MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, vấn đề kiểm soát độ bền các công trình xây dựng và các kiến trúc dân sinh đang ngày càng đƣợc quan tâm, đòi hỏi phải có sự theo dõi độ biến dạng của các kết cấu theo thời gian. Thêm vào đó là sự biến động về địa chất tạo ra các vết nứt đất ảnh hƣởng tới độ bền của các công trình xây dựng , kiến trúc dân sinh. Ít nhiều chúng đã gây ra những thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại to lớn cho con ngƣời. Một vấn đề lớn đƣợc đặt ra là làm sao có thể ghi nhận và dự đoán trƣớc đƣợc những sự thay đổi đó, kể cả trong các lớp địa tầng, địa chất để có thể giảm thiểu tối đa thiệt hại? Một trong những câu trả lời là phải tiến hành đo độ biến dạng, đo độ vi dịch chuyển của lớp địa tầng nơi khảo sát, của các kết cấu xây dựng, từ đó đƣa ra các giải pháp phòng ngừa thích hợp.
Sensor sử dụng cách tử Bragg là một loại sensor hiện đại, mới đƣợc phát triển trong khoảng 20 năm gần đây. Với hàng loạt những ƣu điểm nổi bật nhƣ dễ chế tạo, độ nhạy cao, dễ lắp đặt, không chịu ảnh hƣởng của điện từ trƣờng, khả năng đa tích hợp lớn [27,29], loại sensor này đang ngày càng tỏ ra có một thị trƣờng tiềm năng to lớn. Đặc biệt, nó rất hữu ích trong các kỹ thuật đo từ xa, đo trên diện rộng[4,24], hay trong việc kiểm soát các thông số của các lớp địa tầng, địa chất, các công trình xây dựng, cầu cống, hầm mỏ[2]. Sensor sử dụng cách tử Bragg cũng đã đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng trong các ngành công nghiệp hạt nhân [3], công nghiệp vũ trụ[15].
Thêm vào đó, khả năng ứng dụng của sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg cũng rất đa dạng. Sử dụng cách tử Bragg có thể chế tạo các loại sensor đo dịch chuyển, sức căng, nhiệt độ, áp suất [8,34,30].vv với độ chính xác khá cao. Nhƣ vậy, ta có thể thấy rằng tiềm năng ứng dụng của các sensor dựa trên cách tử Bragg là rất lớn, từ những ứng dụng thƣờng gặp trong đời sống hàng ngày đến những ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt, từ các ngành công nghiệp truyền thống nhƣ cầu cống, hầm mỏ đến những ngành công nghiệp hiện đại nhƣ công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ.v Chính vì thế mà nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tập trung nghiên cứu nhằm phát triển ngành sensor dựa trên loại cách tử quang sợi Bragg này. Nắm bắt đƣợc xu thế này, ở Việt Nam hiện nay, đã có một số nhóm bƣớc đầu triển khai các đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng cách tử Bragg trong kỹ thuật sensor, chẳng hạn nhƣ nhóm nghiên cứu của PGS.
Nguyễn Văn Hội, Viện Khoa học Vật liêu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đi cùng xu thế nghiên cứu ấy và nhận thấy đƣợc tầm quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu này, hơn nữa, các điều kiện để triển khai nghiên cứu lại không hề tốn kém, TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 đòi hỏi kỹ thuật cao cũng nhƣ đầu tƣ đắt tiền, nghĩa là việc triển khai đề tài nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. Do đó, tôi đã chọn đề tài này để nghiên cứu với mục tiêu thiết lập những kỹ thuật bƣớc đầu nhằm chế tạo các loại sensor đo vi dịch chuyển với độ nhạy tới cỡ vài µm và sensor đo nhiệt độ với độ nhạy tới 2oC. Hy vọng rằng trong tƣơng lai không xa, có thể đƣa đƣợc những kỹ thuật này ứng dụng trong thực tế để khảo sát sự biến dạng ở một số khu vực địa tầng, địa chất nhất định.
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng: Chƣơng 1. Sơ lƣợc về dẫn sóng quang và sợi quang Chƣơng 2. Cách tử quang sợi Bragg Chƣơng 3.Các sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg Chƣơng 4. Chế tạo sensor vi dịch chuyển và nhiệt độ dựa trên cách tử Bragg Cuối cùng là phần kết luận và một số đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai nhằm cải thiện hơn nữa chất lƣợng của thiết bị.
Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ của đề tài: QC.23, ĐHQG Hà Nội. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 CHƢƠNG 1 SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG 1. Sơ lƣợc về sợi quang 1. Các thông số về sợi quang Sợi quang gồm một lõi dẫn có chiết suất n1, bán kính a.
Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b. Các tham số n1, n2, a quyết định tính chất truyền dẫn của sợi quang. Đó là các tham số cấu trúc. Các chiết suất n1 và n2 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ thƣờng rất nhỏ (∆<<1) n12 n22 n1 n2 n Δ (1.1) 2n12 n1 n1 Phần lớn các sợi quang dùng trong thông tin quang hiện nay thƣờng đƣợc chế tạo từ Silica (SiO2) có độ sạch cao.
Sự thay đổi nhỏ của chiết suất đƣợc tạo ra khi pha một lƣợng nhỏ các tạp chất (ví dụ nhƣ titan, germani…) vào trong silica. Bình thƣờng, chiết suất của có giá trị thay đổi từ 1,44 đến 1,46, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001 tới 0,02. Khi chùm ánh sáng từ bên ngoài không khí đi vào, để có thể lan truyền trong sợi quang thì góc θ phải nhỏ hơn một góc θc giới hạn. Áp dụng định luật Snell, mối tƣơng quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc cần phải thỏa mãn phƣơng trình sau: sin θa = n1sin θc (1.2) với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi sợi quang giữa hai môi trƣờng có chiết suất n1 và n2 ta có: sin a n1 (1 cos 2 c )1/ 2 = ( n12 n22 )1/ 2 (1.3) Bởi vậy: a arcsin(n12 -n 22 )1/2 (1.4) Giá trị NA= đƣợc gọi là khẩu độ số của sợi quang.
Góc θa là góc nhận của sợi quang, đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang. Khẩu độ số là thông số đặc trƣng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang. Giá trị khẩu độ số thƣờng nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,50. Kích thƣớc của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay đƣợc dùng trong thông tin (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62,5/125), (85/125), (100/140) μm.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bƣớc sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc nhƣ sợi đơn mode đƣợc gọi là bƣớc sóng cắt: 2 a n12 n22 c (1. Sự biến đổi chiết suất của sợi quang Sự biến thiên chiết suất của có thể biểu thị thông qua công thức sau: r n(r)= n1 1 2( ) g với -a≤r≤a (1.7) Ngày nay có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang đƣợc sử dụng thông dụng trong viễn thông đều đƣợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết suất là: n= r 1,5 (1.8) Trong đó εr là hằng số điện môi tƣơng ứng của vật liệu. Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, ngƣời ta thêm hoạt chất vào, ví dụ: -cho GeO2 làm tăng chiết suất -Cho Fluoride làm giảm chiết suất.
Cấu trúc sợi quang Cấu trúc chính của một sợi quang bao gồm lõi pha tạp đƣợc bọc bên trong một lớp thuỷ tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc. Hình vẽ dƣới đây (1.1) chỉ ra cấu trúc điển hình của một sợi quang. Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nƣớc, tránh sự va đập, trầy xƣớc gây nên vết nứt vỡ và giảm ảnh hƣởng của vi uốn cong.
Lớp vỏ có tác dụng tăng cƣờng sức chịu đựng của sợi quang trƣớc các tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 Sợi quang Lớp phủ 0,9mm Lớp đệm mềm Lớp vỏ Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp Hình1. Cấu trúc của một sợi quang 1. Một số phương pháp chế tạo sợi quang Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo sợi quang là sợi thuỷ tinh.
Thuỷ tinh đƣợc tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selenide. Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thuỷ tinh ôxit, trong đó đioxit silic (SiO 2) là loại ôxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang. Nó có chỉ số chiết suất tại bƣớc sóng 850 nm là 1,458.
Công nghệ chế tạo sợi quang thông thƣờng bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ có chiết suất phản xạ mong muốn. Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một đƣợc đƣa tới một lò nấu thuỷ tinh với một tốc độ thích hợp-giai đoạn tạo phôi. Tại giai đoạn thứ nhất có nhiều công nghệ có thể sử dụng chẳng hạn nhƣ công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition-công nghệ lắng đọng có điều khiển từ pha hơi), công nghệ OVD (outer vapor deposition-lắng đọng hơi bên ngoài) và VAD (công nghệ lắng đọng pha hơi theo trục) nhƣng ngƣời ta thƣờng sử dụng công nghệ MCVD.
Những lớp SiO2 đƣợc lắng đọng bên trong lớp thuỷ tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng 1800 oC. Để đảm bảo về độ đồng nhất thì ngƣời ta sử dụng những dây truyền tịnh tiến. Chiết suất của lớp vỏ đƣợc quyết định bằng việc pha fluourrine vào ống tuýp. Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ , lớp lõi đƣợc hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl4 hoặc POCl3 , việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi.
Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium. Nhƣ vậy quá trình chế tạo sợi quang pha tạp erbium giống nhƣ quá trình chế tạo các sợi quang thông thƣờng, chỉ có ở quá trình lắng đọng ngƣời ta đã thêm vào hơi ErCl3. Phân loại sợi quang Ngƣời ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số cách phân loại tiêu biểu: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 9 Phân loại theo vật liệu điện môi Theo vật liệu điện môi dùng để chế tạo sợi quang, sợi quang đƣợc phân ra làm 3 loại bao gồm: Sợi quang thạch anh Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa.