單端面長周期光柵透射模式測量技術(shù)

李秋順， 向 棟， 陳 超， 史建國， 紀(jì)曉彤， 李新天， 董文飛

(1. 山東省科學(xué)院生物研究所 山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250014；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 精密機(jī)械與儀器系， 安徽 合肥 230027；3. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130033；4. 中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 中科院生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215163)

單端面長周期光柵透射模式測量技術(shù)

李秋順1， 向 棟2， 陳 超3， 史建國1， 紀(jì)曉彤1， 李新天1， 董文飛4*

(1. 山東省科學(xué)院生物研究所 山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250014；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 精密機(jī)械與儀器系， 安徽 合肥 230027；3. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130033；4. 中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 中科院生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215163)

為了實(shí)現(xiàn)長周期光柵透射譜測量模式的遠(yuǎn)距離監(jiān)測，設(shè)計(jì)了單端面鍍反射膜的測量裝置系統(tǒng)，對單端面鍍銀膜長周期光柵的傳感原理做了分析,并從實(shí)驗(yàn)的角度分別對單端面鍍銀膜模式系統(tǒng)和直接透射模式系統(tǒng)的長周期光柵在不同折射率的環(huán)境介質(zhì)中的響應(yīng)進(jìn)行了研究，比較了它們的異同。首先，采用2×2單模光纖耦合器分別連接光譜分析儀、光源、長周期光柵。然后，在包含長周期光柵的光纖的另一個端面制備反射銀膜。最后，通過測量一系列不同折射率的環(huán)境介質(zhì)，比較了直接透射模式與單端面鍍銀膜模式下的長周期光柵的響應(yīng)光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用波長解調(diào)表達(dá)時(shí)，對于同一種環(huán)境介質(zhì)，兩種模式下長周期光柵的響應(yīng)光譜的諧振波長基本相同；采用功率/峰值解調(diào)表達(dá)時(shí)，隨著甘油濃度從水變?yōu)?0%的甘油溶液，直接透射模式下的光損耗從-6.05 dB變?yōu)?9.22 dB, 單端面鍍銀膜模式下的光損耗從-8.03 dB變?yōu)?11.33 dB。與直接透射模式相比，單端面鍍銀膜的長周期光柵光譜中的相對光損耗明顯增加，諧振峰更尖銳，更有利于諧振波長和諧振峰光損耗值的識別。本研究設(shè)計(jì)的單端面鍍銀膜的長周期光柵測量系統(tǒng)不僅保留了長周期光柵透射譜的感應(yīng)模式，而且使長周期光柵在對環(huán)境介質(zhì)的測量中操作更加靈活方便，尤其是在遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境或深層液體的折射率測量中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

光纖； 長周期光柵； 折射率； 銀膜； 單端面

1 引 言

折射率是反映物質(zhì)本質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一。通過對折射率的測量，可以了解物質(zhì)的純度、溶液中物質(zhì)的濃度、生化反應(yīng)參數(shù)等多種性質(zhì)[1-2]，因此折射率的測量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測、臨床檢驗(yàn)、藥物篩選、冶金及科研等諸多領(lǐng)域有著重要的研究意義與廣泛的應(yīng)用價(jià)值[3-6]。

長周期光纖光柵(Long period fiber grating)折射率傳感器是利用CO2、UV或飛秒激光等光源對光纖纖芯折射率進(jìn)行周期性調(diào)制制作而成的一種無源光學(xué)傳感器件，具有質(zhì)量輕、抗電磁干擾、耐腐蝕、易聯(lián)網(wǎng)、背向反射損耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，而且經(jīng)過納米薄膜修飾可以調(diào)節(jié)其對不同折射率的介質(zhì)的響應(yīng)靈敏度或?qū)崿F(xiàn)對特定生化物質(zhì)的檢測[9-11]，因而已被廣泛應(yīng)用于折射率傳感領(lǐng)域，例如，用于直接測量溶液中酒精、已醇、甲基環(huán)己烷、正十六烷[12]、蔗糖[13]、硫酸銅[14]、二甲基亞砜、氯化鈉、氯化鈣、乙二醇[15]、甘油[16]等化學(xué)成分的濃度和監(jiān)測石油冶煉過程中苯和二甲苯等芳香族化合物的含量[17]，以及經(jīng)過納米材料修飾后，用于檢測抗原抗體[18]、DNA[19]、大腸桿菌[20]等生物分子和二氧化碳?xì)怏w[21]、氫氣[22-23]、三氯甲烷[24]等有毒有害物質(zhì)或易燃易爆氣體。

