單端面透射模式長周期光柵的設(shè)計(jì)和測試

李秋順，向 棟，孟慶軍，楊俊慧，史建國，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，合肥 安徽 230027；3.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)

單端面透射模式長周期光柵的設(shè)計(jì)和測試

李秋順1，向 棟2，孟慶軍1，楊俊慧1，史建國1，董文飛3*

(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，合肥 安徽 230027；3.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)

本文設(shè)計(jì)了一種單端面長周期光柵透射模式折射率傳感器。首先，將2×2單模光纖耦合器輸入端的一個光纖接頭與光源相連接、輸出端的兩個光纖接頭分別與光譜分析儀和長周期光柵的一個光纖接頭相連接。然后，在包含長周期光柵的光纖另一個端面濺射反射銀膜。最后，以一系列不同折射率的甘油水溶液為待測液體介質(zhì)研究了直接透射模式與單端面鍍銀膜模式下長周期光柵的響應(yīng)光譜的異同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單端面鍍銀膜的長周期光柵的響應(yīng)光譜仍然以透射譜的形式出現(xiàn)。對于同一種液體，單端面鍍銀膜的長周期光柵與直接透射模式的長周期光柵的響應(yīng)光譜有著近乎相同的諧振波長值，但它們的光損耗存在一定的差異。在0～80%的甘油溶液中，直接透射模式下的光損耗從-12.92 dB變?yōu)?16.28 dB，再逐漸變到-13.22 dB；單端面鍍銀膜模式下的光損耗從-13.13 dB變?yōu)?13.74 dB，再逐漸變到-11.45 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與甘油濃度的線性關(guān)系更加良好。本研究設(shè)計(jì)的長周期光柵測量系統(tǒng)采用單端面探頭的方式檢測環(huán)境介質(zhì)，因而在測量中操作更加靈活方便，非常適合于遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境或深層液體環(huán)境中的折射率測量。

光纖；長周期光柵；折射率；銀膜；單端面

1 引 言

長周期光柵是通過紫外、二氧化碳或飛秒激光對光纖的纖芯進(jìn)行周期性調(diào)制而形成的一種無源光學(xué)器件，其具有對溫度、應(yīng)力、彎曲、折射率等環(huán)境變化敏感的性能[1]。特別是在對折射率敏感方面，其靈敏度尤其突出[2]，比表面等離子體共振分析儀[3-6]、布拉格光柵[7-8]、光纖琺珀[9-10]、環(huán)形諧振腔[11]、納米線陣列干涉?zhèn)鞲衅鱗12]等其它類型的折射率傳感器更加靈敏。因而引起了很多科研工作者的關(guān)注，已經(jīng)被用于氯化鈉[13]、氯離子[14]、蔗糖[15-16]、芳香化合物[17-18]、甘油[19]等多種生化物質(zhì)成分的測定。

通常，長周期光柵的一個光纖接頭連接光源，另一個光纖接頭連接光譜分析儀，起測量作用的長周期光柵直接處于光源和光譜分析儀的中間，這為遠(yuǎn)距離、深層液體或人們難以直接接觸到的物質(zhì)的測量帶來了極大的不便和困難，在一定程度上限制了它的開發(fā)應(yīng)用。

為了改進(jìn)這種測量裝置的不足，我們設(shè)計(jì)了單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)，通過2×2單模光纖耦合器將光源、光譜分析儀、長周期光柵連接，并在長周期光柵的一個光纖端面制備反射膜。這樣設(shè)計(jì)的長周期光柵傳感系統(tǒng)，長周期光柵以單端面探針探頭的方式實(shí)現(xiàn)對檢測環(huán)境介質(zhì)的檢測。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對長周期光柵測量系統(tǒng)改進(jìn)之后，雖然長周期光柵以單端面探頭的方式對環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行檢測，但長周期光柵對環(huán)境介質(zhì)的響應(yīng)光譜仍然以透射譜的形式出現(xiàn)。對于同一種被測液體，單端面鍍銀膜的長周期光柵有著與兩端分別連接光源和光譜分析儀的長周期光柵近乎相同的響應(yīng)諧振波長值，但兩種情況下的長周期光柵的光損耗存在一定的差異，單端面鍍銀膜的長周期光柵透射光譜的光損耗與甘油濃度有著更好的線性關(guān)系。由于這種單端面的長周期光柵可以以單端面探針探頭的方式直接插入到液體中，在對液體實(shí)施的測試中，操作更加靈活方便，在測量中更具有優(yōu)勢。因而，本文設(shè)計(jì)的單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷、疾病控制、藥物篩選、食品安全以及國防安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2 單端面長周期光柵裝置系統(tǒng)測量原理和測試

2.1 單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和感應(yīng)原理

單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)，如圖1所示。該測量裝置系統(tǒng)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(long period fiber grating，LPFG)傳感器和計(jì)算機(jī)等組成。在這種裝置中我們引入了2×2光纖耦合器，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，其用途是用分路傳送母線系統(tǒng)發(fā)出的信息或者把分路信息傳入母線系統(tǒng)[20]。首先，將2×2單模光纖耦合器的一個輸入光纖接頭P0與光源相連接，2×2光纖耦合器的一個輸出光纖接頭P2與光譜分析儀相連接、另一個輸出光纖接頭P1與長周期光柵的一個光纖接頭相連接。然后，利用Plassys MP600s多靶磁控濺射鍍膜儀，采用真空鍍膜的方法在長周期光柵的另一個光纖接頭單端面制備反射膜銀膜。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。

圖1 單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of measure system of LPFG with on a single end face

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

為了便于表述，我們把一個光纖接頭直接連接光源、另一個光纖接頭直接連接光譜分析儀的長周期光柵測量裝置系統(tǒng)，稱之為直接透射模式，而把改進(jìn)后的單端面長周期光柵測量裝置系統(tǒng)稱之為單端面模式。為了便于對比，直接透射模式和單端面模式下的測試均使用同一根長周期光柵，即首先用直接透射模式的長周期光柵測量不同濃度的甘油溶液，將所有甘油溶液測試完后，再利用2×2單模光纖耦合器和單端面鍍銀膜操作將同一根長周期光柵改成單端面模式，然后再測量上述直接透射模式條件下所使用過的同一系列的不同濃度的甘油溶液。

實(shí)驗(yàn)中所用的主要儀器有SuperK Compact超連續(xù)白光光源(NKT Photonics，丹麥)、AQ6370B光譜分析儀(YOKOGAWA，日本) 、Plassys MP600s多靶磁控濺射鍍膜儀(PLASSYS，法國)。丙酮(分析純)、異丙醇(分析純)、乙醇(分析純)、甘油、去離子水均購自北京化工廠，所用溶液樣品均用去離子水配制。

測試之前將長周期光柵依次用丙酮、異丙醇、乙醇、去離子水沖洗，隨后用氮?dú)獯蹈桑又鴾y試一系列的不同濃度的甘油溶液。每測試完一種濃度的甘油溶液，用去離子水沖洗3次，再用氮?dú)獯蹈?，再進(jìn)行下一種溶液的測試。同步用AQ6370B 光譜分析儀實(shí)時記錄相應(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) ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 直接透射模式下長周期光柵的響應(yīng)光譜

圖2為直接透射模式下長周期光柵對不同濃度的甘油溶液的響應(yīng)光譜。從圖2可以看出，隨著溶液中甘油濃度的增加，響應(yīng)光譜中的諧振波長逐漸向短波方向移動，光損耗先逐漸增大后逐漸減小。

圖2 直接透射模式下長周期光柵對環(huán)境介質(zhì)的響應(yīng)光譜Fig.2 Response spectra of LPFG to the surrounding media under the condition of the direct transmission mode

3.2 單端面模式下長周期光柵的響應(yīng)光譜

圖3 單端面鍍銀膜模式下長周期光柵對環(huán)境介質(zhì)的響應(yīng)光譜Fig.3 Response spectrum of LPFG to the surrounding media under the condition of the silver film coated single end face

圖3給出了單端面模式下長周期光柵對不同濃度甘油溶液的響應(yīng)光譜。從圖3可以看出，雖然對長周期光柵采用了單端面的模式，但是長周期光柵的響應(yīng)光譜仍然以透射光譜的形式出現(xiàn)。而且，隨著溶液中甘油濃度的增加，諧振波長也呈現(xiàn)逐漸向短波方向移動的現(xiàn)象。但單端面模式下的光損耗值變化的幅度明顯比直接透射模式下小。

3.3 兩種模式下的諧振波長與光損耗值的對比

為了進(jìn)一步清晰地觀察兩種模式下長周期光柵響應(yīng)光譜的異同，我們在圖4和圖5中分別給出了諧振波長、相對光損耗隨甘油濃度變化的變化趨勢圖。從圖4可以看出：(1)隨著甘油濃度的增加，兩種模式下的長周期光柵的諧振波長都逐漸向短波方向移動：直接透射模式下，長周期光柵諧振波長從1 285.0 nm逐漸變?yōu)橹C振波長1 251.8 nm；單端面模式下，長周期光柵諧振波長從1 284.8 nm逐漸變?yōu)橹C振波長1 252.8 nm。(2)兩種模式下，同一種甘油濃度所對應(yīng)的諧振波長幾乎重合。(3)當(dāng)甘油濃度從60%變?yōu)?0%時，兩種模式下的諧振波長都發(fā)生了劇烈的移動。因而，單端面模式下的長周期光柵響應(yīng)光譜的諧振波長(三角形)與直接透射模式下的諧振波長(黑方塊)的變化呈現(xiàn)良好的一致性。

圖4 兩種模式下諧振波長與甘油濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between resonance wavelength and glycerol concentration in the case of the two modes

從圖5可以看出，兩種模式下長周期光柵的相對光損耗均呈現(xiàn)了從小變大、再從大變小的趨勢。但是兩種模式下，相對光損耗變化的幅度有著明顯的差別：直接透射模式下長周期光柵的光損耗從-12.92 dB變?yōu)?16.28 dB，再逐漸變到-13.22 dB,最大變化幅度為3.36 dB；單端面鍍銀膜模式下的光損耗從-13.13 dB變?yōu)?13.74 dB，再逐漸變到-11.45 dB，最大變化幅度僅為0.61 dB。因而，單端面鍍銀膜模式下長周期光柵的光損耗變化幅度更小，線性關(guān)系更好。

圖5 兩種模式下光損耗與甘油濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between optical loss and glycerol concentration in the case of the two modes

對于直接透射模式下與單端面模式下長周期光柵對不同濃度甘油溶液的響應(yīng)光譜的差異，我們初步推測可能是由于刻制的長周期光柵光譜的峰位置、鍍銀膜的工藝、長周期光柵端面的長度等參數(shù)引起，后續(xù)我們將對這些參數(shù)對長周期光柵透射光譜的影響展開細(xì)致的研究。

從上面的分析可以看出，改進(jìn)后的長周期光柵折射率測量裝置系統(tǒng)有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)其中的感應(yīng)部件長周期光柵不再直接處于光源和光譜分析儀之間，而是可以以光纖探頭的方式實(shí)現(xiàn)對待測物的檢測；(2)沒有改變長周期光柵的響應(yīng)光譜的出現(xiàn)方式，在單端面模式下，長周期光柵的響應(yīng)光譜的信號仍然以透射譜的形式出現(xiàn)；(3)單端面模式下長周期光柵光譜信號(諧振波長、光損耗)信號可以與直接透射模式下的長周期光柵的響應(yīng)光譜信號相媲美；(4)單端面模式下，由于使用光纖探頭的形式，在對環(huán)境介質(zhì)的檢測中操作更加便利。

然而，與直接透射模式相比，單端面鍍銀膜模式下長周期光柵的諧振峰尖銳程度不如直接透射模式(看圖2和圖3)。這可能與長周期光柵的刻制的工藝參數(shù)、光纖端面的平整度、光纖單端面銀膜的表面形貌、均勻性、致密性等有關(guān)，這點(diǎn)不足有待于進(jìn)一步改進(jìn)。在后續(xù)研究中，我們將從理論與實(shí)驗(yàn)上對單端面長周期光柵光譜的影響因素作進(jìn)一步的探索，制備出傳感性能更優(yōu)良的透射光譜的單端面長周期光柵折射率傳感器。

4 結(jié) 論

本文利用光纖耦合器，通過在長周期光柵的一個光纖端面鍍銀膜的方式構(gòu)筑了單端面長周期光柵折射率傳感器，并通過測量不同濃度的甘油溶液考察了該傳感器與直接透射模式長周期光柵傳感器的光譜異同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0～80%的甘油溶液中，兩種模式下，相同濃度的甘油溶液所引起的諧振波長變化幾乎是相同的，隨著甘油濃度的增加，諧振波長的變化趨勢是非常一致的，都逐漸向短波方向移動。當(dāng)甘油濃度從60%變?yōu)?0%時，諧振波長都發(fā)生了劇烈的移動。而兩種模式下的光損耗變化有著明顯的差別，直接透射模式下長周期光柵的光損耗最大變化幅度為3.36 dB，單端面鍍銀膜模式下長周期光柵的光損耗最大變化幅度僅為0.61 dB，單端面鍍銀膜模式下光損耗與甘油濃度的線性關(guān)系更好。本文設(shè)計(jì)的單端面透射譜長周期光柵傳感器，由于使用探針探頭的方式對待測物檢測，在對環(huán)境介質(zhì)的檢測中操作更加靈活方便，非常適合于海洋深水、易燃易爆物質(zhì)、難易接觸的物質(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)或其它極端惡劣環(huán)境中介質(zhì)的測量。

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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，吉林省長春人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，1996年于浙江大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1999年于中科院長春應(yīng)化所獲得碩士學(xué)位，2004年于德國馬普所獲得博士學(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@126.com

Designandtestoftransmissionmodemeasurementdevicebasedonlongperiodfibergratingwithasingleendface

LI Qiu-shun1,XIANG Dong2,MENG Qing-jun1,YANG Jun-hui1,SHI Jian-guo1,DONG Wen-fei3*

(1.KeyBiosensorLaboratoryofShandongProvince,BiologyInstituteofShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China; 2.DepartmentofPrecisionMachineryandInstrumentation,SchoolofEngineeringScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China; 3.CASKeyLaboratoryofBio-MedicalDiagnostics,SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215163,China)

*Correspondingauthor,E-mail:wenfeidong@sibet.ac.cn

In this paper,a type of refractive index sensor based on a single end face long period fiber grating(LPFG) with transmission spectra is designed.First,an optical fiber joint at the input end of a 2×2 single-mode fiber coupler is connected with the light source,and the two optical fiber joints at the output end are connected with an optical spectrum analyzer and an optical fiber joint of LPFG respectively.Then,the reflective silver film is sputtered on the other end face of the optical fiber containing LPFG.Finally,a series of glycerol aqueous solutions with different refractive indices are used as the liquid medium to be measured to investigate the similarities and differences between the response spectra of LPFG in direct transmission mode and the single-end silver film mode.The experimental results show that although the single end face is adopted,the corresponding response spectra of LPFG is still in the form of transmission spectra.Moreover,for the same liquid,LPFG with the single end face silver film and LPFG in the direct transmission mode have nearly the same resonance wavelength value.However,there is a certain difference between their optical losses.In the 0～80% glycerol solutions,the optical loss in direct transmission mode changes from -12.92 dB to -16.28 dB and then gradually to -13.22 dB.However,the optical loss gradually changes from -13.13 dB to -13.74 dB and then to -11.45 dB in the case of the single end face silver film mode.Compared with the direct transmission mode,there is a better linear relationship between the relative optical loss and the glycerol concentration of LPFG based on a single end face silver film.The LPFG measurement system designed in this study uses a single end face probe to detect the environmental medium,making it more flexible and convenient in measurement.It is well suited for refractive index measurement in long-distance,harsh environments or deep liquid environments.

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

2017-09-11；

2017-11-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61340032，No.61535010)；中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目 (No.KFZD-SW-204)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.BE2015601)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.ZR2012CM029)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015GSF117024)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.SS201539，No.ZXY201434)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(No.2015AA021005)

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61340032,No.61535010); Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences(No.KFZD-SW-204); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(No.BE2015601); Natural Science Foundation of Shandong Province(No.ZR2012CM029); Research Development Program of Shandong Province(No.2015GSF117024); the Science and Technology Department of Suzhou City(No.SS201539,No.ZXY201434); the 863 Program(No.2015AA021005)

2095-1531(2017)06-0783-07

O433.1；O439；TH744

A

10.3788/CO.20171006.0783