采用液體腔的全光纖Fabry-Perot結(jié)構(gòu)溫度傳感特性研究

房一濤,何 巍,張 雯,祝連慶

(北京信息科技大學(xué)，光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室，北京 100192)

1 引 言

光纖傳感器具有體積小,抗腐蝕,抗電磁干擾,靈敏度高,成本低,響應(yīng)快等優(yōu)點,在化學(xué)、生物、物理、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值[1-6],能夠?qū)ξ灰啤囟?、折射率、?yīng)變等參數(shù)進(jìn)行高靈敏度與高穩(wěn)定度的測量與監(jiān)測[7-12],其中F-P傳感器因結(jié)構(gòu)簡單靈活,傳感結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點已經(jīng)成為在光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點之一。

國內(nèi)外在F-P傳感器的制備上已經(jīng)開展了長期的研究,采用化學(xué)腐蝕、毛細(xì)套管拼接、飛秒激光直接刻寫[13-14]等方法能夠?qū)崿F(xiàn)F-P傳感器的制備。2016年,Chen Shimeng[15]等人采用兩端鍍有金膜的毛細(xì)管,兩端熔接多模光纖制備了F-P腔傳感器；2017年,陳鵬[16]等人使用飛秒激光在多模光纖端面刻寫出深度為60 μm的凹槽,通過與單模光纖熔接制備了F-P傳感器,并對其應(yīng)變傳感特性進(jìn)行了測試,應(yīng)變靈敏度為4.66 pm/με；2018年,劉暢[17]等人使用光刻的方法在玻璃晶圓片表面腐蝕微腔,將反射膜鍍在腔體底部,并使用硅薄片封住腔體,在腔底處熔接多模光纖的方法制備了F-P壓力傳感器,測量結(jié)果與標(biāo)定過的壓力值進(jìn)行比較,得到了0.38 % F.S.的全程誤差；2018年,高曉丹[18]等人,提出了一種在多模光纖端面使用物理氣相沉積技術(shù)鍍膜的F-P傳感器,溫度靈敏度為8.37 pm/℃,線性度達(dá)到99.7 %；2018年,Zou Hui[19]等人采用兩根單模光纖與石英毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)制備了F-P腔傳感器,并在后反射端面上鍍金膜來增加器件靈敏度,并在30 ℃至55 ℃的范圍內(nèi)得到了0.249 nm/℃的溫度靈敏度；2018年,Shi Fuquan[20]等人設(shè)計制備了一種在毛細(xì)管中填充磁流體,再此之上放置實心光纖并在另一端放置單模光纖制備了F-P腔長為128 μm的磁場傳感器,靈敏度為281 pm/mT,線性度為96.8 %。

綜上所述,經(jīng)過化學(xué)腐蝕和端面鍍膜處理后會增加熔接損耗并且結(jié)構(gòu)脆弱,且端面鍍膜工藝在操作上較為復(fù)雜且成本較高。通常制備的F-P傳感器普遍具有較大的腔長尺寸,使得傳感器靈敏度與穩(wěn)定性較低。針對上述問題,提出了一種基于液體腔的全光纖F-P結(jié)構(gòu),通過將兩端切平的單模光纖從玻璃毛細(xì)管兩端插入構(gòu)成F-P結(jié)構(gòu),并在毛細(xì)管中通過注入純凈水提高傳感器靈敏度,使用相同方法制備了毛細(xì)管中為空氣的空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器。通過對兩種傳感器分別進(jìn)行升溫測試,對液體腔及空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器的靈敏度進(jìn)行了分析。最終實現(xiàn)了高靈敏度液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器的制備。

2 Fabry-Perot傳感器工作原理

設(shè)計的F-P傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。玻璃套管中的兩段單模光纖左右端面構(gòu)成了F-P結(jié)構(gòu)的兩個反射端 。當(dāng)在纖芯中傳輸?shù)娜肷涔鈧鬏數(shù)降谝粋€端面時,一部分光被反射,另外一部分光繼續(xù)傳播,該部分光傳輸?shù)降诙€端面時,再次發(fā)生反射進(jìn)入F-P腔。在傳輸過程中產(chǎn)生了光程差,與第一個端面反射的光束發(fā)生干涉。

圖1 F-P傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 F-P structural image

根據(jù)多光束干涉原理可知,F-P腔反射輸出強度為:

(1)

式(1)中,φ為光學(xué)相位:

(2)

其中,n0是腔內(nèi)材料的折射率;R是兩端光纖端面的反射率;θ是入射光與反射端面的夾角;λ為入射光波長;I0為入射光光強;L是F-P腔的腔長,附加相位π是光由于半波損耗引起的相位差。當(dāng)兩端面的反射率R很低時,可近似得到:

IR=2R(1-cosφ)I0

(3)

