具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器

周景會(huì)，孫 浩，楊 珅，忽滿利，葉增俍，周利斌，張曉蕾，袁柳通

（西北大學(xué) 物理學(xué)院，陜西 西安710069）

引言

相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器，光纖傳感器具有體積小、成本低、耐腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，光纖傳感器已經(jīng)在建筑和油氣管道安全監(jiān)控及電力工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。針對(duì)測(cè)量不同物理量，相繼研制出了如溫度、濕度、壓力、彎曲、折射率、加速度光纖傳感器［1－7］，其中，光纖折射率傳感器在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到了人們關(guān)注，已有多種類型的全光纖結(jié)構(gòu)折射率傳感器相繼報(bào)道了，如基于光纖布拉格光柵（FBG）［8］、長(zhǎng)周期光柵光 纖 （LPG）［9］、微 納 光 纖 布 拉 格 光 柵 （MNFBG）［10］、表面等離子體共振（SPR）［11］、光纖干涉儀［12］的折射率傳感器。但是由于光纖材料本身存在的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，光纖折射率傳感器普遍存在易受溫度交叉靈敏度干擾的缺點(diǎn)，這一缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了光纖折射率傳感器的實(shí)用化。為了解決這一問(wèn)題，研究者們展開了相應(yīng)的研究，報(bào)道了一些能夠同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的光纖傳感器［13－14］。本文提出并證明了一種具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器，可以很好地減小溫度波動(dòng)對(duì)折射率測(cè)量造成的影響。傳感器為MMFFBG-MMF結(jié)構(gòu)，采用對(duì)折射率不敏感的FBG作為溫度校準(zhǔn)組件。在測(cè)量液體折射率時(shí)，若樣品溫度發(fā)生變化，可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量，將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的漂移量就可以得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移，從而解調(diào)出精確的折射率信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器的折射率靈敏度為126nm，共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm／℃，F(xiàn)BG的溫度靈敏度為11.14pm／℃。相比于普通的折射率傳感器，這種具有溫度自校準(zhǔn)功能的折射率傳感器擁有更好的應(yīng)用前景。

1 傳感器設(shè)計(jì)和理論分析

本文提出的光纖折射率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感頭由一段FBG夾熔在2段相同長(zhǎng)度的MMF之間構(gòu)成。FBG的長(zhǎng)度為10mm，中心波長(zhǎng)為1550nm，MMF的長(zhǎng)度都為2mm。入射光經(jīng)過(guò)輸入單模光纖（input-SMF）進(jìn)入第一段多模光纖（MMF1）時(shí)，一部分能量會(huì)耦合進(jìn)MMF1的包層中激發(fā)出高階包層模，其余的能量沿FBG傳播（部分被FBG反射），在FBG包層和纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)MMF2會(huì)重新耦合進(jìn)輸出單模光纖（output-SMF）。由于包層和纖芯折射率的不同，最后耦合的包層模和纖芯模存在的光程差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)相位差的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致包層模和纖芯模之間發(fā)生干涉。

圖1 MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)傳感器Fig.1 Schematic diagram of proposed MMF-FBG-MMF sensor

本文的FBG使用飛秒激光器和相位掩膜法在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上寫入的，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，其對(duì)外界液體折射率變化基本沒(méi)有響應(yīng)，是一種折射率不敏感光柵，通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)置，可以精確控制寫入光柵的工作波長(zhǎng)。因此，假設(shè)FBG的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，纖芯模和激發(fā)出的m階包層模的相位差可表示為

式中：ncoreeff，ncladdingeff，Δnmeff分別為纖芯模的有效折射率、m階包層模的有效折射率和兩者之間的有效折射率差；λ為工作波長(zhǎng)。根據(jù)公式（1），當(dāng)相位差滿足干涉條件Φ＝2kπ（k為整數(shù)）時(shí)，相應(yīng)的干涉極值波長(zhǎng)即共振波長(zhǎng)可表示為

由公式（2）可知，傳感器透射光譜的共振波長(zhǎng)與FBG的長(zhǎng)度纖芯模和m階包層模的有效折射率差成正比，當(dāng)外界環(huán)境變化導(dǎo)致FBG的長(zhǎng)度或者有效折射率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起共振波長(zhǎng)的漂移。2個(gè)相鄰干涉極小值之間的波長(zhǎng)差可表示為

由（3）式可知，2個(gè)干涉極小值之間的波長(zhǎng)差隨FBG的長(zhǎng)度增加而減小，L越長(zhǎng)，在測(cè)量范圍內(nèi)可觀察到的干涉峰就越多。出于方便解調(diào)并且降低損耗的目的，在測(cè)量范圍內(nèi)存在1～2個(gè)干涉峰最為合適，因此我們選用10mm長(zhǎng)的FBG。對(duì)于這種MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)的傳感器，兩段 MMF起到激發(fā)和再耦合包層模的作用，在保證1～2個(gè)干涉峰的條件下，其長(zhǎng)度越短越好，MMF的長(zhǎng)度越短，其中激發(fā)出的高階本征模之間的干涉對(duì)傳感器透射譜的影響越小。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，2mm長(zhǎng)度的MMF最為合適。因此，傳感區(qū)域的總長(zhǎng)度僅為14mm。

包層模對(duì)外界環(huán)境的折射率波動(dòng)非常敏感，當(dāng)環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，纖芯模和包層模的有效折射率差Δnmeff會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而導(dǎo)致透射光譜的共振波長(zhǎng)發(fā)生紅移（長(zhǎng)波方向）或藍(lán)移（短波方向），只需測(cè)出共振波長(zhǎng)的漂移量就解調(diào)出相應(yīng)的折射率變化信息，因此，這種光纖結(jié)構(gòu)可以用作折射率傳感。然而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，這種基于波長(zhǎng)解調(diào)方式的折射率傳感器普遍存在著溫度串?dāng)_的問(wèn)題，這是由于光纖材料自身具有的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)導(dǎo)致的。公式（2）中的Δnmeff和L會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生相應(yīng)的改變，其變化關(guān)系為

式中α和β分別為熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。由于光纖的熱光系數(shù)要比熱膨脹系數(shù)大2個(gè)數(shù)量級(jí)，熱光效應(yīng)對(duì)溫度引起的波長(zhǎng)漂移貢獻(xiàn)最大，約占95%，從而嚴(yán)重影響折射率傳感信息的準(zhǔn)確性。因此對(duì)折射率不敏感的FBG可以用作溫度校準(zhǔn)，使本文提出的這種折射率傳感器具有良好的溫度自校準(zhǔn)功能。在測(cè)量液體折射率時(shí)，若樣品溫度發(fā)生變化，就可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量，只需將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移量就能得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)，從而得到精確的折射率信息，避免溫度波動(dòng)造成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

折射率傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)所使用的寬帶光源中心波長(zhǎng)為1 550nm。光纖光譜儀分辨率為0.02nm，用于傳感信號(hào)光譜變化的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，為避免外界應(yīng)力干擾，將傳感器固定在防震金屬支架上，使光纖始終處于均勻拉直狀態(tài)。該傳感器在空氣中的透射光譜如圖3所示，在1 541nm處有一明顯的干涉谷，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)在1 550nm。由圖3可見(jiàn)，干涉并不均勻，為了對(duì)該傳感器的干涉現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步分析，我們對(duì)其透射光譜進(jìn)行了快速傅立葉變換，得到了相應(yīng)的空間頻譜，如圖4所示?？梢?jiàn)，參與干涉的有多個(gè)包層模，最終導(dǎo)致干涉光譜的不均勻。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of experimental testing system

圖3 傳感器在空氣中的透射光譜Fig.3 Transmitted spectrum in air of proposed sensor

圖4 傳感器的空間頻譜Fig.4 Corresponding spatial frequency spectrum

將傳感器浸沒(méi)在具有不同折射率的甘油水溶液中，通過(guò)光譜儀觀察透射光譜的變化。所測(cè)甘油水溶液折射率范圍為1.34～1.41，每次測(cè)量之前需要用阿貝折射率計(jì)校準(zhǔn)溶液樣品的實(shí)際折射率，測(cè)量之后用去離子水和無(wú)水乙醇反復(fù)清洗傳感頭。為減小誤差，每組數(shù)據(jù)均測(cè)量5次取平均值。該傳感器的透射光譜隨液體折射率的變化如圖5所示?？梢?jiàn)，隨著液體折射率的升高，干涉光譜的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移，而對(duì)折射率不敏感的FBG的中心波長(zhǎng)并沒(méi)有發(fā)生變化。選擇1 541nm的共振波長(zhǎng)觀察其隨折射率的變化關(guān)系，如圖6所示。共振波長(zhǎng)與液體的折射率近似成線性關(guān)系，共振波長(zhǎng)正比于折射率。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到的擬合直線公式為y＝125.992 6x＋1 370.412，擬合直線的線性度非常好，其斜率為125.992 6，即該折射率傳感器的靈敏度近似為126nm。也就是說(shuō)，環(huán)境的折射率每變化一個(gè)單位，傳感器的共振波長(zhǎng)就漂移126nm。

圖5 不同折射率下的透射光譜Fig.5 Transmitted spectra under different ambient RI

圖6 共振波長(zhǎng)隨折射率的變化關(guān)系Fig.6 Resonance wavelength shifts with ambient RI

為了驗(yàn)證該傳感器對(duì)溫度的響應(yīng)，將傳感器置于一個(gè)真空電熱箱，在25℃～105℃范圍內(nèi)每隔10℃記錄一次光譜。透射光譜中1 541nm的共振波長(zhǎng)和FBG的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系如圖7所示?？梢?jiàn)，共振波長(zhǎng)和FBG的中心波長(zhǎng)都隨溫度的升高向長(zhǎng)波方向漂移，與溫度成正比關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，共振波長(zhǎng)與溫度的擬合方程為y＝0.035 09x＋1 540.187 4，其斜率為0.035 09，即共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm／℃。FBG的中心波長(zhǎng)與溫度的擬合方程為y＝0.011 14x＋1 549.546 0，斜率為0.011 14，即FBG的溫度靈敏度為11.14pm／℃。這樣，F(xiàn)BG就可以為該傳感器的折射率測(cè)量提供良好的溫度校準(zhǔn)功能。在測(cè)量液體折射率時(shí)，若樣品溫度發(fā)生變化，就可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量，將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的漂移量就可以得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移，從而解調(diào)出精確的折射率信息。

圖7 共振波長(zhǎng)和FBG中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系Fig.7 Resonance wavelength and Bragg wavelength shift with ambient temperature

3 結(jié)論

本文提出并證明一種基于 MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)的具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器，傳感器的總長(zhǎng)度為14mm，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，F(xiàn)BG可以提供良好的溫度校準(zhǔn)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在測(cè)量折射率范圍為1.34～1.41的液體時(shí)靈敏度為126nm。該傳感器共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm／℃，用溫度校準(zhǔn)的FBG的溫度靈敏度為11.14pm／℃。相比于普通的折射率傳感器，這種具有溫度自校準(zhǔn)功能的折射率傳感器具有良好的實(shí)用前景。

［1］ Zhang Jing，Sun Hao，Rong Qiangzhou，et al.Hightemperature sensor using a Fabry-Perot interferometer based on solid-core photonic crystal fiber［J］.Chinese Optics Letters，2012，10（7）：070607.

［2］ Rong Qiangzhou，Sun Hao，Qiao Xueguang，et al.A miniature fiber-optic temperature sensor based on a Fabry-Perot interferometer［J］.Journal of Optics，2012，14（4）：045002.

［3］ Sun Hao，Yang Shen，Zhang Jing，et al.Temperature and refractive index sensing characteristics of an MZI-based multimode fiber-dispersion compensation fiber-multimode fiber structure［J］.Optical Fiber Technology，2012，18（6）：425-429.

［4］ Su Dan，Qiao Xueguang，Rong Qiangzhou，et al.A fiber Fabry-Perot interferometer based on a PVA coating for humidity measurement［J］.Optics Communications，2013，311：107-110.

［5］ Guo Tuan，Qiao Xueguang，Jia Zhen'an，et al.Investigation of fiber Bragg grating for pressure sensing based on reflected wave's broadened bandwidth［J］.Acta Photonica Sinica，2004，33（3）：288-290.郭團(tuán)，喬學(xué)光，賈振安，等.基于光纖Bragg光柵反射波帶寬展寬的壓力傳感研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2004，33（3）：288-290.

［6］ Wang Yiping，Chen Jianping，Rao Yunjiang.Long period fiber grating sensors measuring bend-curvature and determining bend-direction simultaneously［J］.Jouranl of Optoelectronics Laser，2005，16（10）：1139-1143.王義平，陳建平，饒?jiān)平?同時(shí)測(cè)量彎曲曲率和彎曲方向的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器［J］.光電子·激光，2005，16（10）：1139-1143.

［7］ Yang Chang，Zhou Hongpu，Zhang Min，et al.A new type fiber-optic accelerometer［J］.Jouranl of Optoelectroics Laser，2013，24（2）：209-214.楊昌，周宏樸，張敏，等.新型簧片式光纖加速度傳感器研究［J］.光電子·激光，2013，24（2）：209-214.

［8］ Liang Ruibing，Sun Qizhen，Wo Jianghai，et al.Theoretical investigation on refractive index sensor basedon Bragg grating in micro／nanofiber［J］.Acta Phys.Sin.，2011，60（10）：104221-104221.梁瑞冰，孫琪真，沃江海，等.微納尺度光纖布拉格光柵折射率傳感的理論研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（10）：104221-104221.

［9］ Jin Qing-li，Huang Xiaohong，Yan Lifen，et al.Optimization of long－period fiber grating for refractiveindex sensor［J］.Acta Photonica Sinica，2011，40（8）：1201-1204.金清理，黃曉虹，顏利芬，等.長(zhǎng)周期光纖光柵折射率傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.光子學(xué)報(bào)，2011，40（8）：1201-1204.

［10］Liu Yinggang，Che Fulong，Jia Zhenan，et al.Investigation on the characteristics of micro／nanofiber bragg grating for refractive index sensing［J］.Acta Phys.Sin.，2013，62（10）：104218-1-6.劉穎剛，車伏龍，賈振安，等.微納光纖布拉格光柵折射率傳感特性研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（10）：104218-1-6.

［11］Lin Hsingying，Huang Chenhan，Cheng Gialing，et al.Tapered optical fiber sensor based on localized surface plasmonresonance［J］.Optics Express，2012，20（19）：21693-21701.

［12］Zhang Jing，Sun Hao，Wang Ruohui，et al.Simultaneous measurement of refractive index and temperature using a Michelson fiber interferometer with a Hi-Bi fiber probe［J］.IEEE Sensors Journal，2013，13（6）：2061-2065.

［13］Sun Hao，Hu Manli，Qiao Xueguang，et al.Fiber refractive index sensor based on fiber core mismatch multimode interference［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39（2）：98-102.孫浩，忽滿利，喬學(xué)光，等.基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器［J］.中國(guó)激光，2012，39（2）：98-102.

［14］Sun Hao，Zhang Jing，Rong Qiangzhou，et al.A hybrid fiber interferometer for simultaneous refractive index and temperature measurements based on Fabry－Perot／Michelson interference［J］.IEEE Sensors Journal，2013，13（5）：2039-2044.