光纖折射率傳感器的設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用研究

曾曉琳，李建鵬，官靜雯，康佳靜，孫秀晶，劉曉昱（華僑大學(xué)工學(xué)院，福建泉州362021）

光纖折射率傳感器的設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用研究

曾曉琳，李建鵬，官靜雯，康佳靜，孫秀晶，劉曉昱
（華僑大學(xué)工學(xué)院，福建泉州362021）

摘要：利用倏逝波原理制備了光纖折射率傳感器。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同腐蝕深度下環(huán)境折射率與輸出光功率的關(guān)系，以及光源波長(zhǎng)為1550. 0nm和1310. 0nm時(shí)環(huán)境折射率與輸出光功率的關(guān)系。通過(guò)側(cè)邊腐蝕制備了D型光纖和D型光纖折射率傳感器，對(duì)比了全面腐蝕和側(cè)邊腐蝕制備的光纖折射率傳感器。

關(guān)鍵詞：光纖折射率傳感器；全面腐蝕；腐蝕深度；波長(zhǎng)；側(cè)邊腐蝕；D型光纖

0　引言

光纖折射率傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、可撓曲、耐腐蝕和抗電磁干擾等特點(diǎn)，其中基于倏逝波吸收原理的光纖傳感器具有靈敏度高和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[1]。1986年，F(xiàn)alcon等人通過(guò)部分去除單模光纖包層的方法，使倏逝波進(jìn)入外部介質(zhì)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界環(huán)境折射率和溫度的測(cè)量[2]?；谫渴挪ㄔ淼墓饫w傳感器可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如pH檢測(cè)[3]、食品安全檢測(cè)[4]和折射率測(cè)量[5]。許多研究利用布喇格光纖光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵制備光纖折射率傳感器，這種方法會(huì)增加傳感器的制作成本。通過(guò)腐蝕單模光纖制備的光纖折射率傳感器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作簡(jiǎn)易、成本低，而且基于倏逝波原理制備的光纖折射率傳感器的調(diào)制結(jié)果即為輸出光強(qiáng)變化，不需復(fù)雜的解調(diào)裝置。

本文采用全面腐蝕單模光纖和側(cè)邊腐蝕單模光纖分別制備基于倏逝波原理的光纖折射率傳感器，并比較光源波長(zhǎng)、腐蝕深度、全面腐蝕和側(cè)邊腐蝕等參量變化對(duì)光纖折射率傳感器的影響。

1　傳感器制備原理

光發(fā)生全反射時(shí)，并非全部的光能都會(huì)被反射，有部分光波會(huì)透過(guò)光密光疏界面進(jìn)入光疏介質(zhì)中，并沿著界面流過(guò)波長(zhǎng)量級(jí)的距離后重新返回光密介質(zhì)，沿界面流動(dòng)的光波稱(chēng)為倏逝波[6]。光纖纖芯為光密介質(zhì)，包層為光疏介質(zhì)，光纖中的光通過(guò)全反射進(jìn)行傳輸，光纖中的倏逝波沿光纖軸向傳播，倏逝波能量沿光纖徑向指數(shù)衰減[7]。倏逝波光場(chǎng)表示為[7]：

其中，n1、n2分別為光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的折射率，θi為入射角，E0為界面上的場(chǎng)強(qiáng)，k1、k2分別為光疏和光密介質(zhì)中光的波矢，ω為角頻率，z為光纖軸向長(zhǎng)度，x為倏逝波距光疏光密介質(zhì)界面的距離。

纖芯和包層在理想情況下均為非吸收特性的介質(zhì)，因此，包層中倏逝波的傳輸不會(huì)引起光功率損耗。我們可以通過(guò)減少包層厚度或去除全部包層制備出光纖折射率傳感器的傳感區(qū)，采用待測(cè)溶液替代光纖的部分或全部包層。當(dāng)倏逝波進(jìn)入待測(cè)溶液后，待測(cè)溶液會(huì)吸收倏逝波的能量，引起輸出光功率減小[1]，根據(jù)輸出光功率的變化即可得知傳感區(qū)溶液的折射率。

2　全面腐蝕單模光纖制作光纖折射率傳感器

2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文采用全面腐蝕光纖制作折射率傳感器，光纖直徑為125.0μm，纖芯直徑為9.0μm，纖芯折射率為1.4675，包層折射率為1.4665。由30.0ml濃度為40.0%的氫氟酸溶液和13.0ml水配制成濃度為30.0%的氫氟酸溶液，在室溫下測(cè)得其對(duì)光纖的腐蝕速率為1.4μm/min，通過(guò)腐蝕時(shí)間可以知道光纖的腐蝕深度。

