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 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, cả
m 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 GeO
2
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 -100
o
C
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/
o
C [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/
0
C. Các mẫu thử nghiệm
đã cho thấy đáp ứng nhiệt tốt cho việc đô nhiệt độ trong vùng 0 - 100
o
C khi nhiệt độ
đế laser thay đổi trong khoảng 10 -50
0
C 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, I
0
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 được sử dụng để hiệu chỉnh tất cả các
lỗi do sự thay đổi cường độ không mong muốn bằng cách bỏ qua vùng cảm biến.
Có nhiều cơ chế biến đổi dẫn đến sự thay đổi cường độ sáng khi chùm sáng
truyền qua một sợi quang do vậy cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có thể bị ảnh
hưởng bởi mất mát do uốn cong, do bộ hợp hai sợi quang, lớp phủ bị thay đổi, phản
xạ, hấp thụ, suy hao, tán xạ phân tử, hiệu ứng phân tử hay trường phân rã.
a. Cảm biến quang sợi cường độ sử dụng vi uốn cong (micro bending)
Chúng ta biết rằng khi uốn cong sợi quang sẽ có mất mát do hiện tượng uốn
cong (bending). Uốn cong cục bộ được gọi là vi uốn cong (micro bending). Do đó,
cường độ sáng lối ra tỉ lệ thuận với lượng vi uốn cong. Vì vậy, bằng việc phát hiện ra
sự thay đổi cường độ ánh sáng lối ra của cảm biến quang sợi, lượng vi uốn cong có thể
đo được .

Bên cạnh việc đo dịch chuyển, một vài thông số khác như sức căng, áp suất, áp
lực và thay đổi vị trí có thể cũng được thiết kế cơ khí để liên hệ với sự thay đổi vi uốn
cong này, bởi vậy các thông số này cũng có thể được đo bằng cùng một cấu hình cảm
biến quang sợi.
13

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.

Một hệ sợi quang được đặt dọc vật sẽ thay đổi cường độ sáng đi qua nó khác
nhau khi có một lực uốn cong vật. Dựa vào sự thay đổi này chúng ta có thể phân tích
và mô phỏng lại độ cong này nhờ máy tính.
Ưu điểm chính của sợi quang cảm biến vi uốn cong là giá thành rẻ và khi sử
dụng kết hợp với kỹ thuật phản xạ miền thời gian quang, chúng có thể được sử dụng
cho nhiều ứng dụng rộng hơn. Nhược điểm của nguyên lý sử dụng sợi quang cảm biến
micro bend là độ chính xác tổng thể thường khá thấp.
b. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp phản xạ
Hình 1.5 chỉ ra nguyên lý cơ bản của một cảm biến quang sợi sử dụng phương
pháp phản xạ. Ánh sáng truyền dọc theo sợi quang từ trái sang phải, truyền đến cuối
sợi và đến một gương phản xạ chuyển động. Nếu gương phản xạ chuyển động đến
càng gần sợi quang thì hầu hết ánh sáng có thể được phản xạ ngược trở lại sợi và
cường độ ánh sáng càng tăng lên. Tuy nhiên khi gương phản xạ chuyển động ra xa so
với lối ra cuối sợi quang thì sẽ có ít ánh sáng có thể quay trở lại sợi quang và sẽ thu
được tín hiệu yếu. Do đó, quan hệ qua lại giữa khoảng cách giữa gương phản xạ với
14

Hình 1.5. Cảm biến quang sợi sử dụng phương pháp phản xạ
sợi quang và cường độ ánh sáng phản xạ lại sợi quang có thể được sử dụng để đo độ
dịch chuyển. Để tránh sự ảnh hưởng của thăng giáng cường độ của nguồn sáng, một
tín hiệu tham chiếu thích hợp có thể được thêm vào trong loại cảm biến quang sợi dựa
vào cường độ này.

c. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp ghép sóng
phù du
Một hiện tượng sóng phù du xảy ra khi ánh sáng lan truyền dọc một sợi quang
đơn mode, nó không hoàn toàn bị giới hạn trong lõi sợi mà mở rộng ra vùng bọc thủy
tinh xung quanh. Phần sóng ánh sáng trong vùng bao quanh này được gọi là sóng phù
du. Hiện tượng này được sử dụng để chế tạo một trong những thiết bị quang sợi được
sử dụng rộng rãi nhất: đó là bộ ghép/ tách quang. Cường độ ghép giữa hai sợi quang là
một hàm của khoảng cách giữa hai lõi sợi. Khoảng cách càng gần thì khả năng ghép
càng mạnh. Hình 1.6 trình bày mô hình cảm biến quang sợi dựa trên khái niệm ghép
sóng phù du này. Ánh sáng được đưa vào trong một sợi quang, nó lan truyền đến vùng
mà sợi thứ hai được đặt rất gần để một phần sóng phù du của sợi thứ nhất sẽ truyền
trong sợi thứ hai. Do vậy, hiện tượng ghép sóng phù du xảy ra. Hệ số ghép trực tiếp tỉ
lệ với khoảng cách hai sợi quang. Khi một tác động của môi trường như sự thay đổi
áp suất, sóng âm hay nhiệt độ sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa hai sợi quang
dẫn đến sự thay đổi hệ số ghép. Do đó, cường độ ánh sáng trên sợi thứ hai cũng thay
đổi. Như vậy, bằng sự theo dõi sự thay đổi cường độ của sợi quang thứ hai, chúng ta
có thể nhận biết được sự thay đổi của môi trường.

15

1.3.2. Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng
Sợi quang được làm từ thủy tinh. Chiết suất của sợi quang có thể bị thay đổi khi
đặt vào một áp lực hay sức căng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đàn hồi quang.
Thêm vào đó, trong nhiều trường hợp, áp lực hay sức căng theo các hướng khác nhau
là khác nhau bởi vậy sự thay đổi chiết suất cũng khác nhau theo các hướng khác nhau.
Do đó, có một sự sai khác pha giữa các hướng phân cực khác nhau. Nói cách khác là
dưới tác động bên ngoài như áp lực hay sức căng, sợi quang sẽ làm việc như một bộ
trễ tuyến tính. Bởi vậy bằng việc phát hiện sự thay đổi trong trạng thái phân cực lối ra
mà chúng ta có thể thu được sự biến đổi của thông số bên ngoài.
Để thiết kế được một cảm biến quang sợi thực tế, chúng ta cần chế tạo các cảm
biến nhạy với thông số môi trường cần đo và không nhạy với các thông số môi trường
khác.
Với cảm biến quang sợi dựa vào phân cực, sự thay đổi chiết suất theo môi
trường theo các hướng phân cực hầu như là như nhau. Do vậy, không có sự sai khác
pha nào giữa hai trạng thái phân cực khác nhau. Nói cách khác, delta=0. Như vậy, sự
thăng giáng của nhiệt độ môi trường cũng 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 cũng có thể thay đổi khi có những tác động bên ngoài
bởi vậy cảm biến quang sợi cũng có thể được xây dựng dựa trên sự thay đổi pha của
trường ánh sáng. Mối quan hệ giữa sự thay đổi pha và sự khác biệt quang trình có thể
được biểu diễn bằng biểu thức sau:

Hình 1.6. Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng
phù du

16



Ở đây là bước sóng ánh sáng và biểu diễn sự khác biệt quang trình.
Bởi vì bước sóng ánh sáng là rất nhỏ nên một sự thay đổi quang trình rất nhỏ trong sợi
quang có thể dẫn đến một sự thay đổi lớn của pha quang.
Do vậy, nhìn chung, cảm biến quang sợi dựa vào pha nhạy hơn các cảm biến
quang sợi dựa vào cường độ. Chú ý rằng, bộ thu quang không thể phát hiện trực tiếp
sự thay đổi pha quang nên sự thay đổi pha quang phải được biến đổi thành sự thay đổi
về cường độ sử dụng các phương pháp giao thoa như Mach-Zehnder, Michelson,
Fabry-Perot hay Sagnac. Một số kỹ thuật giao thoa được khai thác để triển khai trong
cảm biến loại này. Do vậy, cũng có nhiều tài liệu gọi loại cảm biến này là cảm biến
giao thoa quang sợi.

a. Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot
Một giao thoa kế Fabry-Perot la một giao thoa kế đa chùm tia. Hình 1.5 chỉ ra
một giao thoa kế Fabry-Perot. Dựa vào độ phản xạ cao của gương, trong loại giao thoa
kế này, ánh sáng bị phản xạ qua lại một phần trong một hốc bao nhiêu lần thì tăng độ
trễ pha bấy nhiêu lần. Cường độ lổi ra truyền qua của giao thoa kế Fabry-Perot cho
thấy hệ số phản xạ càng cao thì đỉnh giao thoa càng sắc nét. Nói theo cách khác là
càng gần vùng đỉnh giao thoa, cường độ sáng lối ra càng nhạy với sự thay đổi nhỏ của
trễ pha.

Hình 1.7. Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot
17

Hệ số phản xạ càng cao, đỉnh giao thoa càng sắc nét. Bởi vậy, độ nhạy của cảm
biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot có thể rất cao.
Hình dưới đây là một ứng dụng đo gia tốc sử dụng cảm biến quang sợi theo
phương pháp giao thoa kế Fabry-Perot.










Cảm biến này cũng đã được so sánh với một cảm biến truyền thống và ta thấy
sự tương ứng của kết quả với độ nhạy thu lớn hơn của cảm biến truyền thống. Phổ tần
của hai cảm biến thu được là giống nhau, dạng tín hiệu thu được cũng giống nhau, chỉ
khác nhau về độ nhạy vì chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của pha cũng có thể gây ra một sự
thay đổi rất lớn của cường độ.
b. Giao thoa kế Sagnac
Giao thoa kế Sagnac về mặt nguyên lý được sử dụng để đo phép quay. Nó cũng

có thể được triển khai để đo các thông số biến đổi theo thời gian như âm thanh, dao
động và sự biến đổi chậm như sức căng.
Ưu điểm của cảm biến này là độ nhạy cực cao, phân phối diện rộng và khả năng
ghép số lượng lớn và sự kết hợp của các cảm biến giao thoa cho phép đo vị trí và
cường độ của các sự kiện biến đổi theo thời gian. Số lượng lớn các sản phẩm con quay
Hình 1.8. Ứng dụng đo gia tốc của cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế
Fabry
-
Perot

18

quang sợi trong vài năm trở lại đây sẽ cung cấp cho khách hàng các thiết bị giao thoa
quan trọng để tiếp tục giảm giá thành và cho phép xây dựng các hệ thống với chi phí
hiệu quả.
c. Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Michelson
Hình 1.11 cho thấy một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Michelson.
Trong trường hợp này, một bộ ghép/tách quang được sử dụng để vừa chia vừa hợp hai
chùm sáng. Ánh sáng truyền từ nguồn laser được chia thành hai nhánh cảm biến và
tham chiếu. Sau khi đi hết chiều dài sợi, ánh sáng sẽ bị phản xạ lại theo đúng nhánh đó
bằng các gương phản xạ. Ánh sáng sau đó được kết hợp lại bằng bộ ghép/tách quang.

d. Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder
Hình 1.12 cho thấy một cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-
Zehnder được sử dụng khá rộng rãi. Cảm biến bao gồm hai nhánh: nhánh cảm biến và
nhánh tham chiếu. Ánh sáng từ nguồn sáng kết hợp chẳng hạn như từ một laser bán
dẫn phản hồi phân tán DFB được đưa vào sợi quang đơn mode. Ánh sáng sau khi được
chia ra thành hai chùm nhờ bộ chia quang với tỉ số cường độ 50/50. Một phần ánh
sáng sẽ truyền qua nhánh cảm biến và phần còn lại truyền qua nhánh tham chiếu. Sau
khi qua nhánh cảm biến và tham chiếu, lối ra từ hai nhánh lại được kết hợp lại bằng
một bộ cộng. Ở đây, tín hiệu giao thoa giữa hai chùm sáng được tạo ra và được thu lại
nhờ một photodiode.

Hình 1.9. Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder
19









Để giảm ảnh hưởng từ các nhân tố thay đổi không mong muốn của môi trường
như nhiệt độ và để nâng cao độ nhạy của cảm biến, trong nhiều trường hợp độ dài của
nhánh tham chiếu có thể được điều biến có chu kỳ. Điều này có thể làm được bằng
cách cuốn sợi quang của nhánh tham chiếu lên một trống gốm áp điện PZT. Một tín
hiệu điện hình sin được đưa vào trống gốm áp điện để đường kính của trống điều biến
có chu kỳ bằng tín hiệu sin, điều này dẫn đến sự thay đổi có chu kỳ của chiều dài sợi

trên nhánh tham chiếu.
Chú ý rằng cảm biến quang sợi giao thoa thường được xây dựng sử dụng sợi
quang đơn mode điển hình. Bởi vì sợi quang đơn mode điển hình có thể hỗ trợ chế độ
hai phân cực trực giao và những hiện tượng như bending xảy ra, sợi quang trở thành
lưỡng chiết. Hiệu ứng này có thể dẫn đến thay đổi sự rõ nét của vân giao thoa. Do vậy
tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu cảm biến có thể bị ảnh hưởng vởi hiện tượng
lưỡng chiết.
Có nhiều điểm giống và khác nhau giữa giao thoa kế Michelson và Mach-
Zehnder. Về giống nhau thì Michelson có thể bao hàm cả Mach-Zehnder và ngược lại.
Do vậy, từ lập luận này có thể thấy rằng, sự mất mát quang học ứng với cả hai cấu
hình là như nhau. Tất nhiên, tại lối ra chúng có dạng giống như của Mach-Zehnder. Về
khác nhau, cấu hình Michelson chỉ yêu cầu một bộ hợp/chia quang. Bởi vì ánh sáng
truyền qua cả hai nhánh cảm biến và tham chiếu hai lần nên dịch pha trên mỗi đơn vị
chiều dài được tính gấp đôi. Do vậy, cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson có thể
nhạy hơn. Trong nhiều trường hợp thực tế, cấu hình vật lý của giao thoa kế Michelson
thường dễ dàng để đóng gói hơn mặc dù điều này vẫn phụ thuộc từng ứng dụng. Ưu
điểm rõ ràng khác của cấu hình Michelson là cảm biến có thể được chế tạo với chỉ một
sợi quang từ module nguồn/bộ thu tới cảm biến. Tuy nhiên, gương phản xạ chất lượng
cao được yêu cầu cho giao thoa Michelson. Thêm vào đó, một phần ánh sáng quay trở
lại nguồn laser do lối ra phản xạ lại. Điều này có thể cực kỳ nguy hiểm với nguồn laser
diode bán dẫn. Một bộ cách ly quang là cần thiết để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng này.
Hình 1.10. Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder
20


