基于光纖內(nèi)雙開口F-P干涉腔的折射率傳感器

闕如月，劉 一，孫慧慧，曲士良

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，威海264209）

基于光纖內(nèi)雙開口F-P干涉腔的折射率傳感器

闕如月，劉 一，孫慧慧，曲士良*

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，威海264209）

為了實現(xiàn)高靈敏度液體折射率傳感器的高效制備，采用飛秒激光直寫技術(shù)，在光纖末端刻蝕出矩形凹槽，輔以光纖熔接方法，制備出一種基于光纖內(nèi)雙開口法布里-珀羅（F-P）干涉腔的折射率傳感器。該傳感器的液體折射率傳感靈敏度達(dá)到1107.76nm／RIU。討論了溫度對該傳感器性能的影響，溫度串?dāng)_小于0.0025nm／℃；基于海水含鹽濃度與折射率的線性關(guān)系，探討了該傳感器在海水含鹽濃度傳感測量方面的應(yīng)用，靈敏度為0.171nm／（mg· mL－1）。結(jié)果表明，基于光纖內(nèi)雙開口F-P干涉腔的折射率傳感器具有干涉譜對比度高、線性響應(yīng)良好、靈敏度高、不易受溫度串?dāng)_、結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡單高效等優(yōu)點，在生物、醫(yī)療、化學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

光學(xué)器件；光纖傳感器；飛秒激光；法布里-珀羅干涉；折射率；含鹽濃度

引 言

由于光纖折射率傳感器在生物、醫(yī)療、化學(xué)以及環(huán)境領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，近年來對它的研究日益增多。光纖折射率傳感器主要基于以下幾種類型：長周期光纖光柵［1-3］、光纖布喇格光柵［4-5］、光纖表面等離子體共振［6］、以及法布里-珀羅（F-P）干涉腔［7-10］等?；陂L周期光纖光柵和光纖布喇格光柵的折射率傳感器目前應(yīng)用比較成熟，但靈敏度較低且不同折射率范圍內(nèi)靈敏度不同。光纖表面等離子體共振傳感器通常具有很高的靈敏度，但在光纖上鍍膜工藝復(fù)雜、費用相對昂貴。此外，大多數(shù)傳感器還受溫度不同程度的影響，制備時為了考慮溫度補(bǔ)償而需要更多復(fù)雜的設(shè)計和工序?；贔-P干涉腔的折射率傳感器作為光纖傳感器的一個分支，相比于其它幾種類型傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)微小以及溫度不敏感等優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注［7-10］。F-P干涉腔的制備主要有以下3種方法：第1種是飛秒激光直寫刻蝕法［7］，該方法制備簡單精確，但直寫燒蝕出的微腔腔壁較粗糙，因此反射率較低且損耗較大。第2種是聚焦離子束刻蝕法［11］，該方法相比飛秒激光刻蝕法，刻蝕出的微腔腔壁更光滑，但制作時間較長，效率較低。第3種是光纖放電熔接法，該方法一般是先將光纖一端進(jìn)行預(yù)處理（化學(xué)腐蝕或飛秒激光刻蝕），再用電弧放電將該光纖末端與另一段切平的光纖末端熔接，在光纖內(nèi)部形成F-P干涉腔。這種方法制備的F-P干涉腔一般是密封的，形狀為橢球形，內(nèi)表面光滑，具有良好的干涉譜，但是為了測量液體折射率，需要再次利用飛秒激光燒蝕出開口將液體引入F-P干涉腔［12］。

作者采用飛秒激光直寫技術(shù)，在切平光纖末端刻蝕出矩形凹槽，再輔以光纖熔接方法，將有凹槽一端光纖末端與另一切平光纖末端熔接，直接在光纖中制備出一個雙開口F-P干涉腔結(jié)構(gòu)，易于液體進(jìn)出。該F-P干涉腔腔面光滑，反射率高，具有良好的干涉譜，整個制備過程不到3min?；谶@種F-P干涉腔結(jié)構(gòu)，得到高靈敏光纖液體折射率傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，加工快速易行且不易折斷。作者研究了液體折射率傳感特性及溫度影響情況，結(jié)果表明，該傳感器靈敏度高且對溫度不敏感，因此能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)光纖折射率傳感器的缺點，在生物、醫(yī)療、化學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用。

