Z型SPS光纖折射率傳感器

高 朋, 鄭曉琳, 劉 瑩, 王子木

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

近年來,折射率的精準(zhǔn)測量在食品、大氣污染、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響[1-3]。與傳統(tǒng)的電子或化學(xué)技術(shù)的折射率傳感器相比,基于光纖傳感器的折射率測量由于體積小、容易制作、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注[4]。截至目前,各種光纖折射率傳感器已經(jīng)通過不同的方法實(shí)現(xiàn),包括干涉儀、表面等離子體共振(SPR)、光纖布拉格光柵(FBGs)、共振耦合等。由于光子晶體光纖具有周期性排列的空氣孔,可以根據(jù)需求改變空氣孔結(jié)構(gòu),大大提高了設(shè)計(jì)靈活性,因而許多光纖折射率傳感器通過使用光子晶體光纖來實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)[5]。由于空間光路的傳感器檢測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在不足,人們提出了許多基于馬赫-曾德爾干涉儀的全光纖折射率傳感器[6]。

2018年,Tong等[7]提出了將一段PCF拼接在2段具有2個(gè)上錐的單模光纖(SMF)之間的MZI傳感結(jié)構(gòu),這2個(gè)上錐體分別作為分束器和耦合器。2019年,Gao等[8]提出了以熔融錐形技術(shù)形成的SMF-DWPCF-SMF傳感結(jié)構(gòu),2個(gè)腰作為MZI的分束器和耦合器。2021年,Wu等[9]提出了一種新型雙光子晶體光纖(DPCF)與2個(gè)單模光纖結(jié)構(gòu)的MZI,并在2個(gè)光子晶體的融合點(diǎn)上增加一個(gè)突變錐度,提高傳感器的折射率靈敏度,2個(gè)光子晶體光纖空氣孔的折疊區(qū)域作為分束器和合成器。實(shí)驗(yàn)分析表明,在1.330～1.383,其靈敏度為152.97 nm/RIU。雖然這些結(jié)果證明了基于PCF的MZI測量折射率的可能性,但也存在一些問題,如靈敏度低、重復(fù)性低、穩(wěn)定性差等。

本文將單模光纖和光子晶體光纖分別錯(cuò)位熔接,形成一個(gè)新的Z型SPS折射率傳感結(jié)構(gòu)。錯(cuò)位熔接提高了光耦合能力和分束效能。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)可控的流體通量控制器,該通量控制結(jié)構(gòu)比起傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作更加簡單且容易清潔。該流體通量控制器底座設(shè)有一個(gè)進(jìn)口,上蓋設(shè)有一個(gè)出口。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用注射器在下面的進(jìn)口中注入不同濃度的液體來改變被測環(huán)境的折射率,測量一組值之后,再向入口中注入去離子水將之前的液體排到上蓋的出口處。待清洗干凈后,重復(fù)操作,并記錄對應(yīng)的光譜圖。通過軟件作圖,可以發(fā)現(xiàn)波長漂移與折射率的關(guān)系,測試范圍在1.339～1.347,折射率靈敏度達(dá)到169.639 28 nm/RIU。

1 傳感結(jié)構(gòu)與原理

本文設(shè)計(jì)的SPS型光纖折射率傳感器由單模光纖和光子晶體光纖分別錯(cuò)位熔接構(gòu)成,熔接點(diǎn)因高溫會產(chǎn)生塌陷,塌陷區(qū)域可作為該傳感器的耦合器和分束器[10]。由于是錯(cuò)位熔接,單模光纖發(fā)出的光更容易進(jìn)入到光子晶體的包層中,提高了傳感效率[11-12]。圖1為傳感器結(jié)構(gòu)圖,寬帶光源發(fā)出的光由單模光纖的纖芯端進(jìn)入,光經(jīng)過第一個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)時(shí)會被分為2個(gè)部分,一部分被激發(fā)成包層模式在光子晶體光纖的包層中向前傳輸,另一部分將沿著光子晶體光纖的纖芯向前傳播,這樣當(dāng)2束光在第二個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)處相遇時(shí)會發(fā)生耦合,形成Mach-Zehnder干涉[13-14]。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sensor structure diagram

