光纖傳感器折射率研究

吳堅(jiān)

摘 要：研究了傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率的變化，并對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、全光纖傳感系統(tǒng)等特點(diǎn)，可用于有毒、有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下材料折射率的高精度測(cè)量。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;折射率;溫度補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

光纖傳感器是保持?jǐn)?shù)字優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)電傳感器。近年來(lái)，生化傳感應(yīng)用光纖傳感器的需求量很大。光纖的折射率（RI）傳感器已經(jīng)吸引了很多的關(guān)注，因?yàn)樗梢杂迷谠S多領(lǐng)域包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等。光纖布拉格光柵（FBG）和長(zhǎng)周期的光柵（LPGS）已被用于在RI光纖傳感器。基于RI傳感器的光柵是經(jīng)常蝕刻或拋光的增益制導(dǎo)模式的倏逝場(chǎng)進(jìn)入被測(cè)材料，與光纖光柵型RI傳感器相比，基于LPG傳感器更適用他們的內(nèi)在耦合機(jī)制。一種基于法布里-佩羅特RI傳感器（F-P）干涉儀寫道，這種傳感結(jié)構(gòu)，利用對(duì)干涉條紋測(cè)量日最大對(duì)比的變化。法朗茲提出了一種基于高雙折射儀蝕刻的D型光纖環(huán)鏡。RI測(cè)量倏逝場(chǎng)增加了使用蝕刻的D型結(jié)構(gòu)纖維基于光子晶體光纖的折射。然而，這些折射儀的測(cè)量原理是利用波長(zhǎng)位移來(lái)檢測(cè)外部RI變化，這是面對(duì)溫度交叉敏感的一個(gè)大問(wèn)題。因此，溫度補(bǔ)償是必要的。同時(shí)，所獲得的靈敏度在RI傳感結(jié)構(gòu)的報(bào)告不夠高。因此，光纖折射儀可以在沒(méi)有額外的溫度補(bǔ)償部分需要實(shí)現(xiàn)高靈敏度的實(shí)際中應(yīng)用是可取的。

1 傳感器的制造和操作原則

傳感器頭示意圖如圖1所示。放大的自發(fā)輻射（ASE）1 450 nm～1 650 nm波長(zhǎng)范圍源連接到該FLM的輸入，和輸出光譜與光譜分析儀（OSA的檢測(cè)，aq6370，愛(ài)德，日本）的OSA是最高分辨率20 PM。在FLM拼接而成（使用一個(gè)商用光纖熔接機(jī)（藤倉(cāng)fsm-40s）一段高雙折射光子晶體光纖（lma-10）到223 dB耦合器的武器。長(zhǎng)度在5 cm和它的兩端被倒塌的融合拼接兩identicalsingle模式纖維之間的高雙折射光纖（SMF-28）是在耦合器的武器。圖1的插圖顯示的高雙折射光子晶體光纖的截面圖，其中有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的核心μ直徑11 m包圍四層與125 μM.外直徑的空氣。

拼接的光纖到光纖進(jìn)行了使用商用光纖熔接機(jī)（Fujikurafsm-40s）。強(qiáng)烈的電弧放電引起的局部加熱的PCF，導(dǎo)致在熔覆區(qū)的加熱段空氣孔塌陷PCF?？梢詮念A(yù)制拼接點(diǎn)的照片看到，那里的PCF的空氣孔結(jié)構(gòu)塌陷的剪接點(diǎn)附近，在很短的長(zhǎng)度的～140 μM. PCF不再是單一模式，由于纖維無(wú)芯包結(jié)構(gòu)更在塌陷區(qū)的區(qū)域，當(dāng)引入光纖基模的傳播到光子晶體光纖的折疊區(qū)域，其模場(chǎng)直徑將被拓寬，由于衍射，允許核心激發(fā)和在完整的光子晶體光纖截面包層模式。然后，興奮的纖芯和包層模式進(jìn)一步衍射和重新連接回了引出SMF在第二拼接點(diǎn)的核心模式。因此，它就像一種MZI的工作從ASE輸入光同樣分裂成兩個(gè)計(jì)數(shù)器的3 dB耦合器傳輸光。偏振控制器（PC）是用來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)光的偏振態(tài)。介紹了反向傳播的光束引起的高雙折射光子晶體光纖的雙折射特性插入的相對(duì)相位差。所以當(dāng)他們干擾產(chǎn)生的重組在耦合器。