1 實驗制備

用飛秒激光在光纖末端刻蝕矩形凹槽的實驗裝置如圖1所示。飛秒激光脈沖由鈦藍(lán)寶石飛秒激光再生放大系統(tǒng)（Coherent Inc.）產(chǎn)生，其輸出中心波長為800nm，脈沖寬度為120fs，重復(fù)頻率為1kHz。激光脈沖的光斑直徑和能量大小分別由光闌和衰減片進(jìn)行調(diào)節(jié)，用機(jī)械快門（響應(yīng)時間為100ms）控制曝光時間。脈沖經(jīng)20倍顯微物鏡（尼康，數(shù)值孔徑為0.45）聚焦到3維移動平臺（精度為100nm）上，3維移動平臺和機(jī)械快門由計算機(jī)精確控制。CCD攝像頭放置在物鏡頂端，并連接到顯示器上，可以對實驗過程進(jìn)行實時觀測。

Fig.1 a—experimental setup of femtosecond laser micromachining b—scan path of the laser pulse c—microscope image of the rectangular groove at the end of fiber

實驗中采用康寧普通單模光纖SMF28，纖芯直徑8.2μm。去除光纖一端涂覆層后，用光纖切割刀將端面切平，用膠固定在載玻片上，并將載玻片固定在3維平臺上。調(diào)節(jié)3維移動平臺，使飛秒激光脈沖聚焦到光纖包層頂部邊緣處，利用計算機(jī)控制3維移動平臺，使激光焦點在x-y平面上沿圖1b軌跡移動（移動速率為80μm／s），掃描刻蝕出一個矩形層，再沿z軸向下步進(jìn)20μm，再次在x-y平面上刻蝕出一個矩形層。這樣自上而下逐層掃描，4層即可貫穿光纖，耗時僅需1min。通過這樣的加工過程，最終在光纖端面形成一個矩形凹槽，如圖1c所示。矩形凹槽深度L1＝60μm。通過改變掃描參量，可精確控制矩形凹槽的尺寸。凹槽制備完畢后，將有凹槽的光纖末端與另一切平光纖末端通過光纖熔接機(jī)電弧放電熔接（熔接電流為5.3mA，熔接時間為0.6s），在光纖內(nèi)部一次性形成上下兩面開口的F-P干涉腔。整體制備過程如圖2a所示，圖2b、圖2c分別為制備出的F-P干涉腔的正面和俯視顯微照片，腔長L2＝50μm。

Fig.2 a—fiber F-P interference cavity fabrication process b—the front view image of F-P interference cavity c—the top view image of the F-P interference cavity

由圖2b可以看出，F(xiàn)-P干涉腔的上下兩端面與外界聯(lián)通，易于液體的進(jìn)入。將圖2c對比圖1c可以看出，F(xiàn)-P干涉腔位于光纖中部，通過放電熔接過程，F(xiàn)-P干涉腔相比矩形凹槽尺寸略微縮小，F(xiàn)-P干涉腔纖芯處部分比開口處尺寸縮小更為明顯，但兩個腔面仍保持良好的平行度。通過調(diào)節(jié)熔接時的放電電流大小和放電時間，可以對F-P干涉腔的尺寸進(jìn)行控制。并且由于電弧放電的高溫作用，F(xiàn)-P干涉腔內(nèi)表面的光滑度大為增加。因此，該結(jié)構(gòu)對于光的反射能夠具有較小的損耗和良好的反射干涉譜。

2 F-P干涉腔傳感原理

F-P干涉腔在纖芯處有兩個腔面，如圖2b所示，分別對入射光I0進(jìn)行反射。由于多次反射損耗大，因此這里忽略多次反射，只考慮雙光束干涉。則利用雙光束干涉公式，反射形成的干涉光光強(qiáng)I為：

式中，I1和I2分別為第1個腔面和第2個腔面的反射光光強(qiáng)；φ0為干涉光的初始相位；L2為F-P干涉腔的腔長；n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率；λ為光的波長。（1）式中，當(dāng)時，干涉光光強(qiáng)達(dá)到最小，即滿足：

式中，m是整數(shù)，λm為干涉峰的中心波長。由此得出：

將上式兩邊分別求導(dǎo)，即：

由（4）式可以看出，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率變化δn將導(dǎo)致干涉峰產(chǎn)生峰移δλm，這就是光纖F-P干涉腔的傳感原理。定義傳感器靈敏度為每變化單位折射率時峰值波長的變化，可以得出傳感器靈敏度Sm為：

由（5）式可以看出，腔長L2一定的時候，靈敏度Sm只與m值有關(guān)，m值越小，Sm越大。并且，在測量同一折射率液體時，由（3）式可以看出，m值越小，干涉光中心波長λm越大。因此，選取長波處的干涉峰靈敏度較高。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 液體折射率傳感測試

Fig.3 a—experimental setup for refraction index measurement b—reflection spectrum of sensor in water

