rộng được sử dụng trong các thí nghiệm là nguồn phát xạ ngẫu nhiên được khuyếch đại (ASE) từ bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA), hoạt động ở bước sóng 1550nm Độ rộng phổ của ASE đạt 50nm, nằm trong khoảng từ 1520nm đến 1570nm, hoàn toàn phù hợp với vùng cửa sổ thứ 3 của mạng thông tin quang hiện nay.
Nguồn phát sáng cho vùng 820nm là diode phát siêu huỳnh quang (Super Luminescent Diode) với công suất phát xạ lên đến 1mW và độ rộng phổ 30nm (từ 810nm đến 840nm) Nguồn này thường được áp dụng trong các thí nghiệm đo phổ truyền qua của sóng ánh sáng sau khi đi qua FBG.
Circulator hoạt động theo nguyên tắc: tín hiệu vào cổng số 1 sẽ ra ở cổng số 2, tín hiệu vào cổng 2 sẽ ra ở cổng số 3
3.3.2 Khảo sát các thông số nội của FBG
3.3.2.1 Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ Để đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ: trước tiên ta phải xác định được điểm 0 (như mô tả trong hình 3.7 ) Sau đó đo khoảng từ điểm 0 đến đỉnh phản xạ và tra bảng ta sẽ thu được độ phản xạ của cách tử Điểm
Hình 3.14 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ
Hình 3.13 Nguyên lý hoạt động của Circulator
Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử sử dụng tín hiệu phát ra từ bộ EDFA với dải phổ rộng trong vùng 1530nm – 1560nm Tín hiệu này được đưa vào cổng 1 của Circulator, sau đó chuyển đến cổng 2 và đi qua cách tử Bước sóng tương ứng với cách tử sẽ được phản xạ trở lại và đưa ra cổng 3, nơi kết nối với máy phân tích phổ.
3.3.2.2 Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua Để đo hệ số phản xạ qua phổ truyền qua, trước tiên ta thực hiện mắc theo mô hình như sau:
Hình 3.17 Mô hình đo truyền qua của FBG
Sau khi tín hiệu đi qua cách tử, ta tiến hành đo phổ truyền qua để xác định khoảng L (dB) Tiếp theo, thực hiện đo độ phản xạ theo công thức đã định.
Hình 3.16 Phổ dải rộng ASE của sợi khi chưa khắc cách tử
3.3.3 Kết quả chế tạo cách tử Bragg có bước sóng phản xạ trong vùng 1550 nm
Chúng tôi đã sử dụng hệ giao thoa kế Tabot để chế tạo cách tử với các thông số kỹ thuật của laser Excimer, bao gồm thời gian 15 phút, tần số 8 xung/s và điện áp 18kV Đồng thời, chúng tôi áp dụng phương pháp đo hệ số phản xạ bằng cách phản xạ để khảo sát cách tử FBG Kết quả chế tạo cách tử sẽ được trình bày dưới đây.
Hình 3.18 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua
Hình 3.19 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ50.08nm
Hình 3.19, 3.20 và 3.21 trình bày kết quả chế tạo ba cách tử với bước sóng phản xạ lần lượt là 1550,08 nm, 1557,198 nm và 1557,3 nm Các cách tử này đạt độ phản xạ từ 60-80% và có độ bán rộng phổ trong khoảng 0.13 - 0.18 nm.
Hình 3.20 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ57.198nm
Hình 3.21 Phổ phản xạ của cách tử tại bước sóng λ57.3nm
Chương 4: Kết quả thực nghiệm xây dựng hệ cảm biến Để xây dựng được cấu hình cảm biến chúng tôi phải thực hiện các công việc như sau: Chế tạo cách tử Bragg trong vùng bước song 1550 nm (đã làm trong chương 3); Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phat xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế laser; Khảo sát sự thay đổi bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ; Thiết lập hệ cảm biến đo nhiệt đô Sau đây chúng tôi lần lượt tiến hành thực nghiệm theo các bước.
Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser DFB vào nhiệt độ đế
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ laser DFB vào nhiệt độ của đế laser, chúng tôi đã sử dụng hệ mạch điều khiển dòng nuôi cho pin Peltier, qua đó điều chỉnh nhiệt độ của đế laser như minh họa trong hình 4.1.
Trên hình 4.1 laser DFB được gắn trên phiến nhôm (1), phiến nhôm đặt trên pin peltier
Chúng tôi đã áp dụng pin Peltier từ modul laser bơm công suất cao để kiểm soát nhiệt độ cho laser DFB, mang lại độ ổn định cao Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin Peltier được thiết kế với độ ổn định tốt, cho phép duy trì nhiệt độ trên đế laser với sai số chỉ 0.1 độ Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển nhiệt độ cho laser bơm được trình bày như sau:
Hình 4.1 Mạch điện tử điều khiển dòng cho pin peltier dùng để điều khiển nhiệt độ đế laser
- Cảm biến nhiệt độ bên trong module laser sẽ tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ của laser
Mạch điện tử sẽ so sánh điện áp cảm ứng với điện áp chuẩn, thường được thiết lập ở 25 độ C Kết quả từ quá trình so sánh này sẽ điều khiển dòng điện chạy qua pin Peltier.
