基于SPR的雙錐形光纖折射率傳感特性研究

曹雨晨，孫 鵬

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

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基于SPR的雙錐形光纖折射率傳感特性研究

曹雨晨，孫 鵬

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

利用液體折射率與表面等離子共振技術(shù)(SPR)，研究了光纖傳感器在液體中透射光功率的變化，提出了一種液體折射率光纖傳感器。該傳感器采用3 dB耦合器進(jìn)行分光，利用輸出波長(zhǎng)范圍為1 530～1 580 nm的ASE作為光源，以熔融拉錐光纖作為傳感單元。利用該光纖傳感器，對(duì)NaCl溶液濃度與透射光功率之間關(guān)系的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明傳感器外部介質(zhì)折射率越高，光的傳輸損耗越大。而且在錐區(qū)外部鍍膜，能夠有效地提高傳感器的靈敏度。

折射率傳感器；錐形光纖；光纖傳感；表面等離子體共振

0 引言

光纖傳感器具有響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、超高電絕緣、靈敏度高、安全性高、使用方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于對(duì)加速度、應(yīng)變、光、旋轉(zhuǎn)、位移、力、聲、濃度、溫度、磁以及某些化學(xué)量等參數(shù)的測(cè)量，其應(yīng)用前景十分廣泛[2-3]。

關(guān)于利用光纖傳感實(shí)現(xiàn)對(duì)液體濃度的測(cè)量，目前，主要是基于光纖傳感的液體折射率測(cè)量方法，其中包括雙錐光纖理論模型，但關(guān)于理論模型與實(shí)際的傳感器工藝參數(shù)之間聯(lián)系的研究尚不夠完善，從而影響了這種光纖傳感器的研制與開(kāi)發(fā)。盡管少數(shù)文獻(xiàn)曾經(jīng)報(bào)道過(guò)將理論模型與研制工藝參數(shù)相聯(lián)系，但存在適用范圍窄，或者需要知道不易測(cè)量的溫度分布和黏度等問(wèn)題。本文提出了一種基于雙錐形光纖的液體濃度傳感器，通過(guò)對(duì)該傳感器的雙錐形光纖折射率傳感特性的研究，揭示了雙錐形光纖傳感器在液體中的透射光功率變化規(guī)律，據(jù)此可以用來(lái)測(cè)量液體的濃度。

1 雙錐形光纖的傳感特性

1．1 傳感原理

圖1 錐形光纖的幾何光路圖

當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)錐區(qū)時(shí)，不斷經(jīng)過(guò)全反射，入射角逐漸減小。因此，總會(huì)有一部分光的入射角小于全反射的臨界角，從而導(dǎo)致光透過(guò)包層進(jìn)入到外界形成倏逝場(chǎng)，并在外界液體中傳播，其結(jié)果造成透射光功率下降。另一方面，錐區(qū)外部液體濃度的變化會(huì)也會(huì)導(dǎo)致錐區(qū)外部折射率的變化，并引起全反射臨界角αc的變化，從而影響透過(guò)包層進(jìn)入到外界的光功率，進(jìn)而使得通過(guò)雙錐形光纖的透射光功率改變。由此可見(jiàn)，透射光功率與錐區(qū)外部液體折射率存在一定的關(guān)系，而錐區(qū)外部液體折射率又與液體濃度有關(guān)，因此，利用透射光功率可以檢測(cè)體濃度。

1．2 光纖錐結(jié)構(gòu)與傳感性能

1．2．1 透射光功率與錐腰直徑關(guān)系

熔錐光纖是把剝除涂覆層的裸單模光纖經(jīng)過(guò)高溫加熱處理，然后將其纖芯和包層同時(shí)拉細(xì)。設(shè)熔錐光纖纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，半徑分別為a和b，待測(cè)溶液的折射率為n0。為了闡述傳輸損耗隨待測(cè)溶液折射率變化的關(guān)系，首先建立研究模型：即將原來(lái)熔錐光纖的芯層和包層等效成模型的新芯層，而把待測(cè)溶液作為模型的新包層。新芯層的折射率可以由原熔錐光纖的有效折射率neff來(lái)等效，而新包層的折射率即為待測(cè)溶液的折射率n0。利用LP01模[4]，可以解釋當(dāng)包層折射率n0變化時(shí)，芯層所攜帶的光功率與芯層和包層所攜帶的總光功率比值的變化規(guī)律。

LP01模的模場(chǎng)分布符合高斯分布，可以用高斯函數(shù)近似代替精確的場(chǎng)表達(dá)式。于是，新芯層所攜帶的光功率占總功率的比值為

(1)

式中：Pc為芯層攜帶的光功率；Pt為總的光功率；b為新芯層半徑；s0為新模場(chǎng)半徑。

對(duì)于階躍折射率光纖，模場(chǎng)半徑與芯層半徑存在如下關(guān)系：

(2)

式中Δ為相對(duì)折射率差，Δ=(neff-n0)/neff。

將式(2)帶入式(1)，并化簡(jiǎn)得到：

(3)

本研究所采用的光源波長(zhǎng)為λ=1．55 μm，原熔錐光纖的有效折射率為neff=1．468 2。當(dāng)雙錐形光纖置于空氣中時(shí)，n0=1。改變錐區(qū)的最小直徑，可以得到芯層攜帶的光功率占總功率的比值Pc/Pt隨錐區(qū)的最小錐腰直徑變化關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 透射光功率與錐腰直徑關(guān)系

從圖2可以看出，當(dāng)錐腰直徑小于2 μm時(shí)，光透射率受錐腰直徑的影響較大，當(dāng)錐腰直徑增加時(shí)，光透射率顯著增加。當(dāng)錐腰直徑大于2 μm時(shí)，雖然光透射率仍然隨錐腰直徑的增大而變大，但是變化并不明顯。

1．2．2 透射光功率與外部折射率關(guān)系

當(dāng)雙錐形光纖錐區(qū)浸泡在待測(cè)液體中時(shí)，芯層攜帶的光功率占總功率的比值Pc/Pt隨錐區(qū)外部的待測(cè)液體折射率變化關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 透射光功率與外部折射率關(guān)系

從圖3可以看出，隨著包層折射率n0的增大，芯層所攜帶的光功率占總功率的比值Pc/Pt隨之減小，這表明將會(huì)有更多的光泄漏到包層中損耗掉。據(jù)此可以得出熔錐光纖的傳感機(jī)理：隨著包層(待測(cè)介質(zhì))折射率n0的增大，芯層(熔錐光纖)攜帶的光功率占總光功率的比值減小，越來(lái)越多的光泄漏到包層(待測(cè)介質(zhì))中，導(dǎo)致傳輸損耗增大。根據(jù)此傳感機(jī)理，在錐區(qū)浸泡到待測(cè)液體時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)錐區(qū)損耗的光功率來(lái)推算出液體的折射率。而液體折射率與液體的濃度在同一環(huán)境下有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即可得知待測(cè)液體的濃度。

2 雙錐形光纖折射率傳感實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)裝置

雙錐形光纖傳感器的傳感特性實(shí)驗(yàn)裝置圖，如圖4所示。

圖4 傳感器原理示意圖

其中，采用波長(zhǎng)為1 530～1 580 nm的ASE光源產(chǎn)生入射光。入射光在經(jīng)過(guò)3 dB的耦合器后，分成功率相同的2束光，一束經(jīng)過(guò)雙錐形光纖結(jié)構(gòu)，最終由光譜分析儀接收相應(yīng)的透射光譜。另一束直接被光譜分析儀接收，作為對(duì)比。這樣，對(duì)比光譜分析儀接收到的兩束光的光譜，就可以得出雙錐形光纖結(jié)構(gòu)的光譜特性，也就是錐形光纖區(qū)域的光譜吸收特性。由于雙錐形光纖結(jié)構(gòu)的尺寸在微米量級(jí)，因此對(duì)其周圍環(huán)境的折射率變化極為敏感。當(dāng)錐區(qū)外部折射率改變后，雙錐形光纖的透射光功率將發(fā)生變化。因此，可以根據(jù)錐區(qū)外部折射率與透射光功率的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量透射光功率來(lái)得到錐形區(qū)域周圍環(huán)境的折射率。

2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)配置了5%、10%、15%、20%，25%5種不同濃度的NaCl溶液，并拉制了3根規(guī)格不同的雙錐形光纖。

由于拉錐工藝限制，實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)錐腰直徑為30～50 μm的雙錐形光纖進(jìn)行了其傳感性能的分組研究。第一組、第二組、第三組實(shí)驗(yàn)中所用的雙錐形光纖錐腰直徑分別為33 μm、40 μm、46 μm，3組實(shí)驗(yàn)中外界NaCl溶液濃度與透射光功率的關(guān)系如表1所示。

表1 3組實(shí)驗(yàn)NaCl濃度對(duì)應(yīng)透射光功率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算，可以證明：透射光譜功率與NaCl溶液濃度具有一定的線性關(guān)系。

第一組實(shí)驗(yàn)的輸入光功率為13．25 μW，當(dāng)NaCl濃度每增大5%時(shí)，透射光功率降低約為輸入功率的0．83%。將驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的線性關(guān)系為

y=2．955-0．022x

式中：y為透射光功率，μW；x為NaCl溶液濃度，%。

第二組實(shí)驗(yàn)的輸入光功率為4．04 μW，當(dāng)NaCl濃度每增大5%時(shí)，透射光功率降低約為輸入功率的1．73%。將驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的線性關(guān)系為

y=2．54-0．014x

第三組實(shí)驗(yàn)的輸入光功率為13．46 μW，當(dāng)NaCl濃度每增大5%時(shí)，透射光功率降低約為輸入功率的0．15%。將驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的線性關(guān)系為

y=3．857 5-0．003 5x

由于錐區(qū)外形、錐區(qū)長(zhǎng)度等因素都會(huì)對(duì)透射光功率產(chǎn)生影響，所以3組實(shí)驗(yàn)得到的線性關(guān)系略有差異，但是3組實(shí)驗(yàn)都表現(xiàn)出了透射光功率與外部液體濃度有較好的線性度。

2．3 鍍膜對(duì)于傳感性能影響

為了研究雙錐形光纖傳感器的錐區(qū)外部鍍膜對(duì)傳感器靈敏度的影響，本研究對(duì)第三組實(shí)驗(yàn)中用所采用的雙錐形光纖外部進(jìn)行了鍍膜處理。鍍膜前與鍍膜后NaCl溶液濃度與透射光功率的關(guān)系對(duì)比如表2所示。

表2 鍍膜前后NaCl濃度對(duì)應(yīng)透射光功率

鍍膜后實(shí)驗(yàn)的輸入光功率為10．71 μW，當(dāng)NaCl濃度每增大5%時(shí)，透射光功率降低約為輸入功率的0．28%，其線性關(guān)系表達(dá)為y=1．207-0．006x。

在本次實(shí)驗(yàn)中，較之鍍膜前NaCl溶液濃度每增大5%，透射光功率降低約為輸入功率的0．15%。鍍膜后傳感器靈敏度大約為鍍膜前的1．87倍。由此可以得到結(jié)論，在錐區(qū)外部鍍膜會(huì)令雙錐形光纖傳感器的靈敏度有所提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的雙錐形光纖液體濃度傳感器，通過(guò)將光纖拉細(xì)形成雙錐形，并將錐區(qū)浸泡在待測(cè)液體中。當(dāng)光經(jīng)過(guò)錐區(qū)時(shí)，透射光功率會(huì)受到液體折射率的影響而改變，且二者呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，由此可以測(cè)得液體的濃度。而且，如果在錐區(qū)外部鍍銀膜，則會(huì)一定程度上提高傳感器的靈敏度。

[1] 薛春榮．熔錐光纖的特性研究．激光與紅外，2006，36 (9)：886-888．

[2] 帥詞俊，段吉安，蔡國(guó)華．熔融光纖器件熔錐區(qū)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)研究．光學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26 (1)：121-125．

[3] ZHI Z F，YU H H，NAN K C．Successive asymmetric abrupt tapers for tunable narrowband fiber comb filters．IEEE Photonics Technology Letters，2011，23(7)： 438-440．

[4] BRAMBILLA G．Optical fiber nanowires and microwires： fabrication and applications．Advances in Optics and Photonics，2009，10(1)： 109-111．

Research on Refractive Index Sensing Propertiesof Bioconical Optical Fiber Based on SPR

CAO Yu-chen，SUN Peng

(Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China )

The change of transmission optical power of optical fiber sensor in the liquid was studied and the liquid refractive index optical fiber sensor was proposed．The sensor used a 3 dB coupler to divide light．The wavelength of the light source ASE ranged from 1 530 nm to 1 580 nm．The fused taper fiber was used as sensing unit．The relationship between the light power of the transmission spectrum and the NaCl solution concentration was analyzed by using the optical fiber sensor．The results show that the higher the refractive index of the sensor external medium is，the bigger the transmission loss is．And coating on the outside of the cone can effectively improve the sensitivity of the sensor．

refractive index sensor；tapered optic fiber；fiber sensor；surface plasmon resonance

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51407120)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-03-18

TN253

A

1002-1841(2015)06-0011-03

曹雨晨(1992—)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?E-mail：cyccyc00@126．com 孫鵬(1958—)，教授，研究方向?yàn)橹悄芑娖鳌?/p>