接下來對該光纖傳感器樣品進(jìn)行液體折射率傳感實驗，實驗裝置如圖3a所示。實驗中配置了11種折射率范圍從1.333～1.377的不同折射率溶液，分別放置于不同燒杯中。進(jìn)行折射率傳感實驗時，將光纖傳感器樣品浸沒在待測液體中，另一端通過環(huán)形器連接在寬帶光源（broad band source，BBS）（波長范圍1200nm～1700nm）與光譜儀（optical spectrum analyzer，OSA）（YOKOGAWA-AQ6370B，分辨率0.01nm）上，光源發(fā)射的光通過F-P腔的兩個端面分別發(fā)生反射并干涉，產(chǎn)生的干涉譜由光譜儀接收并顯示。在水中的樣品反射干涉譜如圖3b所示。由圖3b可以看出，該傳感器在水中反射干涉譜譜線光滑、干涉峰尖銳、峰峰對比度良好，最大對比度達(dá)到13dB。

Fig.4 a—reflection spectrum when refractive index is1.3479，1.3530，1.3575 and 1.3612，respectively b—sensitivities of sensor for refractive index measurement

圖4 a所示分別是折射率為1.3479，1.3530，1.3575和1.3612的反射干涉譜。實驗中對于每一種折射率溶液都重復(fù)測量了3次，如圖4a中不同線型所示。需要說明的是，圖4a中4條不同折射率下的曲線對應(yīng)的縱坐標(biāo)值以第1條為參照，其它3條的縱坐標(biāo)值分別減去20，40，60以區(qū)分開便于展示。由圖4a可以看出，隨著折射率的增大，反射譜的干涉峰均向長波方向移動。另外，同種折射率溶液中3次測量得到的干涉譜基本重合，干涉峰之間的微小偏差主要是由于所測折射率液的不均勻性導(dǎo)致，并非F-P干涉腔結(jié)構(gòu)引起。對于均勻折射率液體，該傳感器測得的反射干涉譜幾乎無偏差。實驗結(jié)果表明，該傳感器具有良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

選取了在折射率為1.3479時位置在1480nm，1520nm和1560nm附近的3個干涉峰，如圖4a所示。通過這3個干涉峰從折射率為1.333改變至1.377的峰移可得出折射率傳感器的靈敏度曲線，如圖4b所示。圖4b中，干涉峰中心波長隨折射率的增大而增大，二者具有良好的線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合實驗值得出實驗靈敏度值S1480，S1520，S1560分別為1063.1439nm／RIU（refractive index unit，折射率單位）、1085.9328nm／RIU和1107.76 28nm／RIU。根據(jù)（2）式可以計算得出，1480nm，1520nm和1560nm附近的這3個干涉峰的m值分別為87，89和91，運用（5）式可以計算得出這3個干涉峰靈敏度S的理論值分別為1092.8962nm／RIU，1117.3184nm／RIU，1142.8571nm／RIU。由此可以看出，實驗值與理論值基本相符。并且，由數(shù)據(jù)可以看出，長波方向的干涉峰靈敏度較高，符合理論得出的結(jié)論。若考慮光譜儀分辨率為0.01nm，在恒溫情況下，可得出該折射率傳感器的測量精度最高可達(dá)9×10－6RIU。

3.2 溫度對傳感器性能的影響

Fig.5 a—reflection spectrum at air temperature is 20℃，40℃，60℃，80℃and 100℃，respectively b—details of the reflection spectrum at1500nm

下面實驗研究液體折射率傳感器受溫度的影響情況。將此傳感器放入溫度控制箱，從室溫20℃加熱到100℃，每隔20℃記錄一次反射譜，結(jié)果如圖5a所示。由圖可以看出，反射譜隨溫度變化不明顯，5條反射干涉譜幾乎重合。圖5b中，將圖5a中1500nm處的反射譜進(jìn)行了放大，由圖中可以看出，從20℃加熱到100℃，反射譜的波長變化在0.2nm以內(nèi)。結(jié)果表明，傳感器受溫度影響微弱，波長變化小于0.0025nm／℃。在實際應(yīng)用中，假設(shè)環(huán)境溫度改變小于±5℃，在此測量環(huán)境下，波長變化小于±0.0125nm，此時，該傳感器的誤差僅為1.15× 10－5RIU。因此，即使在環(huán)境溫度變化±5℃的情況下，此F-P干涉腔液體折射率傳感器的測量絕對精度仍可達(dá)到1×10－4RIU以上。