Chiều và độ lớn của dòng điện qua pin Peltier được tối ưu để duy trì nhiệt độ laser ổn định ở mức chuẩn Để đảm bảo hệ thống điều khiển nhiệt độ hoạt động hiệu quả, chúng tôi đã phát triển hai phương pháp điều khiển: một là xử lý tín hiệu tương tự (analog) và hai là xử lý tín hiệu số (digital).
Sơ đồ điều khiển ổn định nhiệt độ cho laser kết hợp giữa mạch điều khiển tương tự và mạch điều khiển số Phương pháp xử lý tín hiệu tương tự so sánh tín hiệu điện với giá trị điện áp chuẩn, từ đó tạo ra dòng điện qua pin Peltier để điều chỉnh nhiệt độ laser Trong khi đó, phương pháp xử lý số sử dụng phần mềm để biến đổi giá trị điện áp nhiệt độ thành tín hiệu số, sau đó xử lý và chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện áp điều khiển cho pin Peltier Điều này đảm bảo nhiệt độ của laser luôn duy trì ở mức chuẩn Phổ phát xạ của laser được phân tích bằng máy phân tích phổ quang.
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn định nhiệt độ
Máy phân tích phổ quang (OSA)
Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Hình 4.3.Sơ đồ quan sát phổ phát xạ của laser DFB phụ thuộc vào nhiệt độ đế
Máy đo phổ quang (OSA) có băng tần từ 600 nm đến 1700 nm và độ phân giải quang phổ 0,01 nm cho phép theo dõi sự thay đổi phổ phát xạ của laser Ở điều kiện ban đầu, nhiệt độ trên đế laser được duy trì ổn định ở 23 o C, giúp ổn định bước sóng phát xạ Tuy nhiên, khi nhiệt độ đế laser thay đổi, phổ phát xạ cũng sẽ thay đổi, và sự thay đổi này có thể được quan sát thông qua máy phân tích phổ quang.
Máy phân tích phổ Advantest Q8384 là thiết bị chuyên dụng cho sợi quang, sử dụng cách tử nhiễu xạ Thiết bị này có độ phân giải phổ theo bước sóng 10pm và độ chính xác ±20pm Q8384 hoạt động trong vùng bước sóng từ 600nm đến 1700nm, với khả năng đo công suất quang từ -87dBm đến 23dBm.
Thiết bị đo có công suất từ 1 pico-watt đến 200 mW, trang bị màn hình LCD màu và các phím điều khiển dễ sử dụng Dữ liệu đo được lưu trữ qua ổ đĩa mềm 3.5 inch hoặc có thể in ra dưới dạng đồ thị.
Laser DFB là loại laser diode phát xạ đơn mốt với độ rộng phổ rất hẹp, chỉ dưới 0,2 nm, và có bước sóng phát xạ 1550.5 nm ở nhiệt độ phòng Khi nhiệt độ của đế laser thay đổi, chiết suất của cách tử trong cấu trúc laser DFB cũng thay đổi, dẫn đến sự mở rộng vùng cấm của chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo laser Sự thay đổi chiết suất này làm thay đổi bước sóng cộng hưởng trong buồng cộng hưởng của laser, đồng thời làm biến đổi phổ phát xạ của chất bán dẫn Hình 4.5 trình bày phổ phát xạ của laser DFB ở một số nhiệt độ khác nhau.
Laser DFB phát xạ ở bước sóng 1550.5 nm tại nhiệt độ phòng 23 oC Khi nhiệt độ đế tăng lên 35 oC, bước sóng laser dịch chuyển dài hơn 0.65 nm Ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống 10 oC, bước sóng phát xạ ngắn hơn 0.55 nm so với nhiệt độ phòng Để nghiên cứu sự phụ thuộc của bước sóng vào nhiệt độ, chúng tôi đã thay đổi nhiệt độ đế trong khoảng 10-50 oC với mỗi bước 1 oC, thu được một bước sóng phát xạ tương ứng Kết quả cho thấy tỷ lệ /T của laser DFB là 77,5 pm.K -1 Đồ thị mô tả sự phụ thuộc này được trình bày trong hình 4.6.