由于甘油水溶液濃度每增加10.0%，折射率會(huì)增加0.0140[8]，本文利用水、甘油和濃度為10.0%、20%～90.0%（濃度梯度為10%）的甘油水溶液，制備折射率為1.3333、1.3473、1.3613～1.4733（折射率梯度為0.140）的溶液，為光纖折射率傳感器提供具有不同折射率的外界環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸，在光纖腐蝕區(qū)域覆蓋不同折射率的溶液，基于倏逝波原理光強(qiáng)被調(diào)制，光纖輸出光強(qiáng)變化。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

2.2剩余包層厚度不同時(shí)的分析

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)全面腐蝕光纖包層制得光纖折射率傳感器，在制作過(guò)程中可以得到腐蝕區(qū)剩余包層厚度不同時(shí)，溶液折射率與輸出光強(qiáng)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)溶液折射率為1.4700時(shí)，輸出光功率有顯著變化，剩余包層厚度越小，輸出光功率變化越大。

圖2　不同剩余包層厚度下溶液折射率與光強(qiáng)關(guān)系

在全反射過(guò)程中，產(chǎn)生的倏逝波穿過(guò)小間隙光疏介質(zhì)，進(jìn)入另一種光密介質(zhì)的現(xiàn)象被稱(chēng)為光學(xué)隧道效應(yīng)[7]。纖芯折射率為1.4675，包層折射率為1.4665，當(dāng)溶液折射率為1.4733時(shí)，由于光學(xué)隧道效應(yīng)，倏逝波穿過(guò)厚度僅為幾微米的包層，進(jìn)入溶液，倏逝波能量被溶液吸收，導(dǎo)致輸出光功率急劇下降。當(dāng)光強(qiáng)為纖芯包層界面處倏逝波光強(qiáng)的1/e時(shí)，透射深度為：

我們?nèi)±w芯折射率n1為1.4675，包層折射率n2為1.4665，工作波長(zhǎng)為1550.0nm，纖芯包層邊界設(shè)為x=0，將以上參數(shù)代入式（2）進(jìn)行模擬，得到剩余包層厚度與輸出光功率的關(guān)系如圖3所示。倏逝波的透射光強(qiáng)隨透射深度增加銳減，即剩余包層厚度越小倏逝波能量越大，光纖折射率傳感器的靈敏度越高。透射深度為9.3μm時(shí)，倏逝波光強(qiáng)為纖芯包層邊界倏逝波光強(qiáng)的1/e倍，這與圖2中剩余包層厚度為9.6μm時(shí)光強(qiáng)開(kāi)始對(duì)外界溶液折射率變化較敏感相吻合。

圖3　剩余包層厚度與輸出光功率關(guān)系

從以上結(jié)果可以得出，剩余包層厚度越小，溶液可吸收的倏逝波能量越大，光纖折射率傳感器的靈敏度越高,腐蝕至包層制備的光纖折射率傳感器可測(cè)折射率范圍就越小。

2.3纖芯剩余直徑不同時(shí)的分析

纖芯剩余直徑（d）不同時(shí)，光纖折射率傳感器在不同折射率溶液中折射率和輸出光強(qiáng)的關(guān)系如圖4所示。溶液折射率越接近纖芯折射率，輸出光功率越小，這是由于纖芯折射率稍大于溶液折射率時(shí),即可滿(mǎn)足弱導(dǎo)條件,光纖對(duì)電磁波的約束較弱,從而有更多的電磁功率進(jìn)入溶液,傳感器的靈敏度較大[9]。隨著腐蝕剩余光纖直徑的減少，光功率曲線(xiàn)整體下移，可測(cè)折射率范圍變大，這是因?yàn)楦g纖芯減小了纖芯直徑，所以傳輸?shù)墓夤β首冃?，有更多的光進(jìn)入溶液中。

圖4　不同剩余纖芯直徑下溶液折射率與光強(qiáng)關(guān)系

圖4中，當(dāng)d=1.8μm，光源波長(zhǎng)λ=1550.0nm時(shí)，溶液折射率為1.4033和1.4893，對(duì)應(yīng)傳感器靈敏度分別為80.4dBm/RIU和2133.9dBm/RIU；λ=1310.0nm時(shí)，溶液折射率為1.4033和1.4593，對(duì)應(yīng)傳感器靈敏度分別為48.2dBm/RIU和2092.9dBm/RIU?？梢钥闯觯g剩余纖芯直徑相同時(shí)，1550.0nm波長(zhǎng)光源下光纖溶液折射率傳感器靈敏度更高，這是由于腐蝕深度相同時(shí)，1550.0nm波長(zhǎng)的倏逝波光強(qiáng)更大，受溶液折射率的影響就越大。

