基于空芯光纖的復(fù)合雙腔光纖法珀鹽度傳感器

?；劾?，王 偉,，申佳鑫，黃 盼，栗曉爽

（1.西安工業(yè)大學(xué) 兵器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；3.西安冠華電子科技有限公司，陜西 西安 710089）

引 言

鹽度是重要的水體參數(shù)之一，也是監(jiān)測(cè)水質(zhì)的重要因素。鹽度測(cè)量在化學(xué)和生物分析、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程控制、季節(jié)性氣候預(yù)測(cè)、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和許多工業(yè)領(lǐng)域等[1-3]都起著重要的作用。

研究者與工程技術(shù)人員已提出多種測(cè)量鹽度的方法和技術(shù)，較為成熟的方法有折射率法[4]、電導(dǎo)率法[5]、表面等離子共振法[6]、硝酸銀滴定法[7]等。這些方法應(yīng)用范圍廣泛，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量精度高、信號(hào)易于處理和控制等優(yōu)點(diǎn)。但是，這些方法也存在著長(zhǎng)期穩(wěn)定性和互換性差的缺點(diǎn)，且表面等離子共振法的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本費(fèi)用較高，硝酸銀滴定法需要實(shí)驗(yàn)室分析或?qū)Νh(huán)境參數(shù)敏感，電導(dǎo)率法會(huì)易受到電磁干擾的影響[8-9]。

近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)快速發(fā)展，與傳統(tǒng)電學(xué)傳感技術(shù)相比有很多不可替代的優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、穩(wěn)定性好、適用惡劣環(huán)境、使用靈活等[10]。光纖傳感技術(shù)也被提出用于鹽度測(cè)量，目前光纖鹽度傳感測(cè)量技術(shù)主要為剝層光纖法和光纖光柵法：剝層光纖法是用一根多模光纖（單模光纖也可以，多模光纖會(huì)更好），剝?nèi)グ鼘雍捅Ｗo(hù)層，形成彎弧，浸入溶液中，通過(guò)測(cè)量折射率間接測(cè)量出鹽度[11]；光纖光柵也可用于鹽度測(cè)量[12]，光纖光柵作為傳感器是利用應(yīng)力-透射/反射光譜特性，即在應(yīng)力作用下，光纖光柵周期發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短，從而引起反射光譜中心波長(zhǎng)改變，實(shí)現(xiàn)傳感，當(dāng)將光纖產(chǎn)生應(yīng)力的敏感器件由鹽度敏感的材料做成，即為光纖光柵法鹽度測(cè)量傳感器?；谶@些光纖鹽度傳感測(cè)量技術(shù)原理，不同類(lèi)型的光纖鹽度傳感器也相繼被提出[13]，Cong等[14]制作了基于drogel涂層光纖布拉格光柵鹽度傳感器，Liu等[15]通過(guò)蝕刻涂覆層優(yōu)化了相同的結(jié)構(gòu)，獲得了約10.4 pm/%的靈敏度，并且制造復(fù)雜。2019年，Sun等[16]提出了基于光纖布拉格光柵（FBG）鹽度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究并獲得了-0.035 8 nm/%的靈敏度。盡管FBG傳感器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)并適合于長(zhǎng)期測(cè)量過(guò)程，但它們的靈敏度非常低。2020年，Lin等提出了一種基于單模光纖-單模光纖-無(wú)芯光纖-單模光纖-單模光纖（SSNSS）結(jié)構(gòu)的光纖鹽度傳感器，通過(guò)測(cè)量溶液折射率達(dá)到測(cè)量鹽度值，其靈敏度可以為-3.42 nm/%[17]，此方法測(cè)量鹽度的靈敏度有了一定的提高，但是存在制作復(fù)雜的問(wèn)題。因此，研究一種制作簡(jiǎn)單、靈敏度高的鹽度傳感器具有重要意義。

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于空芯光纖的單模光纖-空芯光纖-單模光纖（SMF-HCF-SMF）復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，由于通過(guò)HCF段空氣腔與SMF段介質(zhì)腔所對(duì)應(yīng)的反射光譜干涉信號(hào)的振幅之比對(duì)鹽度進(jìn)行測(cè)量，故可有效剔除光源功率起伏以及其他外部干擾的影響，實(shí)現(xiàn)鹽度的高靈敏度測(cè)量。

1 結(jié)構(gòu)與制作

所提出的基于空芯光纖的SMF-HCF-SMF復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器，由一段SMF、一段HCF和一段一定長(zhǎng)度的SMF構(gòu)成，如圖1所示。其中，R1為SMF段后端面與HCF段空氣腔前端面的界面反射率，R2為HCF段空氣腔后端面與一定長(zhǎng)度SMF段介質(zhì)腔前端面的界面反射率，R3為一定長(zhǎng)度SMF段介質(zhì)腔后端面與NaCl溶液的界面反射率。HCF部分長(zhǎng)度為幾十微米量級(jí)，其兩端的SMF端面相互平行構(gòu)成一個(gè)空氣腔，HCF右側(cè)SMF長(zhǎng)度為百微米量級(jí)，其兩個(gè)端面平行且垂直于SMF軸線，構(gòu)成一個(gè)介質(zhì)腔。

圖1 基于空芯光纖的復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of composite dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core Fiber

SMF-HCF-SMF結(jié)構(gòu)的復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器的基本制作流程如下。

步驟一：去除兩根單模光纖以及空芯光纖的端面附近的涂覆層后，使用光纖切割刀切除裸光纖的不平整端面，并做拋光處理，保證光纖端面絕對(duì)平整并嚴(yán)格垂直于光纖軸線；

步驟二：使用熔接機(jī)將一根切平端面的SMF與切平端面的HCF熔接；

步驟三：在光學(xué)顯微鏡下使用五維精密調(diào)節(jié)架精準(zhǔn)調(diào)節(jié)熔接之后的HCF在光纖切割刀刀口上的位置，切割出所需長(zhǎng)度空芯光纖；

步驟四：將此結(jié)構(gòu)再與另一根切平端面的SMF熔接，在顯微鏡下使用光纖切割刀切割得到所需長(zhǎng)度的SMF，形成SMF-HCF-SMF結(jié)構(gòu)的復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器。

根據(jù)上述制作方法，使用內(nèi)徑為75 μm，外徑為125 μm的空芯光纖與包層直徑為125 μm的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖制作了基于SMF-HCF-SMF結(jié)構(gòu)的法布里-珀羅光纖鹽度傳感器，如圖2所示，其中HCF部分構(gòu)成的空氣腔長(zhǎng)度為39 μm，SMF部分介質(zhì)腔腔長(zhǎng)為560 μm。

圖2 基于空芯光纖的復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器顯微圖Fig.2 Micrograph of compoud dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

2 鹽度傳感原理

復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器三個(gè)界面的反射率分別為

式中：nSMF為單模光纖折射率；nair為空芯光纖空氣腔折射率；nNaCl為NaCl溶液折射率。由于nSMF為1.468 2，nair為1，常溫下nNaCl通常介于1.33～1.38之間，故由式（1）和式（2）知復(fù)合雙腔三個(gè)界面的反射率遠(yuǎn)小于1，因此兩個(gè)法珀腔均可視為低細(xì)度法珀干涉儀。如果光譜功率密度為Ii(λ) 的寬帶光照射進(jìn)入該傳感器，干涉光可近似為

其中，

式中：I0(λ) 代表了基底光譜功率密度，其光譜形狀與光源一致；IHCF(λ) 、ISMF(λ) 和IHCF+SMF(λ)分別代表HCF段空氣腔、SMF段介質(zhì)腔以及HCF與SMF兩段所組成法珀腔前后界面的FP干涉信號(hào)光譜功率密度，F(xiàn)-P干涉信號(hào)均為幅值固定的余弦信號(hào)。式（5）與式（6）中IHCF(λ) 與ISMF(λ)的光譜功率密度振幅比為

由于nHCF和nair為常數(shù)，顯然，光譜功率密度振幅之比 η 僅為NaCl溶液折射率nNaCl的函數(shù)，與光源光譜無(wú)關(guān)，也不受光強(qiáng)擾動(dòng)的影響，并且在nNaCl變化較小時(shí)，與nNaCl成正比。參考前人研究所得NaCl溶液鹽度與其折射率nNaCl的正比關(guān)系[18]

式中S為鹽度?？芍?η 是NaCl溶液鹽度S的函數(shù)， η 的變化量與鹽度S變化量成正比關(guān)系。因此，通過(guò)獲取該復(fù)合雙腔法珀傳感器的反射光譜，計(jì)算得到HCF段介質(zhì)腔與SMF段空氣腔對(duì)應(yīng)光譜功率密度振幅比 η ，可以實(shí)現(xiàn)鹽度傳感測(cè)量。該測(cè)量結(jié)果不受光源功率起伏或外部擾動(dòng)引起光強(qiáng)變化的影響。

但是，由于復(fù)合雙腔法珀鹽度傳感器的反射光譜信號(hào)較為復(fù)雜，很難通過(guò)直接獲取光譜功率密度振幅的方式得到其比值 η ，為此結(jié)合傅里葉變換與濾波的方法進(jìn)行信號(hào)處理。首先，將由光譜儀獲取的反射光譜信號(hào)由波長(zhǎng)域變換至頻域，并通過(guò)插值處理，使之成為等頻率間隔的離散信號(hào)；然后，采用帶通濾波和反傅里葉變換分別獲取HCF段空氣腔和SMF段介質(zhì)腔對(duì)應(yīng)的頻域干涉信號(hào)；最后，獲取兩個(gè)頻率干涉信號(hào)的幅值，并計(jì)算得到其振幅比 η 。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證并測(cè)試所提出復(fù)合雙腔光纖鹽度傳感器的性能，搭建了如圖3所示的鹽度實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由寬帶光源、光纖環(huán)行器、復(fù)合雙腔光纖鹽度傳感器以及光譜分析儀（OSA）構(gòu)成。其中，寬帶光源為超輻射發(fā)光二極管（SLD），最大輸出功率5.7 mW，中心波長(zhǎng)1 568 nm，3 dB帶寬約為90 nm，輸出光譜為高斯型，如圖4所示。光譜分析儀（OSA）采用日本Anritsu公司生產(chǎn)的高精度光纖光譜分析儀（MS9740A），其光譜測(cè)量范圍為0.6～1.75 μm，最高波長(zhǎng)分辨率可達(dá)0.03 nm。復(fù)合雙腔光纖鹽度傳感器，通過(guò)光纖夾持器固定于機(jī)械升降臺(tái)上，并垂直伸入盛放于玻璃燒杯中不同配比的NaCl溶液里。實(shí)驗(yàn)中，NaCl溶液鹽度范圍為0%～24%。

圖3 復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of compound dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensing experimental system

圖4 SLD光源輸出光譜Fig.4 Output spectrum of the SLD

SLD光源發(fā)出的寬帶光，通過(guò)光纖環(huán)行器后，照射進(jìn)入復(fù)合雙腔光纖鹽度傳感器，其中部分光被傳感器空氣腔和介質(zhì)腔的三個(gè)界面反射并發(fā)生干涉，該部分反射光由光纖環(huán)形器2端口返回，并由3端口出射至光譜分析儀。通過(guò)光譜分析儀獲取的復(fù)合雙腔的反射光譜，進(jìn)行分析處理，獲取空氣腔和介質(zhì)腔光強(qiáng)對(duì)比度之比，從而得到鹽度信息。

室溫下，對(duì)鹽度間隔為3%、范圍為0%～24%的9組不同鹽度的NaCl溶液進(jìn)行了測(cè)量，鹽度為0%、12%、24%時(shí)的歸一化反射光譜如圖5所示。該反射光譜表現(xiàn)出了明顯的復(fù)合雙腔的光譜特征，為一個(gè)收到快速振蕩信號(hào)調(diào)制的緩變多峰干涉光譜。其中，緩變的多峰值干涉光譜來(lái)源于腔長(zhǎng)較短的HCF空氣腔，快速振蕩的光譜調(diào)制信號(hào)來(lái)源于腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的SMF介質(zhì)腔。可以看出，光譜峰峰間隔不受鹽度變化影響，鹽度變化影響主要體現(xiàn)在快速振蕩的光譜調(diào)制信號(hào)的幅值，即主要影響介質(zhì)腔的對(duì)比度大小，這與理論預(yù)期相符。通過(guò)測(cè)量介質(zhì)腔的光譜信號(hào)對(duì)比度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽度的監(jiān)測(cè)。

圖5 鹽度為0%、12%和24%時(shí)復(fù)合雙腔F-P鹽度傳感器的歸一化反射光譜Fig.5 Normalized reflection spectra of the dual-cavity F-P salinity sensor for three different salinity of 0%, 12%, and 24%.

不同鹽度NaCl溶液的反射光譜進(jìn)行傅里葉變換結(jié)果如圖6所示，共存在三個(gè)峰。峰1、峰2和峰3分別對(duì)應(yīng)39 μm的HCF段空氣腔、560 μm的SMF段介質(zhì)腔以及HCF與SMF共同構(gòu)成的F-P腔。從圖中亦可明顯觀測(cè)到NaCl溶液鹽度變化對(duì)反射光光譜功率密度振幅的影響。通過(guò)濾波處理并進(jìn)行反傅里葉變換，分別得到峰1和峰2對(duì)應(yīng)的干涉光譜信號(hào)，如圖7所示。顯然NaCl鹽度的變化，只影響光譜振幅，不改變干涉光譜的相位。通過(guò)獲取不同鹽度條件下，圖7（a）和（b）兩組干涉光譜的幅值并計(jì)算得到振幅比 η ，振幅比 η 與鹽度之間的關(guān)系曲線如圖8所示，兩者之間有著良好的線性關(guān)系，并且隨著鹽度的增大，振幅比 η 線性增大。通過(guò)線性擬合，可得其鹽度測(cè)量的靈敏度為0.101 %-1，對(duì)應(yīng)線性度R2為0.985 6。

圖6 傳感器空間頻域光譜Fig.6 Spatial frequency spectrum of the sensor

圖7 反傅里葉變換后余弦信號(hào)Fig.7 Cosine signal after inverse Fourier transform

圖8 基于空芯光纖的復(fù)合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器光強(qiáng)幅值比與鹽度關(guān)系曲線Fig.8 The relationship curve of light intensity amplitude ratio and salinity of composite dual cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于空芯光纖的SMF-HCFSMF復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，利用不同鹽度NaCl溶液引起的折射率變化對(duì)反射光譜干涉信號(hào)的影響，以及兩信號(hào)幅值之比與鹽度的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鹽度測(cè)量。采用精密切割與光纖熔接技術(shù)制備了HCF空氣腔長(zhǎng)度為39 μm和SMF介質(zhì)腔長(zhǎng)度為560 μm的復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，并進(jìn)行了鹽度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)合傅里葉變換、帶通濾波與反傅里葉變換的方法對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行處理，在0%～24%的鹽度范圍內(nèi)獲得了反射光譜信號(hào)振幅比與鹽度的良好線性關(guān)系，其測(cè)量靈敏度達(dá)到了0.101 %-1，該SMF-HCF-SMF復(fù)合雙腔法珀光纖鹽度傳感器具有易于制造、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。