傳輸過程中纖芯和包層中2束光的干涉方程為

其中:I是輸出光的總強(qiáng)度;I1,I2分別為纖芯和包層模中的光強(qiáng);φ代表相位差;λm是第m級干涉的中心波長;L是干涉長度;Δn代表了PCF包層與纖芯有效折射率的差值。

(3)

從式(3)可知,Δλm會受到L和Δn值的變化影響。在L保持不變時(shí),Δλm與Δn的變化具備線性關(guān)系。外界RI發(fā)生變化時(shí)主要影響包層的折射率,纖芯的折射率基本不會變化。因此,當(dāng)外界環(huán)境折射率變化時(shí)對應(yīng)的干涉譜位移也會發(fā)生變化,所以可以通過漂移量來測量外界折射率[15]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為實(shí)驗(yàn)用到的折射率傳感系統(tǒng)裝置,使用的主要設(shè)備有ASE-C型寬帶光源;光譜解調(diào)模塊;光纖熔接機(jī);28E型單模光纖;5層空氣孔的非線性光子晶體光纖,如圖3所示。ASE-C型寬帶光源發(fā)出的寬譜光經(jīng)由傳感結(jié)構(gòu)后傳入光譜解調(diào)儀內(nèi),當(dāng)向液體通量控制器中通入不同濃度的液體時(shí),傳感結(jié)構(gòu)周圍的折射率隨之變化。因此,當(dāng)環(huán)境折射率改變時(shí)對應(yīng)的干涉光譜會發(fā)生變化,可以利用這個(gè)特點(diǎn)來測量外界的折射率。

圖2 折射率傳感系統(tǒng)裝置圖Fig.2 Diagram of refractive index sensor system

圖3 PCF橫截面圖Fig.3 Cross-section of PCF

2.2 傳感器探頭的制作

實(shí)驗(yàn)所用折射率傳感頭是由PCF與2根SMF分別錯(cuò)位熔接制成。

第1步 取一段長度合適的SMF,先用剝纖鉗將SMF的涂覆層剝掉,剝好的SMF用酒精棉片擦拭干凈,再將它平直放入光纖切割刀中切一個(gè)平整的端面以便熔接。將端面平整的SMF放入熔接機(jī)一端固定好后等待熔接。

第2步 取一段長度合適的PCF,將光子晶體光纖的涂覆層剝開后用酒精棉片擦拭干凈,再將它平直放入光纖切割刀中切割一個(gè)平整的端面,然后放入熔接機(jī)另一端夾持器上蓋好蓋子。通過手動調(diào)節(jié)左右馬達(dá)使SMF和PCF之間有一定的橫向偏移。在熔接過程中,控制放電電流為110 mA,預(yù)放電時(shí)間為50 ms,放電時(shí)間為2 000 ms。熔接好后,將PCF的另一端放入夾持器上,重復(fù)第1步在夾持器另一端放上SMF,調(diào)制好同樣的參數(shù)后進(jìn)行錯(cuò)位熔接。最終的熔接點(diǎn)在電子顯微鏡下的圖像如圖4所示,從圖4中可以看出右側(cè)錯(cuò)位為36.38 μm,左側(cè)錯(cuò)位為41.57 μm,PCF的長度為4.32 cm。

圖4 左右錯(cuò)位熔接圖Fig.4 Left and right dislocation weld diagram

第3步 將熔接好的Z型SPS傳感結(jié)構(gòu)連接光源和光譜儀后放入新型的NaCl溶液流量控制設(shè)備的凹槽內(nèi)固定好,然后用注射器注入不同濃度的NaCl溶液,并記錄各組干涉圖譜的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí),控制通入液體的速度,盡量讓液體緩慢流入,避免流體的應(yīng)力影響。此外,還應(yīng)保證液體容量能夠完全改變傳感器外部的折射率。每次RI測量后,用去離子水徹底沖洗玻片和傳感元件,確保進(jìn)行下一次測量前能夠恢復(fù)傳感元件原始的光譜模式。整個(gè)試驗(yàn)是在20±0.1 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行的,以確保外部環(huán)境中沒有溫度引起的干擾,從而不會以任何方式影響RI測量。