Hình 4.5 Phổ phát xạ của laser DFB bị dịch do thay đổi nhiệt độ
Hình 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)
Khảo sát sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ
Theo các nghiên cứu gần đây, độ nhạy nhiệt độ của cảm biến FBG trong sợi thủy tinh thuần là 11 pm/°C Với độ nhạy này, việc sử dụng máy phân tích phổ quang có độ phân giải 10 pm/°C sẽ dẫn đến sai số trong kết quả đo Do đó, các nghiên cứu thường bọc cảm biến FBG bằng vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn để tăng độ nhạy nhiệt Khi nhiệt độ tăng, vật liệu bọc sẽ giãn nở, tạo ra ứng suất lên cảm biến Tuy nhiên, nếu vật liệu bọc không đều, sẽ gây ra ứng suất không đồng nhất, dẫn đến hiện tượng giãn phổ phản xạ hoặc hỏng cảm biến Chúng tôi đã tiến hành trộn hạt nano CdSe với keo epoxy và bọc bên ngoài cảm biến.
Hình 4.6 Đồ thị sự phụ thuộc bước sóng phát xạ của laser DFB vào sự thay đổi nhiệt độ của đế
Chúng tôi đã tiến hành trộn hạt nano CdSe có kích thước 6-10 nm với keo epoxy và bọc bên ngoài cách tử bằng lớp vật liệu dày 1000-1500 nm Sau đó, ống teflon với đường kính dmm được bọc bên ngoài lớp hạt nano Phương pháp này đảm bảo lớp bọc được phủ đồng nhất, giúp tránh hiện tượng giãn phổ và giảm thiểu nguy cơ phá hủy cách tử do ứng suất không đồng nhất Cách tử đã được bọc sau đó được đặt lên đế Đồng và đưa vào buồng điều khiển nhiệt độ để đo bước sóng phản xạ ở các nhiệt độ khác nhau, như thể hiện trong sơ đồ khảo sát ở hình 4.8.
Phổ phát xạ tự phát của EDFA (Erbium Drop Fiber Amplifier) có bước sóng trong khoảng 1525-1565 nm được đưa vào cổng 1 của bộ circulator Ánh sáng từ nguồn được truyền tới cách tử Bragg tại cổng 2, nơi các bước sóng thỏa mãn định luật Bragg sẽ được phản xạ lại Bước sóng phản xạ từ cách tử được quan sát bằng máy phân tích phổ quang Advantest Q8383 gắn ở cổng 3 của bộ circulator Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho phép chúng tôi thay đổi nhiệt độ từ 0 °C.
Nhiệt độ từ 10 °C đến 100 °C ảnh hưởng đến bước sóng phản xạ của cách tử Bragg, với mỗi bước thay đổi 5 °C Ở nhiệt độ phòng 23 °C, bước sóng phản xạ là 1551.056 nm Khi giảm xuống 10 °C, bước sóng dịch chuyển đến 1551.09 nm, và khi tăng lên 100 °C, nó dịch chuyển đến 1553.3 nm Độ bán rộng phổ của cách tử là 0.18 nm và không thay đổi trong khoảng nhiệt độ từ 10 °C đến 100 °C, như thể hiện trong hình 4.9.
Hình.4.8 Sơ đồ khảo sát sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của cách tử Bragg vào sự thay đổi nhiệt độ
Máy phân tích phổ quang
Cách tử được bọc ống teflon/ hạt nano Cdse
Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Cách tử được phủ hạt nano CdSe có thể được bọc bằng nhiều vật liệu có khả năng đáp ứng nhiệt cao như Polymer, Teflon hay kim loại, trong đó chúng tôi chọn Teflon vì FBG có bước sóng phản xạ trùng với bước sóng phát xạ của laser DFB ở nhiệt độ phòng (23 o C) Sự phụ thuộc phi tuyến của bước sóng phản xạ vào nhiệt độ trong khoảng 0-110 o C cho thấy để đo nhiệt độ môi trường bằng cảm biến FBG đã được bọc, cần có dữ liệu nền về sự dịch chuyển bước sóng của FBG trong một vùng nhiệt độ cụ thể Trong khoảng nhiệt độ này, cách tử phủ hạt nano và bọc Teflon có bước sóng phản xạ dịch 3 nm và độ đáp ứng nhiệt trung bình đạt 22,7 pm/°C.
Hình 4.9 Sự dịch bước sóng phản xạ của cách tử gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khoảng 10 -100 o C
Hình 4.10 Sự phụ thuộc bước sóng phản xạ của FBG vào nhiệt độ môi trường
Thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ
Chúng tôi đã phát triển một cấu hình cảm biến mới bằng cách điều khiển bước sóng phát xạ của laser DFB sao cho trùng với bước sóng phản xạ của cách tử Bragg Qua các thí nghiệm, chúng tôi thu thập dữ liệu về sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser vào nhiệt độ đế và sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử vào nhiệt độ môi trường Cấu hình cảm biến này được trình bày theo sơ đồ trong hình 4.11.