3.3 不同溫度液體折射率傳感應(yīng)用

由于制備出的液體折射率傳感器溫度串?dāng)_非常小，因此可以用來測量不同溫度下的液體折射率變化。實驗中以水為例，將此傳感器放入純水中，將水從20℃加熱至80℃，每隔5℃記錄一次反射譜，結(jié)果如圖6a所示。由圖6a可以看出，干涉峰隨水溫的升高而向短波方向移動。取m＝89的干涉峰，通過此干涉峰隨溫度變化的峰移以及其靈敏度S89＝1085.9328nm／RIU，可以得出水在不同溫度下的折射率變化曲線，如圖6b中所示。由圖6b可以看出，水的折射率隨溫度升高而降低，擬合曲線與參考文獻(xiàn)［7］中的數(shù)值基本一致。

Fig.6 a—reflection spectrum at water temperature range from 20℃to 80℃，respectively b—refractive index variation with temperature range from 20℃to80℃

3.4 海水含鹽濃度傳感測量應(yīng)用

恒溫情況下，海水含鹽濃度的變化會引起其對光的折射率發(fā)生改變，兩者有良好的線性對應(yīng)關(guān)系［13］。因此本文中將液體折射率傳感器用于海水含鹽濃度傳感測量應(yīng)用。實驗中將NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.9910）溶于純水中，配置出0mg／mL～280mg／mL、間隔為28mg／mL的共11種不同含鹽濃度的溶液，在室溫下分別用此傳感器測量，并通過光譜儀記錄。實驗中仍選擇m為87，89和91的3個干涉峰，觀察其峰移，通過3個干涉峰峰移得出含鹽濃度傳感靈敏度曲線，如圖7所示。由圖中可以看出，3個干涉峰隨著溶液含鹽濃度的增加逐漸向長波方向移動，通過計算斜率得出3個干涉峰的靈敏度分別為0.164nm／（mg／mL），0.168nm／（mg／mL），0.171nm／（mg／mL）。

Fig.7 Salinity response of the sensor

在實際情況中，海水溫度將有一定起伏，導(dǎo)致海水折射率不僅隨含鹽濃度變化，還受到溫度的影響。由于該傳感器本身不受溫度影響，因此，測量海水含鹽濃度時，只需利用第3.3節(jié)中不同溫度下的水折射率變化對結(jié)果進(jìn)行修正，即可精確測量出實際海水含鹽濃度。

4 結(jié) 論

采用飛秒激光直寫輔以光纖熔接技術(shù)，可高效制備出基于光纖內(nèi)F-P干涉腔的液體折射率傳感器，制備過程簡單快速、傳感器性能良好。實驗結(jié)果表明，該傳感器反射譜的干涉峰峰移和折射率變化呈良好的線性關(guān)系，靈敏度為1107.8nm／RIU，并且對環(huán)境溫度不敏感。亦可用于海水含鹽濃度傳感測量，靈敏度為0.171nm／（mg·mL－1）。因此，該傳感器滿足實際應(yīng)用的需求，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等傳感領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

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Refractive index sensor based on F-P interferometer cavity in optical fiber with double-openings

QUE Ruyue，LIU Yi，SUN Huihui，QU Shiliang
（School of Science，Harbin Institute of Technology，Weihai264209，China）

In order to achieve a high sensitive fiber sensor for liquid refractive index（RI）measurement through a simple and efficient method，a Fabry-Pérot interferometer（F-PI）cavity in fiber with double-openings was fabricated by femtosecond laser micromachining followed by fiber fusion.Firstly a rectangular groove was ablated at the end of fiber by femtosecond laser direct writing.Then the fiber end with the groove was spliced with another fiber end to form the F-PI cavity with double-openings.The responses of the fiber sensor based on the F-PI cavity with double-openings to the liquid RI and temperature were investigated.The experiment results show that the sensitivity of the sensor for RI measurement can achieve 1107.76nm／RIU，and the crosstalk by temperature is less than 0.0025nm／℃.The application of the sensor for seawater salinity measurement was also discussed and its sensitivity achieves 0.171nm／（mg·mL－1）.This liquid RI fiber sensor based on the F-PI cavity with double-openings can have great application in the fields of biology，medicine，chemistry and environment due to its advantages of high constrast of the reflection spectrum，linear response，high sensitivity，low crosstalk of temperature，small size and simple fabrication.

optical devices；optical fiber sensor；femtosecond laser；F-P interferometer；refractive index；salinity

TN253；TP212.1＋4

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.012

1001-3806（2014）06-0780-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（11374077）；山東省攻關(guān)資助項目（2012GGX10308）

闕如月（1990-），女，碩士研究生，現(xiàn)主要從事光纖微器件的飛秒激光微加工的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：slqu＠hit.edu.cn

2013-12-24；

2014-03-11