1.3.4. Cảm biến quang sợi dựa vào phổ quang
Cảm biến quang sợi dựa vào phổ phụ thuộc chùm sáng điều chế theo bước sóng
khi có tác động của môi trường. Những ví dụ của cảm biến quang sợi loại này bao gồm
các loại cảm biến dựa trên bức xạ của vật đen, hấp thụ, huỳnh quang, mẫu chuẩn và
cách tử phân tán.

Một trong những loại cảm biến đơn giản nhất loại này là cảm biến vật đen. Một
hốc vật đen được đặt tại điểm cuối của sợi quang. Khi hốc tăng nhiệt độ, nó bắt đầu
phát sáng và hoạt động như một nguồn sáng. Bộ thu quang kết hợp với một bộ lọc
băng hẹp sẽ được sử dụng để quyết định đặc tính của đường cong vật đen tương ứng
nhiệt độ.
Loại cảm biến này đã được thương mại hóa thành công và được sử dụng để đo
nhiệt độ trong các môi trường độc hại. Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến này cao
hơn tại nhiệt độ cao và bị giới hạn ở nhiệt độ khoảng 200 bởi vì tỉ số tín hiệu trên tạp
nhiễu thấp. Việc bảo dưỡng phải được thực hiện để đảm bảo rằng điểm nóng nhất là
hốc đen và không nằm trên chính sợi dẫn quang đó bởi vì điều đó có thể làm hỏng tính
toàn vẹn của tín hiệu.
Ngày nay, các cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang cũng rất phổ
biến và được ứng dụng rộng rãi. Hình dưới đây mô tả một vài ứng dụng của cảm biến
quang sợi dựa vào dịch phổ của cách tử Bragg hay hệ cách tử Bragg.








Hình 1.11. Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ của cách tử
Bragg trong sợi quang
21

Trong hình 1.11 ta thấy cảm biến sử dụng một cách tử Bragg trong sợi (FBG)
để phản xạ tại bước sóng với n là chiểt suất và là chu kỳ cách tử. Tín hiệu
phản xạ sẽ được quan sát trên một máy phân tích phổ quang OSA. Cảm biến này được
đưa vào trụ cầu và nối với máy tính điều khiển giám sát qua một hệ thống dẫn truyền.

Khi có một rung động hay một thay đổi trong kết cấu trụ sẽ làm cách tử trên sợi quang
co giãn tức chu kỳ cách tử thay đổi làm cho bước sóng Bragg bị dịch đi. Nhờ quan sát
và phân tích độ dịch này ta có thể biết được sự thay đổi trong kết cấu của trụ cầu.
Tương tự như vậy khi ứng dụng phương pháp này trong phân tích dữ liệu thay đổi trên
cánh máy bay phản lực sử dụng để nghiên cứu và thiểt kế cánh máy bay và tự động
hóa điều khiển. Dữ liệu từ hệ cảm biến sẽ được số hóa và mô phỏng trong không gian
3 chiều nhờ phần mềm Matlab. Các kỹ sư có thể dựa vào các mô phỏng này để tính
toán và điều chỉnh thiểt kế. Hình 1.8 trình bày thiết kế sơ bộ cảm biến đo biến dạng
cánh máy bay sử dụng FBG .










Hai ví dụ về cảm biến sử dụng cách tử Bragg nêu trên vẫn phải sử dụng máy
phân tích phổ quang để thấy được sự dịch chuyển của bước sóng phản xạ của cách tử.
Do vậy giá thành của hệ cảm biến còn rất đắt và cấu hình của hệ phức tạp. Chúng tôi
có ý tưởng kết hợp sự thay đổi bước sóng phản xạ do tác động của môi trường và sự
điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser phát xạ đơn mốt dịch theo sự thay đổi của bước
sóng phản xạ của cách tử bằng cách sử dụng pin peltier. Bằng cách đó chúng tôi sử
Hình 1.12. Thí dụ về ứng dụng của cảm biến quang sợi đo biến dạng trong thiết kế
cánh máy bay phản lực.