設(shè)纖芯直徑為a，歸一化直徑為Ra，則單模光纖在纖芯和包層的歸一化光場(chǎng)分布為[7]：

其中，U為歸一橫向化相位參數(shù)，W為歸一化橫向衰減參數(shù)。將光場(chǎng)分布代入式（1），可得相同纖芯腐蝕剩余直徑下歸一直徑與倏逝波光強(qiáng)的關(guān)系如圖5所示。在相同歸一化直徑下，相比λ=1310.0nm的倏逝波，λ= 1550.0nm的倏逝波光強(qiáng)更大，透射深度更強(qiáng)，即在相同纖芯剩余直徑下，1550.0nm倏逝波有更多光功率可以被溶液吸收。

3　側(cè)邊腐蝕單模光纖制作溶液折射率傳感器

由于全面腐蝕光纖制備的折射率傳感器傳感區(qū)光纖直徑小，機(jī)械強(qiáng)度低，所以許多文獻(xiàn)采用機(jī)械強(qiáng)度更好的D型光纖制備折射率傳感器。

目前，制備D型光纖的主要方法有側(cè)面研磨、側(cè)邊拋磨、在線(xiàn)測(cè)量拋磨和利用飛秒激光器加工[11～13]。以上方法制備的D型光纖制備成本高，傳感區(qū)較粗糙，需要對(duì)傳感區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步拋光處理。

本文通過(guò)對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)邊腐蝕制備D型光纖。實(shí)驗(yàn)中用臘包裹光纖的一側(cè)，將蠟塊和光纖沒(méi)入氫氟酸溶液中進(jìn)行腐蝕,光纖未被臘包裹的一側(cè)被腐蝕，側(cè)邊腐蝕后的光纖橫截面為D型。因?yàn)楸┞对跉浞崛芤褐械墓饫w腐蝕速度恒定，所以由腐蝕時(shí)間可以推知側(cè)邊腐蝕深度。本文制備的D型光纖制備成本低，無(wú)需進(jìn)一步拋光處理，且通過(guò)控制腐蝕時(shí)間可以控制腐蝕深度，無(wú)需在線(xiàn)監(jiān)控設(shè)備。

圖5　歸一化直徑與倏逝波功率關(guān)系

4　全面腐蝕和側(cè)邊腐蝕比較

本文采用側(cè)面腐蝕光纖至包層和纖芯分別制備光纖折射率傳感器[14]，并將其與全面腐蝕制備的光纖折射率傳感器進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)所用光源的波長(zhǎng)為1550.0nm，得到側(cè)邊腐蝕和全面腐蝕制備的傳感器在不同剩余包層厚度下溶液折射率與光強(qiáng)的關(guān)系，具體如圖6所示。在相同剩余包層厚度下，溶液折射率為1.4733時(shí)，全面腐蝕制備的光纖折射率傳感器輸出光功率變化顯然大于側(cè)邊腐蝕制作的光纖折射率傳感器，即腐蝕到包層時(shí)，全面腐蝕光纖制作的光纖折射率傳感器比側(cè)邊腐蝕制作的光纖折射率傳感器更靈敏。這是由于側(cè)邊腐蝕的光纖需要腐蝕的光纖包層與溶液接觸面積較小,則被溶液吸收的倏逝波能量較小。

圖6　在不同剩余包層厚度下溶液折射率與光強(qiáng)的關(guān)系

在不同纖芯腐蝕深度下，側(cè)面腐蝕和全面腐蝕制備的傳感器溶液折射率與光強(qiáng)的關(guān)系如圖7所示。在不同纖芯腐蝕深度下，側(cè)邊腐蝕制備的光纖折射率傳感器可測(cè)折射率范圍較小。相對(duì)于全面腐蝕光纖制作的光纖折射率傳感器，側(cè)邊腐蝕制備的光纖折射率傳感器光功率整體下降，這是由于側(cè)邊腐蝕破壞了光纖的對(duì)稱(chēng)性和全反射條件。

綜合以上分析，本文認(rèn)為全面腐蝕光纖比側(cè)邊腐蝕更適宜制作光纖折射率傳感器。

圖7　在不同纖芯腐蝕深度下溶液折射率與光強(qiáng)關(guān)系

5　結(jié)束語(yǔ)