長周期光柵通常是以直接透射模式光譜的方式實(shí)現(xiàn)對折射率的測定，包含長周期光柵的光纖的一端直接連接光源，光纖的另一端直接連接光譜分析儀。由于長周期光柵直接處于光源和光譜分析儀的中間，對于遠(yuǎn)距離或深水環(huán)境(深井開采作業(yè)、石油天然氣探測、深海探測等)中的折射率探測是非常不利的，存在操作繁瑣、長周期光柵不便放置等弊端。

為改進(jìn)長周期光柵直接測量系統(tǒng)的這個缺點(diǎn)，我們利用光纖耦合器及在長周期光柵的一個光纖端面制備反射膜的方式，設(shè)計(jì)了一種基于單端面長周期光柵測量環(huán)境折射率的裝置和方法。并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種裝置和方法不僅實(shí)現(xiàn)了長周期光柵對折射率的單端面檢測，同時(shí)仍然保持了長周期光柵的透射譜顯示模式。這種單端面透射譜長周期光柵傳感器裝置通過增加光纖長度可以使單端面長周期光柵探頭無限延伸，因而在遠(yuǎn)距離和深水環(huán)境中的折射率測量中操作方便，有望在海洋深水、易燃易爆環(huán)境、極端惡劣環(huán)境、危險(xiǎn)溶液(如氫氧化鈉、硫酸等)、冷凍液、工業(yè)過程中的質(zhì)量在線監(jiān)控等人們不易接觸或無法接觸的環(huán)境檢測中發(fā)揮作用。

2 單端面長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

2.1 單端面長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖1為單端面長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)示意圖。它主要由光譜分析儀(OSA)、寬帶光源、2×2單模光纖耦合器、單端面鍍有反射膜的長周期光柵傳感器和計(jì)算機(jī)等組成。上述器件的連接順序?yàn)椋?×2 光纖耦合器輸入端的光纖接頭P0和寬帶光源相連接，光纖耦合器輸出端的一個光纖接頭P2與光譜分析儀連接，光纖耦合器輸出端的另一個光纖接頭P1與刻有長周期光柵的光纖的一個端面相連接。長周期光柵的柵區(qū)部分被拉直固定于可盛放待測液體物質(zhì)的凹型槽的支架上，刻有長周期光柵的光纖另一端的平整端面鍍有反射膜銀膜。我們利用Plassys MP600s多靶磁控濺射鍍膜儀，采用真空鍍膜的方法在光纖單端面制備反射銀膜[25-26]。這樣通過2×2 光纖耦合器連接后，長周期光柵不再直接處于光源與光譜分析儀之間，而是處于2×2 光纖耦合器的一個輸出端，可以以探頭的形式對環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行檢測。本實(shí)驗(yàn)中所使用的光源為丹麥NKT Photonics公司的Superk COMPACT超連續(xù)譜白光光源，所使用的光譜分析儀為日本YOKOGAWA公司的AQ6370B光譜儀。實(shí)驗(yàn)中所使用的長周期光柵采用紫外寫入法制作而成，即首先將摻Ge的單模光纖(Corning SMF-28)放入一個鋼制的高壓密封罐中，然后通入1×107Pa的高壓氫氣，將光纖浸泡兩個月以上對光纖進(jìn)行低溫高壓載氫處理，最后使用248 nm的KrF準(zhǔn)分子激光器(Lumonics PM886)發(fā)出的紫外激光照射振幅掩模版，將載氫光纖制作成實(shí)驗(yàn)中所用的長周期光柵。進(jìn)行測量時(shí)，將待測液體放入液體槽中，并用光譜分析儀實(shí)時(shí)記錄相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)。為了避免溫度帶來的交叉影響，測試環(huán)境室溫為(25±0.1) ℃。

圖1 單端面長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the measurement system of long period fiber grating based on a single end face to refractive index

2.2 單端面長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)的工作原理

2×2單模光纖耦合器是一種用于傳送和分配光信號的光纖無源器件，其基本功能是實(shí)現(xiàn)光功率分配和光波長分配，分路傳送母線系統(tǒng)發(fā)出的信息或者把信息傳入母線系統(tǒng)[27]。光源產(chǎn)生的光通過2×2光纖耦合器傳輸?shù)介L周期光柵，經(jīng)過長周期光柵作用之后的光到達(dá)單端面末端時(shí)，被單端面的銀膜反射，反射回的光再次經(jīng)過長周期光柵，然后回傳到2×2光纖耦合器，再通過2×2光纖耦合器把信號傳輸?shù)焦庾V分析儀，在光譜分析儀上顯示出相應(yīng)的光譜信號，最后通過有線或無線的方式將光譜分析儀的光譜信號數(shù)據(jù)傳送到手提電腦或臺式電腦上。

3 結(jié)果與討論

3.1 直接透射模式的測量

為了研究單端面鍍銀膜長周期光柵傳感器與傳統(tǒng)直接透射式長周期光柵傳感器對折射率響應(yīng)的差異，我們首先測量了直接透射模式的長周期光柵對折射率的響應(yīng)光譜。

3.1.1 直接透射模式的測量實(shí)驗(yàn)裝置

直接透射模式的長周期光柵測量裝置系統(tǒng)如圖2所示。它主要由OSA、寬帶光源、長周期光柵傳感器及計(jì)算機(jī)等組成。包含長周期光柵的光纖的一端通過適配器與光源相連接，長周期光柵的柵區(qū)部分被拉直固定于可盛放待測液體物質(zhì)的凹型液體槽的支架上，包含長周期光柵的光纖的另一端直接和OSA相連接。由光源發(fā)出的白光從光纖的一端打入光纖的纖芯，然后白光通過長周期光柵，最后從光纖的另一端直接進(jìn)入光譜分析儀，并通過計(jì)算機(jī)采集光譜分析儀產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)。

圖2 直接透射模式的長周期光柵折射率檢測系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic of measurement system of long period fiber grating with direct transmission mode to refractive index

3.1.2 直接透射模式下長周期光柵對折射率的響應(yīng)

我們選用不同濃度的甘油溶液作為具有不同折射率的環(huán)境介質(zhì)。圖3給出了直接透射模式下長周期光柵對甘油溶液的響應(yīng)光譜。

從圖3可以看出，直接透射模式下，長周期光柵的光譜以透射譜的形式出現(xiàn)。隨著甘油濃度的增大，諧振峰逐漸向短波方向移動，光譜的透射強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)甘油的體積分?jǐn)?shù)從純水變到80%時(shí)，長周期光柵光譜的諧振波長從1 340.6 nm移動到1 293.2 nm。

圖3 直接透射模式下長周期光柵對不同折射率的響應(yīng)光譜

Fig.3 Response spectra of long period fiber grating to different refractive indices under the conditions of the direct transmission mode

3.2 單端面鍍銀膜模式下長周期光柵對折射率的響應(yīng)

為了考察單端面鍍銀膜模式下長周期光柵對折射率的傳感性能，我們進(jìn)一步測試了單端面鍍銀膜的長周期光柵對不同濃度的甘油溶液的響應(yīng)，相應(yīng)的響應(yīng)光譜如圖4所示。

圖4 單端面鍍銀膜模式下LPFG對折射率的響應(yīng)光譜

Fig.4 Response spectra of long period fiber grating to the refractive index under the conditions of single end face coated the silver film

從圖4可以看出，單端面鍍銀膜的長周期光柵的光譜，并沒有出現(xiàn)反射譜，而是仍然以透射譜的形式出現(xiàn)。而且隨著甘油濃度的增大，諧振峰也呈現(xiàn)逐漸向短波方向移動的現(xiàn)象，光譜的透射強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)甘油的濃度從純水變到80%的甘油溶液時(shí)，長周期光柵光譜的諧振波長從1 340.8 nm移動到1 293.8 nm。雖然諧振波長略有差別，但總體的變化趨勢基本一致。

3.3 直接透射模式與單端面鍍銀膜模式對折射率響應(yīng)光譜的比較

從圖3和圖4可以看出，在相同波長范圍(1 250～1 400 nm)內(nèi)，直接透射模式的長周期光柵和單端面鍍銀膜的長周期光柵的透射譜的諧振峰的個數(shù)完全相同，它們的區(qū)別主要在于透射強(qiáng)度的大小。在單端面鍍銀膜的長周期光柵的透射譜中并沒有形成新的共振峰，因而，這證明在單端面鍍銀膜模式下，不僅沒有產(chǎn)生反射譜，而且也沒有產(chǎn)生光束的干涉，沒有形成Fabry-Perot效應(yīng)。單端面鍍銀膜的長周期光柵仍然保持了寬波長范圍的透射譜只有一個主諧振峰的測量優(yōu)勢。

為了更清晰地觀察直接透射與單端面鍍銀膜兩種模式下長周期光柵透射譜的異同，我們進(jìn)一步在圖5和圖6中給出了諧振波長、光損耗與甘油濃度的關(guān)系。

從圖5可以看出，兩種模式下，在同一甘油濃度下諧振波長值完全一樣或僅僅有非常微小的差別。隨著甘油濃度的增加，諧振波長的變化趨勢幾乎完全吻合。這說明傳統(tǒng)的長周期光柵傳感系統(tǒng)通過單端面鍍銀膜改造后，長周期光柵的響應(yīng)光譜不僅仍然以透射譜的形式出現(xiàn)，而且在同一甘油濃度下諧振波長的位置也幾乎完全重合。可見，兩種模式下基于測量波長調(diào)制方式的折射率傳感性能是相同的。

圖5 兩種模式下濃度與諧振波長的關(guān)系

Fig. 5 Relationship between concentration and resonance wavelength in the case of two modes

從圖6可以看出，對于這根長周期光柵，在設(shè)定系統(tǒng)的光損耗初始值相同的情況下(一般設(shè)為0)，當(dāng)待測液體從純水變?yōu)?0%的甘油溶液時(shí)，直接透射模式下的光損耗從-6.05 dB變?yōu)?9.22 dB, 單端面鍍銀膜模式下的光損耗從-8.03 dB變?yōu)?11.33 dB。與直接透射模式相比，單端面鍍銀膜的長周期光柵的相對光損耗明顯增加。還可以看出，隨著甘油濃度的增加，兩種模式下的相對光損耗均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在80%的甘油溶液中均呈現(xiàn)了最大的相對光損耗，因而兩種模式下的相對光損耗變化趨勢是類似的，但基于功率的單端鍍膜長周期光柵的傳感性能較好。

圖6 兩種模式下光損耗與甘油體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

Fig.6 Relationship between optical loss and volume fraction of glycerin in the case of two modes

從上面的分析與圖3、圖4中可以看出，與直接透射模式相比，單端面鍍銀膜的長周期光柵的諧振峰更尖銳，諧振波長和諧振峰值更容易識別，因而在對環(huán)境介質(zhì)的測量中更為有利。而且，單端面鍍銀膜的長周期光柵以探頭的方式對環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行檢測，操作更加便利。

單端面鍍銀膜長周期光柵與直接透射式長周期光柵相比，前者先后發(fā)生兩次前向傳輸導(dǎo)模與前向傳輸包層模的耦合，即發(fā)生兩次損耗，而后者僅發(fā)生一次耦合/損耗，故前者諧振峰/損耗峰深度低于后者。由此可知，基于波長解調(diào)的折射率傳感，單端鍍銀膜長周期光柵與直接透射式長周期光柵的傳感性能相同；基于功率或者諧振峰峰值解調(diào)的折射率傳感器，單端面鍍銀膜長周期光柵的傳感性能優(yōu)于直接透射式長周期光柵。

需要指出的是，由于光纖單端面銀膜的表面形貌、均勻性、致密性等影響光反射的效率，進(jìn)而影響長周期光柵透射譜的形狀、諧振峰的光滑度、諧振峰的中心波長的清晰度等輸出信號的質(zhì)量，因此在鍍銀膜時(shí)，要盡量保持所鍍的銀膜均勻致密。

4 結(jié) 論

本文對傳統(tǒng)直接透射模式的長周期光柵檢測系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了單端面鍍銀膜的長周期光柵檢測系統(tǒng)和方法，然后從諧振波長和光損耗兩個角度研究了兩種模式下的長周期光柵對環(huán)境介質(zhì)的響應(yīng)光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在單端面模式下，在0～80%的甘油溶液中，長周期光柵的響應(yīng)光譜不僅仍以透射譜的形式出現(xiàn)，而且透射譜的諧振波長基本與直接透射模式的保持一致，但光損耗從-8.03 dB變?yōu)?11.33 dB，大于直接透射模式。在兩種模式下，基于測量波長的折射率傳感性能相同，基于測量功率的單端鍍膜長周期光柵的折射率傳感性能優(yōu)于直接透射式長周期光柵。本文設(shè)計(jì)的單端面透射譜長周期光柵探頭傳感器，操作更加靈活方便，其傳感性能也明顯優(yōu)于直接透射式長周期光柵，在對環(huán)境介質(zhì)的檢測中，尤其是在海洋深水、易燃易爆的化學(xué)物質(zhì)、操作員難以接觸的物質(zhì)(如冷凍系統(tǒng)中的防凍劑)、危險(xiǎn)溶液(如氫氧化鈉、硫酸等)或其他極端惡劣環(huán)境中的測量中將發(fā)揮更好的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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李秋順(1969-)，男，山東濟(jì)南人，博士，副研究員，2009年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事納米材料合成、光電生化分析等方面的研究。

E-mail: lishun1688@126.com董文飛(1975-)，男，吉林長春人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，2004年于德國馬普研究所獲得博士學(xué)位，主要從事生物納米材料光子學(xué)等方面的研究。

E-mail: wenfeidong@sibet.ac.cn

Transmission Mode Measurement Technique of Long Period Grating Based on A Single End Face

LI Qiu-shun1, XIANG Dong2, CHEN Chao3, SHI Jian-guo1, JI Xiao-tong1, LI Xin-tian1, DONG Wen-fei4*

(1.KeyBiosensorLaboratoryofShandongProvince,BiologyInstituteofShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China; 2.DepartmentofPrecisionMachineryandInstrumentation,SchoolofEngineeringScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China; 3.StateKeyLaboratoryofLuminescenceandApplications,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 4.CASKeyLaboratoryofBio-MedicalDiagnostics,SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215163,China) *CorrespondingAuthor,E-mail:wenfeidong@sibet.ac.cn

In order to realize remote monitoring or measuring in the way of transmission mode for long period fiber grating (LPFG), the measurement device system based on a single end face coated with reflective film was designed. The sensing principle of LPFG with a single end face coated with reflective film was explained and analysed. The responses of the single end face system and the direct transmission mode system to environmental media with different refractive index were investigated by experiments. Firstly, 2×2 single-mode fiber coupler was used to connect spectrometer, light source and LPFG, respectively. Then, the reflective silver film was fabricated in the other end face of the optical fiber including LPFG. Finally, by measuring a series of environmental media with different refractive indices, the response spectra of LPFG were compared in the two cases of the direct transmission mode and the silver film coated single end face mode. When the wavelength demodulation is adopted, the resonance wavelength corresponding to the same medium is nearly same in the above two cases. When the power/peak demodulation is adopted, the optical loss gradually changed from -6.05 dB to -9.22 dB for the direct transmission mode, but from -8.03 dB to -11.33 dB for the silver film coated single end face mode with the increase of glycerin concentration in solutions. Compared with the direct transmission mode, the relative optical loss of LPFG based on the single end face mode increases significantly. The LPFG in the single end face mode has more sharp resonance peaks than that in the direct transmission mode, which makes the resonance wavelengths and the optical loss value being recognized more easily. The measurement device system based on the single end face coated with silver film not only retains the transmission sensing mode of LPFG, but also makes the operation of measuring environment medium more flexible and convenient. In particular, it has a unique advantage for the measurement of refractive index in long distance, deep liquid, and severe environment.

optical fiber; long period fiber grating; refractive index; silver film; single end face

2016-12-19；

2017-02-13

國家自然科學(xué)基金 (61340032，61535010)； 江蘇省自然科學(xué)基金(BE2015601)； 山東省自然科學(xué)基金 (ZR2012CM029)； 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015GSF117024，2015GSF121047)； 山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)(2014ZZCX02602)； 中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-204)； 蘇州市科技計(jì)劃(SS201539，ZXY201434)； 863國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA021005)資助項(xiàng)目 Supported by National Natural Science Foundation of China (61340032，61535010); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BE2015601); Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2012CM029); Key Research and Development Plan of Shandong Province (2015GSF117024,2015GSF121047); Independent Innovation and Achievements Transformation Project of Shandong Province(2014ZZCX02602); Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences (KFZD-SW-204); Science and Technology Program of Suzhou City(SS201539,ZXY201434); 863 National High Technology Research and Development Program (2015AA021005)

1000-7032(2017)08-1090-07

O439； O433.1； O657.38

A

10.3788/fgxb20173808.1090