相位差是光源的中心波長(zhǎng)，是高雙折射光子晶體光纖的長(zhǎng)度。高雙折射光子晶體光纖的雙折射率，是快速和慢速軸的有效折射率，諧振浸波長(zhǎng)滿足方程，其中k是一個(gè)隨機(jī)整數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)和討論

測(cè)試基于高雙折射光子晶體光纖傳感器液體里的FLM，熔接的高雙折射光子晶體光纖的崩潰是沉浸在與不同比例的甘油液結(jié)合樣本。通過(guò)與標(biāo)稱精度為0.000 1個(gè)阿貝折射儀校準(zhǔn)液樣本，可以得到其方程式。

波長(zhǎng)移放在液體變折射率光纖，是由相應(yīng)的光子晶體光纖快慢軸的有效折射率變化引起的折射指數(shù)的變化。從方程，可以看出，是成正比的。外部RI的變化可以通過(guò)測(cè)量干涉光譜的波長(zhǎng)移位檢測(cè)。

作為高雙折射PCF沉浸在液體在室溫范圍從1.41～1.43?RI值的變化（25℃），為FLM的干擾頻譜的變化，可以看出，諧振波長(zhǎng)的干涉條紋傾角2從1 556.11 nm到1 549.66 nm。諧振浸波長(zhǎng)偏移的FLM干涉譜作為一個(gè)功能的RI變化。它能很好的滿足與理論推導(dǎo)。

如預(yù)期的那樣，對(duì)FLM的波長(zhǎng)偏移與外部的RI變化的線性關(guān)系，由于一個(gè)組合干涉結(jié)構(gòu)的使用，實(shí)現(xiàn)了306.60.2 nm/riu靈敏度高，這是比以前的報(bào)告高5倍。均方根偏差值（SD）的線性擬合和測(cè)量的數(shù)據(jù)之間的為0.2，這相當(dāng)于校準(zhǔn)測(cè)量的不確定性用阿貝折射儀，所提出的RI傳感器的分辨率是6.510-5 RIU由OSA分辨率的限制，大范圍的波長(zhǎng)偏移會(huì)導(dǎo)致邊緣重疊。

在實(shí)際應(yīng)用中，該傳感器的測(cè)量范圍可以通過(guò)改變光子晶體光纖的雙折射率調(diào)高雙折射。

選擇了相應(yīng)的λ= 1 537 nm干擾模式，1 552 nm和1 575 nm作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。當(dāng)周圍溫度從10℃增加到100℃，最大溫度誤差0.52 nm，0.49 nm和0.48 nmat 1 537 nm的波長(zhǎng)，1 552 nm和1 575 nm，分別在6.45 nm波長(zhǎng)變化范圍內(nèi)，溫度變化引起的測(cè)量誤差很小，可在實(shí)際應(yīng)用中忽略掉。

本文描述了一個(gè)傳感頭由光纖環(huán)鏡上刻有高雙折射光子晶體光纖（高雙折射光子晶體光纖），低溫光和熱膨脹系數(shù)的高雙折射光子晶體光纖傳感頭在的設(shè)計(jì)中的溫度不敏感，高靈敏度（306.6±0.2）納米/ RIU（折射率單位），分辨率為6.5×10-5 RIU已經(jīng)提出的液體折射率傳感器實(shí)現(xiàn)的。與其它折射率傳感器相比，該傳感器可以結(jié)合使用干涉結(jié)構(gòu)獲得高靈敏度。由于低溫光和熱膨脹系數(shù)的高雙折射光子晶體光纖傳感頭在設(shè)計(jì)中的溫度不敏感，因此沒(méi)有額外的溫度補(bǔ)償部分。

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