由于一束反射光在F-P腔內(nèi)產(chǎn)生了額外的相位,導(dǎo)致兩束反射光產(chǎn)生了相位差,在纖芯中發(fā)生耦合后產(chǎn)生不同的干涉強度,形成干涉光譜,干涉強度I為:

(4)

式中,I1和I2表示兩端光纖端面的反射光強;L是F-P腔長,n為所選用光纖的纖芯有效折射率;φ0兩束反射光初始的相位差;λF-P為光纖F-P的干涉光譜中波谷所對應(yīng)的波長。當(dāng)溫度T改變時,會因所用光纖的熱膨脹系數(shù)αf和熱光系數(shù)ζf,腔內(nèi)介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)αn以及玻璃套管的熱膨脹系數(shù)αG的影響,導(dǎo)致F-P腔長發(fā)生變化,使光程差發(fā)生改變。

Δ(nL)=nL(αG-αf+ζf+αn)ΔT

(5)

光程差導(dǎo)致的光纖F-P腔干涉譜波谷變化為:

(6)

式中,n為F-P內(nèi)介質(zhì)的折射率；αG為毛細(xì)管熱膨脹系數(shù)；αf為所用光纖的熱膨脹系數(shù)；ζf為所用光纖的熱光系數(shù)；αn為腔內(nèi)填充物的熱膨脹系數(shù)。因此,通過在F-P腔中填充介質(zhì)改變腔內(nèi)熱膨脹系數(shù),溫度變化時導(dǎo)致F-P腔長尺寸發(fā)生改變,干涉譜發(fā)生漂移,能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感測量目的。

3 Fabry-Perot傳感器制備與測試系統(tǒng)

首先,將康寧公司單模光纖(SMF-28),使用光纖剝線鉗去除涂覆層,之后使用切割刀將包層和纖芯切平,將內(nèi)徑為0.3 mm的玻璃毛細(xì)管長度切割至10 mm。將切割好的單模光纖從毛細(xì)管一端放入,將光纖端面放置到毛細(xì)管中心處,控制502膠的用量使其盡量填充并粘合光纖與毛細(xì)管空隙并不覆蓋光纖端面,待其固化完成后,將毛細(xì)管另一端放入水中,利用毛細(xì)管的虹吸效應(yīng)將水吸入其中,并把另一段相同制備方法的光纖放入毛細(xì)管,并將該段光纖尾端切平,人工控制兩個光纖端面之間的距離,使用502膠將光纖與毛細(xì)管粘合固定,待其固化完成。在此之后作為對照又用相同方法制備了F-P腔內(nèi)介質(zhì)為空氣的傳感器。在制備中將兩光纖端面距離控制在為120 μm左右,使其在1520 ～1610 nm波段的干涉譜擁有6個周期,干涉譜對比度明顯,便于觀察波長漂移,并且相同的端面距離有利于排除溫度以外的因素對空氣腔結(jié)構(gòu)F-P和液體腔結(jié)構(gòu)F-P溫度傳感特性的影響。將制備的傳感器一端與光纖環(huán)行器(LightComm Co.)2端相連,并將環(huán)行器的1端連接C+L波段寬帶光源,3端連接光譜分析儀(Yokogawa Co.AQ6375),分別觀察空氣腔F-P結(jié)構(gòu)傳感器和液體腔F-P結(jié)構(gòu)傳感器的反射光譜。

使用光學(xué)顯微鏡(WDK2010-Z)對制備的空氣腔及液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感進(jìn)行觀測,影像圖如圖2所示,其中圖2(a)為空氣腔結(jié)構(gòu)F-P在20倍物鏡下的影像圖,圖2(b)為液體腔結(jié)構(gòu)F-P在20倍物鏡下的顯微影像圖,使用標(biāo)尺測量包層直徑以及兩端面間距,根據(jù)兩者比例計算可以得出空氣腔F-P結(jié)構(gòu)兩光纖端面之間距離為119 μm,液體腔F-P結(jié)構(gòu)兩光纖端面之間距離為123 μm。兩者長度差距很小,保證了F-P腔內(nèi)介質(zhì)對傳感器靈敏度影響的單一性,增加了結(jié)果的可信度與對比度。

圖2 F-P傳感結(jié)構(gòu)影像圖Fig.2 F-P structural images

F-P傳感器溫度特性測試系統(tǒng)如圖3所示。將光纖環(huán)行器的1、3端分別與寬帶光源和光譜分析儀相連,2端與F-P傳感器一端相連,將傳感器使用光纖夾具固定在加熱平臺兩側(cè),并調(diào)節(jié)夾具高度使F-P結(jié)構(gòu)拉直并緊貼加熱平臺。設(shè)置加熱平臺從30 ℃逐漸升溫達(dá)到50 ℃,期間每2 ℃對F-P傳感器反射光譜進(jìn)行一次采集。

圖3 F-P腔結(jié)構(gòu)溫度傳感特性測試系統(tǒng)Fig.3 F-P tempercrture characrristic test system

測試在20 ℃恒溫恒濕環(huán)境中,使用光譜分析儀分辨率為0.05 nm,分別對空氣腔以及液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器反射光譜進(jìn)行了測試。圖4(a)為空氣腔F-P傳感器在室溫下的反射光譜,得到其在1520～1610 nm波段反射光譜周期為15.15nm。對比度為11.17 dBm；圖4(b)為液體腔F-P傳感器在室溫下的反射光譜,得到其在1520～1610 nm波段的周期為14.13 nm,對比度為11.83 dBm。

圖4 Fabry-Perot傳感器反射光譜圖Fig.4 Air carity and water cavity F-P reflection spectrum

4 Fabry-Perot傳感器溫度傳感特性

實驗中,分別對制備的空氣腔及液體腔F-P結(jié)構(gòu)的溫度特性進(jìn)行了測試與驗證,溫度變化設(shè)定為30 ℃ ～50 ℃,溫度每上升2 ℃對傳感器的反射光譜進(jìn)行一次采集,并采集特征波谷波長漂移光譜。首先,對空氣腔結(jié)構(gòu)F-P進(jìn)行測試,圖5(a)為空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器在30 ℃和50 ℃時的1520 ～1610 nm波段反射光譜漂移圖,在此區(qū)間內(nèi),隨著溫度升高整個光譜發(fā)生紅移,并且特征波谷波長漂移量為2.39 nm；圖5(b)為空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器特征波谷隨溫度升高波長漂移細(xì)節(jié)圖,得到特征波谷波長由1540.75 nm漂移到了1543.14 nm,并呈現(xiàn)良好的紅移情況；圖5(c)為根據(jù)特征波谷波長隨溫度的變化得到的線性擬合曲線,空氣腔結(jié)構(gòu)F-P溫度靈敏度為121 pm/℃,線性度為0.94；圖5(d)為空氣腔結(jié)構(gòu)F-P在測試過程中特征波谷功率漂移情況,由圖中可以得知30～50 ℃區(qū)間內(nèi)最大功率漂移量為1.17 dBm,功率穩(wěn)定性較好。

之后,對液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器進(jìn)行測試,圖6(a)為液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器在30 ℃和50 ℃時的1520 ～1610 nm波段完整反射光譜圖,隨著溫度升高整個光譜發(fā)生紅移,并且特征波谷波長漂移量為5.31 nm；圖6(b)為液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器特征波谷隨溫度升高波長漂移細(xì)節(jié)圖,得到特征波谷波長由1546.06 nm漂移到了1551.37 nm,并呈現(xiàn)良好的紅移趨勢；圖6(c)為根據(jù)特征波谷波長隨溫度的變化得到的線性擬合曲線,液體腔結(jié)構(gòu)F-P溫度靈敏度為243 pm/℃,線性度為0.98；圖6(d)為空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器在測試過程中特征波谷功率漂移情況,由圖中可以得知30～50 ℃區(qū)間內(nèi)最大功率漂移量為4.07 dBm,功率穩(wěn)定性明顯低于空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器。

圖5 空氣腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器溫度特性Fig.5 Air cavity F-P temperature characteristic

圖6 液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器溫度特性Fig.6 Water cavity F-P temperature characteristic

通過實驗得到,液體腔F-P傳感器的溫度靈敏度大于空氣腔F-P傳感器,考慮到氣體分子間距遠(yuǎn)大于水分子之間的間距,故其在升溫膨脹時對于腔長的改變作用小于液體,通過分析可以得知腔長的改變量越大,其特征波谷波長變化量越大,驗證了液體腔F-P傳感器較空氣腔F-P傳感器有更高的靈敏度。

5 結(jié) 論

論文設(shè)計并采用玻璃毛細(xì)管與兩根SMF-28單模光纖,并向毛細(xì)管中注入純凈水的方法,制備了空氣腔及液體腔結(jié)構(gòu)F-P傳感器,并對其溫度傳感特性進(jìn)行了測試及分析。在30～50℃范圍內(nèi),傳感器的特征波谷波長隨著溫度升高均發(fā)生紅移,其中空氣腔F-P傳感器反射譜周期為15.15 nm,條紋對比度為11.17 dBm,溫度靈敏度為121 pm/℃,線性度為0.94,測試過程中最大功率漂移量為1.17 dBm；液體腔F-P傳感器反射譜周期為14.13 nm,條紋對比度為11.83 dBm,溫度靈敏度為243 pm/℃,線性度為0.98,測試過程中最大功率漂移量為4.07 dBm。論文設(shè)計的傳感器具有溫度靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、對比度高的特點,在溫度傳感領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。