本文分別使用1310.0nm和1550.0nm波長(zhǎng)的光作為光纖折射率傳感器光源，比較了不同光源波長(zhǎng)對(duì)光纖折射率傳感器靈敏度的影響。結(jié)果表明，以1550.0nm波長(zhǎng)為光源的光纖折射率傳感器具有更好的靈敏度。本文通過(guò)全面腐蝕光纖制備了光纖折射率傳感器，實(shí)驗(yàn)表明腐蝕剩余光纖直徑越小，傳感器靈敏度越大，可測(cè)折射率范圍越廣。本文通過(guò)側(cè)邊腐蝕制備了D型光纖，該制作過(guò)程無(wú)需拋光處理，制備簡(jiǎn)便，成本低。本文利用側(cè)邊腐蝕至包層和側(cè)邊腐蝕至纖芯的D型光纖分別制備了光纖折射率傳感器，對(duì)比了全面腐蝕制備的光纖折射率傳感器。結(jié)果表明，全面腐蝕制備的光纖折射率傳感器靈敏度優(yōu)于側(cè)邊腐蝕制備的光纖折射率傳感器，且側(cè)邊腐蝕制備的光纖折射率傳感器的光功率隨纖芯腐蝕深度增大而急劇減小。綜合以上結(jié)果我們可以得到：采用1550.0nm波長(zhǎng)的光源，全面腐蝕單模光纖至機(jī)械強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，即約1.8μm時(shí)，最適宜制備光纖折射率傳感器。此光纖折射率傳感器在溶液折射率為1.4033和1.4593，對(duì)應(yīng)靈敏度分別為80.4dBm/RIU和2133.9dBm/RIU。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚耀成,樓俊,許宏志,等.光纖倏逝波吸收傳感器靈敏度模擬分析[J].壓電與聲光, 2013, 35(6): 810-813.

[2] FALCOL L, SPESCHA G, ROTH P, et al. Non-ambiguous evanescent-wave fiber refractive index and temperature sensor [J]. Journal of Modern Optics, 1986, 33(12): 1563-1570.

[3]孟瑜.基于倏逝波吸收的光纖pH傳感器[D].吉林:吉林大學(xué), 2009.

[4]周巍,張巍,王贊,等.光纖倏逝波生物傳感器在食品安全檢測(cè)中應(yīng)用進(jìn)展[J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào), 2014, 5(12): 3971-3974.

[5]曹李華.光纖倏逝波譜傳感系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].重慶:重慶理工大學(xué), 2014.

[6]樓俊,許宏志,黃杰,等.新型的分段結(jié)構(gòu)光纖倏逝波傳感器[J].中國(guó)激光, 2014, 41(11): 148-153.

[7]歐攀.高等光學(xué)仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[8]李杰.新型D型少模光纖Bragg光柵的特性及其在折射率測(cè)量中的應(yīng)用[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2006.

[9]譚耀成,樓俊,許宏志,等.光纖倏逝波吸收傳感器靈敏度模擬分析[J].壓電與聲光, 2013, 35(6): 810-813.

[9]鄧小紅.光纖消逝波吸收傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)與分析[D].長(zhǎng)春:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2005.

[10]王化祥.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社, 2007.

[11]江沛凡,陳哲,曾應(yīng)新,等.側(cè)邊拋磨光纖的光傳輸特性研究[J].半導(dǎo)體光電, 2006, 27(5): 578-581.

[12] CORDARO M H, RODE D L, BARRY T S, et al. Precision fabrication of D-shaped single-mode optical fibers by In Situ Monitoring [J]. L light wave Technology, 1994,12(9):1524-1531.

[13]寧超.基于飛秒激光制備的光纖傳感器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[14]莊須葉,吳一輝,王淑榮,等.新結(jié)構(gòu)D形光纖消逝場(chǎng)傳感器[J].光學(xué)精密工程, 2008, 16(10): 1936-1941.

Design preparation and application research on optical fiber refractive index sensor

ZENGXiao-lin,LIJian-peng,GUANJing-wen,KANGJia-jing,SUNXiu-jing,LIUXiao-yu
(College of Engineering, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China)

Abstract:The paper products the optical fiber refractive index sensor based on the principle of evanescent wave. The experiment measures the relationship of the different environments refractive index and the output optical power with the different optical fiber corrosion depth, and the relationship of the different environments refractive index and the output optical power, when source wavelength of the optical fiber refractive index sensor is 1550.0nm and 1310.0nm respectively. The paper makes the D-type optical fiber by side corrosion, and makes the optical fiber refractive index sensors, compares the sesors which made by comprehensive corrosion optical fiber and the side corrosion optical fiber.

Key words:optical fiber refractive index sensor, comprehensive corrosion, corrosion depth, wavelength, side corrosion, D-shaped optical fiber

中圖分類(lèi)號(hào)：TN252

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0022-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.007

收稿日期：2015-08-02。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金理論物理專(zhuān)項(xiàng)（41303001）資助；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（66c72015）資助；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01012）資助；泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目（2014Z104）資助。

作者簡(jiǎn)介：曾曉琳（1993-)，女，本科，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感。