Laser DFB được kết nối với hệ thống điều khiển nhiệt độ từ 10-50°C và cổng 1 của bộ Circulator Ánh sáng phát ra từ laser được truyền đến cổng 2, nơi có cách tử bọc hạt nano/Teflon trên tấm Đồng trong buồng điều khiển nhiệt độ từ 0-110°C Khi ánh sáng đạt điều kiện phản xạ theo định luật Bragg, nó sẽ được chuyển tiếp đến thiết bị biến đổi quang điện tại cổng 3.
Hình 4.11 Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang
Thiết bị chuyển đổi quang điện
Cách tử được bọc hạt nano / Teflon
Buồng điều khiển nhiệt độ
Hệ thống điều khiển nhiệt độ đế
Dao động ký điện tử
Hình 4.12 Thiết bị biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện
Thiết bị biến đổi quang điện sử dụng một photodiode để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, phục vụ cho quá trình xử lý tín hiệu Bộ thu này cũng có chức năng khuếch đại và lọc tín hiệu Mạch điện tử của thiết bị bao gồm khối nguồn cung cấp điện áp một chiều ổn định -5V/+5V để định thiên cho các tầng khuếch đại Mạch nguồn này sử dụng cầu chỉnh lưu để xử lý hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều, với các tụ nguồn giúp làm phẳng điện áp sau khi chỉnh lưu và cung cấp cho hai IC ổn áp âm dương 7905 và 7805, tạo ra đầu ra ổn định -5V/+5V Điện áp -5V được dùng để phân cực ngược cho photodiode trong module thu PINFET MODULE Tín hiệu quang đầu vào được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ photodiode phân cực ngược, sau đó tín hiệu này được khuếch đại bởi bộ khuếch đại có phản hồi và điều khiển khuếch đại tự động AGC, trước khi ra ngoài qua một bộ đệm Sơ đồ mạch in được trình bày trong hình 4.13.
Tín hiệu sau khuếch đại được đưa ra ngoài nối đến một kênh của dao động ký điện tử để quan sát
Hình 4.13 Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang
Hình 4.14 Dao động ký điện tử dùng đo tín hiệu điện trên photodiode trong hệ cảm biến
Tại nhiệt độ phòng 23 o C, laser DFB phát ra bước sóng 1550.5nm, trùng với bước sóng phản xạ của cách tử, tạo ra tín hiệu điện 2.07V trên photodiode Khi tăng nhiệt độ buồng chứa FBG lên 30 o C và giữ nhiệt độ đế laser ở mức phòng, bước sóng phản xạ của cách tử dịch chuyển đến 1551.826 nm, không còn trùng với bước sóng của laser, dẫn đến việc không thu được tín hiệu điện Tiếp theo, khi giữ nhiệt độ FBG cố định và điều chỉnh nhiệt độ đế laser lên 25.8 o C, bước sóng phát xạ của laser đạt 1551.84 nm, gần với bước sóng của FBG, cho tín hiệu 2.05V trên photodiode Qua việc điều chỉnh nhiệt độ FBG và đế laser theo đường đặc tuyến, chúng tôi đã thu được tín hiệu điện lớn nhất trên photodiode, được ghi lại trong bảng 4.1.
Nhiệt độ của hộp Bước sóng của Nhiệt độ trên đế Bước sóng phát xạ Cường độ lớn nhât chứa FBG ( o C) FBG λ B (nm) laser ( o C) của laser λ L (nm) trên photodiode V)
Bảng 4.1 so sánh sự dịch bước sóng của FBG trong khoảng nhiệt độ 0-100 oC với nhiệt độ đế laser từ 10-50 oC, cùng với cường độ tín hiệu điện tối đa trên photodiode, có sai số ± 0.2V Cường độ tín hiệu điện tối đa đạt khoảng 2.05 ± 0.2V khi bước sóng phát xạ từ laser và bước sóng phản xạ của cách tử trùng nhau trong khoảng 0-30 oC, nhưng sẽ giảm khi nhiệt độ đế laser vượt quá 30 oC Độ chính xác của cảm biến nhiệt độ là ± 0.3 oC, và bước sóng của FBG bị dịch do tác động của nhiệt độ.
Bảng 4.1 Cường độ tín hiệu lớn nhất của Photodiode so với sự thay đổi nhiệt độ của
FBG và laser diode có thể được sử dụng để đo lường các tác nhân vật lý trong môi trường thông qua việc theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của đế laser, mà không cần sử dụng máy phân tích phổ quang Bằng cách thu thập dữ liệu nền về sự dịch chuyển bước sóng của FBG do các tác nhân vật lý và bước sóng phát xạ của laser do sự thay đổi nhiệt độ, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường.