基于D型光纖探針的高靈敏折射率傳感器*

梁紅勤,劉 彬,劉 娟,張 平,胡金鳳,廖云程,蔡旭輝

(南昌航空大學(xué),無損檢測與光電傳感技術(shù)及應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室,南昌 330063)

側(cè)面拋磨是光纖微加工的的主要方法之一,因其制作而成的D型光纖直徑較大,便于封裝,具有較高的強度以及獨特的光學(xué)特性使其廣泛應(yīng)用于制作各類全光纖器件[1-4]。

目前對D型光纖的研究主要分為兩個方面,一種是研究D型光纖制造新方法,改進傳統(tǒng)的側(cè)邊拋磨工藝,提高D型光纖的光學(xué)性能,降低制作成本,改進批量生產(chǎn)工藝。第二種是利用D型光纖制作新型的全光纖器件。D型光纖的制作方法主要包括側(cè)邊弧型槽基塊拋磨法、側(cè)邊輪式拋磨法和激光加工法[5-7]。側(cè)邊輪式拋磨法是最經(jīng)濟實用,如2005年暨南大學(xué)的陳哲等人發(fā)明一種光纖側(cè)邊拋磨裝置,包括對保偏光纖進行定軸和對普通光纖的側(cè)邊拋磨裝置[8],2017年馬來西亞大學(xué)Ahmad H設(shè)計了單模光纖的拋磨法[9],因此D型光纖的制作方法可根據(jù)需求改進,力求搭建出經(jīng)濟實用性拋磨平臺。D型光纖的應(yīng)用方面,因光纖倏逝波傳感器具有成本低、體積小、遠距離傳感、在線測量等特點,D型光纖倏逝波傳感器得到了重視和發(fā)展。2010年劉宏亮等人研究了倏逝場D型光纖氫氣傳感器,其靈敏度為441 nW/RIU[10]。2015年鄧旺等人研究了D型光纖傳感器的飛秒激光加工方法,其制作的D 型光纖傳感器靈敏度為37 dB/RIU[7]。目前D型光纖倏逝波傳感器最大的缺點是靈敏度和線性度不能同時達到一個很理想的結(jié)果。

本文研究了一種高靈敏度的D型光纖探針消逝場傳感器,通過自主搭建簡易的光纖側(cè)面拋磨裝置,得到D型光纖。對D形光纖消逝場傳感器的結(jié)構(gòu)進行了改進,設(shè)計出了一種表面粗糙的D形光纖探針結(jié)構(gòu)的消逝場傳感器,大大提高了傳感器的靈敏度和線性度。

1 傳感器的基本原理

光在光纖中傳播時,會在纖芯和包層的界面上形成消逝場。光纖的包層為非吸收介質(zhì),光在光纖中傳輸時不會引起能量的損失。當(dāng)把光纖拋磨到接近纖芯,橫截面為D形后,消逝場會與被測物質(zhì)發(fā)生作用而引起能量的吸收,反映在光纖輸出光強的減少,故被測物質(zhì)溶液折射率的大小可通過檢測光纖輸出光強的大小來反推,這就是消逝場傳感器的作用機理。當(dāng)光纖表面較粗糙時,由于光纖表面的瑞利散射,引起的損耗就大,傳感器的靈敏度也隨之提高[11]。

本文制作的消逝場型D型光纖傳感器是在光纖上通過側(cè)邊拋磨方法去掉一段光纖包層。當(dāng)光在光纖中傳輸時,會在拋磨區(qū)的纖芯周圍產(chǎn)生一個大小隨徑向位置成指數(shù)衰減的消逝場,當(dāng)拋磨表面接觸溶液時,影響到消逝場,通過檢測光強的變化就可檢測溶液折射率的變化。

2 傳感器的制作和結(jié)果分析

我們自主搭建輪式側(cè)邊拋磨系統(tǒng)制作D型光纖,如圖1(a)和圖1(b)所示,圖1(b)中的三維位移臺僅適用x方向,原理上和圖1(a)相同。磨輪是由粗糙度800目的砂紙包裝而成的。磨輪固定在精確的一維Y軸可調(diào)平移臺上,通過手動控制平移臺沿Y方向以充分利用拋磨紙。單模光纖(長飛G652D SPF)的纖芯/包層直徑為9/125 μm。首先將光纖的一端用光纖夾具夾住,再將光纖中間剝?nèi)?.5 cm左右,然后用沾酒精的擦鏡紙反復(fù)擦拭干凈,將剝?nèi)サ牟环旁谀ポ喩?。另一段在用光纖夾具夾住,最后將光纖兩端通過光纖適配器分別連接到光源和光功率計上。調(diào)整平移臺的x軸方向,在研磨過程中給光纖施加一定的應(yīng)力。我們使用了ILX Lightwave公司的光功率計(OMM-6810B/OMH-6727B)和1 550 nm光纖激光器(STL 2000)在線監(jiān)測SPF的透射功率。圖2為該光功率計穩(wěn)定性的出廠測試指標(biāo),采用ILX Lightwave公司的高穩(wěn)定性激光光源MPS-8033/01進行測試,功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.004 dB。通過顯微鏡觀察D形SPF的過渡區(qū)側(cè)視圖和橫截面圖,如圖1(c)和1(d)所示。

圖1 (a)、(b)自主搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng); (c)拋磨光纖過渡區(qū)的側(cè)視圖片;(d)拋磨光纖橫截面

圖2 光功率計的功率穩(wěn)定性測量

依據(jù)光纖的側(cè)邊拋磨實驗,發(fā)現(xiàn)拋磨初期功率是不變化的,只有拋磨深度接近光纖纖芯時,此時功率才會出現(xiàn)明顯的連續(xù)變化,說明有明顯的消逝波溢出。通過顯微鏡測量可知光纖拋磨損耗和拋磨平坦區(qū)剩余直徑的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)拋磨產(chǎn)生的最大損耗為25 dB,所以我們以5 dB的損耗大小為一個損耗梯度,制作5組不同能量損耗的D型光纖,其中拋磨區(qū)的長度測量約為4.5 mm,兩邊過渡區(qū)為2 mm,如圖3(a),將制作好的D型光纖封裝在凹形載玻片上。對制作好的5組D型光纖進行折射率傳感測試,其中不同折射率溶液由不同濃度的食鹽溶液實現(xiàn)。測試前,將待測D 型光纖的兩端通過適配器分別連接到光源和功率計上,如圖3(b)所示。測試過程中,將不同折射率的食鹽溶液依次滴入凹形載玻片里淹沒D 型光纖,分別記錄不同折射率溶液里對應(yīng)的光功率計穩(wěn)定時的值,且每次記錄數(shù)據(jù)后均用溫水把 D 型光纖清洗干凈。

表1 拋磨損耗和拋磨平坦區(qū)剩余光纖直徑的關(guān)系

圖3

不同折射率溶液與相應(yīng)傳輸損耗的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。折射率傳感靈敏度公式為[12]:

式中:dP為損耗的變化,dn為折射率的變化。從圖4可知:隨著D型光纖拋磨損耗的增大,傳感器的折射率傳感靈敏度也隨之增大,拋磨損耗為5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、25 dB的D型光纖對應(yīng)的折射率傳感靈敏度分別約為4.24 dB/RIU、12.31 dB/RIU、29.67 dB/RIU、55.50 dB/RIU、74.96 dB/RIU,對應(yīng)傳輸損耗與折射率的擬合曲線的的相關(guān)系數(shù)分別為0.985 80、0.987 58、0.981 14、0.977 27、0.997 88。由此可知拋磨損耗為25 dB的D型光纖折射率傳感靈敏度最高,線性度也最好。實際制作中D型光纖拋磨損耗25 dB沒有20 dB成品率高、但拋磨損耗為20 dB的D型光纖的靈敏度和線性度都有待提高。

為了檢測D型光纖的重復(fù)性,我們制作拋磨損耗均為20 dB的3個D型光纖,將其在同樣的條件下進行折射率傳感測試,將測試結(jié)果進行對比,3個D型光纖樣品的傳感靈敏度分別為55.50 dB/RIU、52.98 dB/RIU、51.24 dB/RIU,其傳感靈敏度的誤差在4 dB/RIU左右,其靈敏度幾乎相同,如圖5所示。誤差主要原因存在于兩個方面:一方面實驗中存在的偶然誤差,如拋磨損耗的誤差、環(huán)境的影響等,另一方面是因為,因為每次拋磨施加拉力和拋磨速度的不同,導(dǎo)致拋磨加工的光纖表面的粗糙度并非完全一致,這樣容易造成光線的散射的不同。因此該D型光纖性能比較穩(wěn)定,具有很好的可重復(fù)性。

圖4 不同拋磨損耗的D型光纖傳感器傳輸 損耗與折射率的關(guān)系

同時我們對D型光纖性能的穩(wěn)定性也進行了檢測。首先將拋磨損耗為15 dB的D型光纖分別在酒精,去離子水、磷酸鹽溶液3種不同溶液中進行穩(wěn)定性測量,測量時間為30 min,每隔一段時間記錄一下對應(yīng)的功率計的顯示數(shù)值,測量結(jié)果如圖6所示,由圖可知D型光纖分別在3種溶液里浸泡30 min,D型光纖傳輸功率值均變化很小,其穩(wěn)定性優(yōu)于±0.03 dB。因此D型光纖具有很好的穩(wěn)定性。

為使制作的傳感器更利于用于折射率傳感測量,我們將拋磨好的D型光纖在距離拋磨區(qū)1 cm左右的地方用光纖切割刀將其切割,得到平整的端面,然后通過鍍膜儀,在端面鍍上厚度為160 nm左右的銀膜,得到探針型D型光纖,如圖7(a)所示。圖7(b)為折射率傳感裝置示意圖,實驗過程中,由1 550 nm光纖激光器光源產(chǎn)生的入射光經(jīng)過光環(huán)形器傳輸至D型光纖探針中。到達D型探針的拋磨區(qū)時,消逝場會與被測物質(zhì)發(fā)生作用而引起能量的吸收,因為周圍環(huán)境折射率的不同,反映為光纖輸出光強的不同。經(jīng)過端面的銀膜反射后,反射光沿著相反的方向再次通過傳感區(qū)域經(jīng)環(huán)形器進入光功率計。

圖6 15 dB拋磨損耗的D型光纖在不同溶液中 的時間穩(wěn)定性曲線

圖7 折射率傳感實驗裝置圖

以2.5 dB的損耗大小為一個損耗梯度,制作 6組不同能量損耗的探針型D型光纖。將其在同樣的條件下進行折射率傳感測試,將測試結(jié)果進行對比,如圖8所示:拋磨損耗為5 dB、7.5 dB、10 dB、12.5 dB、15 dB、17.5 dB的D型光纖探針對應(yīng)的折射率傳感靈敏度分別約為7.00 dB/RIU、17.40 dB/RIU、21.06dB/RIU、25.43 dB/RIU、64.94 dB/RIU、40.63 dB/RIU,對應(yīng)傳輸損耗與折射率的擬合曲線的的相關(guān)系數(shù)分別為0.930 13、0.989 16、0.996 05、0.991 03、0.995 27、0.992 23。可知拋磨損耗大于5 dB的探針型D型光纖的線性相關(guān)系數(shù)都在0.99以上,與非探針型D型光纖相比,其線性度得到了很大提升。且拋磨損耗為15 dB的探針型D型光纖的靈敏度比文獻[12-13]的光纖傳感器靈敏度高出2倍。測量折射率精度的表達式為[14]

式中:dPmin為光功率計的最小分辨單位為0.004,計算可得該傳感器的折射率精度為0.000 06。

圖8 不同拋磨損耗的探針型D型光纖傳感器 折射率傳感曲線

3 結(jié)論

我們通過自主搭建簡易的光纖側(cè)面拋磨裝置,得到D型光纖。通過利用D型光纖表面粗糙度和探針型結(jié)構(gòu),提高了傳感器的折射率靈敏度和線性度。實驗結(jié)果表明實驗所得的探針型D型光纖傳感器穩(wěn)定性強,線性度好。其中拋磨損耗為15 dB時,其靈敏度最高靈敏度為64.93 dB/RIU,線性相關(guān)系數(shù)高達99.53%。測量折射率精度可達0.000 06。該傳感器制作簡單、靈敏度高、高線性度、結(jié)構(gòu)緊湊、可單端測量、制作和測量系統(tǒng)簡易以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在生物化學(xué)傳感和環(huán)境污染監(jiān)控等領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。