2.3 折射率測量裝置

本文設(shè)計(jì)的新型NaCl溶液流量控制設(shè)備如圖5所示。該結(jié)構(gòu)由底座和上蓋組成,底座上面有凹槽,不同濃度的鹽水可以通過底座進(jìn)入到凹槽中,每次實(shí)驗(yàn)后,向凹槽中通入去離子水讓鹽水從上蓋管子中流出。實(shí)驗(yàn)時(shí),注意通入液體的速度,避免速度太快對傳感結(jié)構(gòu)造成形變。此外,通入液體時(shí),控制好液體的容量能將傳感結(jié)構(gòu)完全浸入,從而更好地改變傳感結(jié)構(gòu)外部環(huán)境的折射率。該溶液流量控制結(jié)構(gòu)比起傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作更加簡便,且容易清洗。

圖5 可搭載光纖微流控制裝置實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of fiber microflow control device

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在溫度為20 ℃的條件下配置了濃度分別為3%,4%,5%,6%,7%,8%的NaCl溶液,利用阿貝折射計(jì)測量這些溶液的折射率,得出數(shù)據(jù)見表1。實(shí)驗(yàn)應(yīng)保證每做完一次實(shí)驗(yàn)后都對流量控制裝置和傳感探頭進(jìn)行清潔,干燥處理后再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

表1 NaCl溶液濃度與折射率的關(guān)系Table 1 Relationship between NaCl solution concentration and refractive index

在20 ℃下,經(jīng)過阿貝折射儀的測量,3%,4%,5%,6%,7%,8%濃度的待測鹽水所對應(yīng)的折射率分別為1.339 1, 1.341 0, 1.342 5, 1.343 9, 1.345 8, 1.346 9。將NaCl溶液通入流量控制裝置的凹槽內(nèi),并記錄下對應(yīng)的光譜圖,如圖6所示。

圖6 不同濃度的干涉光譜圖Fig.6 Interference spectra of different concentrations

為了方便觀察,將波長1 550 nm左右的光譜放大,如圖7所示。由光譜解調(diào)儀采集到的數(shù)據(jù),可以找到諧振谷波長與NaCl溶液濃度的關(guān)系。在中心波長1 550 nm左右找到了3%,4%,5%,6%,7%,8%濃度的NaCl對應(yīng)的諧振谷波長分別為1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根據(jù)這些對應(yīng)關(guān)系得到了諧振谷波長與溶液濃度之間的關(guān)系,可以看出隨著濃度的增加對應(yīng)的波谷有明顯的紅移。

圖7 波長1 550 nm處放大的光譜圖Fig.7 Magnified spectra at wavelength 1 550 nm

通過之前測量的溶液濃度和折射率的關(guān)系,同樣可以找到諧振谷波長與外界折射率之間的關(guān)系。在中心波長1 550 nm左右找到了折射率為1.339 1,1.341 0,1.342 5,1.343 9,1.345 8,1.346 9對應(yīng)的諧振谷波長分別為1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根據(jù)這些對應(yīng)關(guān)系,利用軟件進(jìn)行擬合可以得到諧振谷波長與外界折射率的關(guān)系,如圖8所示。線性擬合度達(dá)到0.986。當(dāng)折射率在1.339～1.347變化時(shí),折射率靈敏度為169.6392 8 nm/RIU。

圖8 諧振谷波長和折射率之間的關(guān)系Fig.8 Relation between the wavelength of resonant valley and refractive index

4 結(jié) 論

為了提高光纖折射率傳感器的靈敏度和可操作性,本文設(shè)計(jì)了一種Z型SPS光纖折射率傳感結(jié)構(gòu),將單模光纖與光子晶體光纖分別錯(cuò)位熔接,左側(cè)和右側(cè)錯(cuò)位分別為41.57和36.38 μm,提高了光耦合和分束效果。實(shí)驗(yàn)中使用新型NaCl溶液通量控制裝置來改變周圍環(huán)境的折射率,用光譜解調(diào)儀觀察光譜隨外界折射率的變化并進(jìn)一步擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)折射率在1.339～1.347變化時(shí),折射率靈敏度為169.639 28 nm/RIU。