同時(shí)測(cè)量溫度與折射率的細(xì)芯錐形光纖傳感器*

陳海林，江 超，郭小珊，申萬(wàn)梅，陶武強(qiáng)，李 宏

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

全光纖干涉儀傳感器因結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、制作容易、結(jié)構(gòu)重復(fù)性好等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[1－2]。利用“單模光纖－多模光纖－單模光纖”(single mode fiber-multimode fiber-single mode fiber，SMS)拼接構(gòu)成的光纖干涉儀傳感器被開發(fā)出來(lái)，而且大量類似SMS結(jié)構(gòu)的光纖傳感器也被提出[3－10]。SMS 結(jié)構(gòu)傳感器一般具有尺寸小、成本低、魯棒性好、靈敏度高、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，但SMS 結(jié)構(gòu)有時(shí)要用到價(jià)格較貴的特種光纖，拼接參數(shù)難以精確控制，結(jié)構(gòu)重復(fù)性稍差。錐形光纖的纖芯與包層尺寸很小，它表面的倏逝場(chǎng)極易受到外部環(huán)境參量的影響，利用錐形光纖制作的傳感器靈敏度更高。近年來(lái)，一些研究者對(duì)SMS 結(jié)構(gòu)再進(jìn)行拉錐，提高了傳感器的靈敏度，縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間[11－14]。細(xì)芯光纖具有更小的纖芯直徑，傳輸光受約束的范圍更小，細(xì)芯光纖構(gòu)成的干涉儀傳感器也得到了關(guān)注[15－18]。細(xì)芯光纖拉錐后，光纖中傳輸?shù)哪Ｊ脚c環(huán)境參量作用增強(qiáng)，增大了對(duì)環(huán)境參量的敏感性，提高了測(cè)量靈敏度[17－18]。本文利用單模光纖、無(wú)芯光纖、細(xì)芯光纖拼接了一款類似于SMS 的結(jié)構(gòu)，并且對(duì)結(jié)構(gòu)中細(xì)芯光纖進(jìn)行精準(zhǔn)拉錐，得到一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的馬赫－澤德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer，MZI)傳感器，該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境溫度與折射率進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，消除了交叉敏感。與文獻(xiàn)[17－18]相比，設(shè)計(jì)的傳感器采用了無(wú)芯光纖進(jìn)行耦合，沒(méi)有采用CO2激光器對(duì)細(xì)芯光纖進(jìn)行周期性拉錐，而是采用光纖熔接機(jī)的拉錐功能對(duì)細(xì)芯光纖進(jìn)行精準(zhǔn)拉錐，制作相對(duì)簡(jiǎn)單些。同時(shí)，與沒(méi)有拉錐的SMS 結(jié)構(gòu)相比[7，19]，傳感器的折射率靈敏度提高了不少，溫度靈敏度與類似結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀溫度傳感器相當(dāng)[4－5]。設(shè)計(jì)的傳感器拼接容易、集成度高、折射率靈敏度高，在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中有一定的應(yīng)用前景。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理分析

傳感器制作需要用到三種光纖，均由武漢長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司生產(chǎn):(1)普通單模光纖(single mode fiber，SMF)，纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm；(2)細(xì)芯光纖(thin core fiber，TCF)，纖芯直徑為3.8 μm，包層直徑為125 μm；(3)無(wú)芯光纖(no-core fiber，NCF)，包層直徑為125 μm。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，傳感器制備需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟:

圖1 光纖拼接拉錐構(gòu)成的MZI 示意圖與光路圖

第一步，幾種光纖拼接構(gòu)成MZI 結(jié)構(gòu)。將上面幾種光纖按照“單模－無(wú)芯－細(xì)芯－無(wú)芯－單模”光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接。SMF 作為輸入與輸出端，NCF 起耦合作用，TCF 作為主要傳感元件。其中，兩邊起耦合作用的NCF 長(zhǎng)度控制為2 mm。TCF 長(zhǎng)度可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，把拼接結(jié)構(gòu)的一端連接寬帶光源，一端連接光譜分析儀，當(dāng)TCF 長(zhǎng)度分別為4 cm、5 cm、5.5 cm、6 cm、7 cm 時(shí)獲得圖2 所示的透射譜，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)TCF 長(zhǎng)度為5.5 cm 時(shí)，MZI透射譜具有更好的條紋顯示度。最終制備的MZI中TCF 長(zhǎng)度為5.5 cm。

圖2 MZI 中細(xì)芯光纖取不同長(zhǎng)度時(shí)的透射譜

第二步，對(duì)拼接好的MZI 中的TCF 進(jìn)行拉錐。采用日本藤倉(cāng)公司生產(chǎn)的大芯徑多功能光纖熔接機(jī)(型號(hào)為FSM－100P＋)的拉錐功能對(duì)TCF 進(jìn)行拉錐。將MZI 中間部分的TCF 固定在FSM－100P＋中，調(diào)節(jié)好光纖位置，將FSM－100P＋設(shè)置為拉錐模式。拉錐參數(shù)設(shè)置為:拉錐后腰部直徑40 μm，腰部直錐體長(zhǎng)度為4 mm，左右兩邊的錐形部分長(zhǎng)度為5 mm[13]。設(shè)定好拉錐程序后，對(duì)TCF 進(jìn)行拉錐。當(dāng)TCF 的錐形參數(shù)拉制成功后，傳感器結(jié)構(gòu)制備完成。

圖3 為拉錐的MZI 和未拉錐的MZI 的透射光譜在1 300 nm～1 600 nm 之間的對(duì)比圖，從圖3 中發(fā)現(xiàn)未拉錐的透射光譜諧振峰較少，條紋間隔較大。經(jīng)過(guò)拉錐之后，由于TCF 的包層和纖芯尺寸變小，增強(qiáng)光纖干涉條件，因此在透射光譜中出現(xiàn)更多敏感的諧振峰。圖4 為拉錐MZI 傳感器在1 350 nm～1 500 nm 之間的初始透射譜，后面實(shí)驗(yàn)選擇間隔比較大的波谷Dip 1 與Dip 2 來(lái)研究傳感器的特性。

圖3 拉錐的MZI 和未拉錐的MZI 的透射譜

由圖4 的傳感器光譜圖經(jīng)傅里葉變換得到圖5的傳感器空間頻譜圖，其中基模與第1 階包層模式在光譜功率成分中所占比重最大，它們對(duì)光譜的形成起主要作用。其余十多個(gè)高階模式，在光譜成分中所占比重較小，對(duì)光譜形成有一定的貢獻(xiàn)。說(shuō)明傳感器光譜是多模干涉形成的。

圖4 傳感器的透射譜

圖5 傳感器的頻譜圖

光在傳感器中傳輸?shù)墓饴啡鐖D1 所示，在傳感器中起主要作用的是細(xì)芯光纖，兩邊的無(wú)芯光纖起耦合作用。當(dāng)光場(chǎng)傳播到輸入單模光纖與無(wú)芯光纖的熔接截面時(shí)，由于芯徑不匹配，在熔接處激發(fā)出多個(gè)光模式，這些激發(fā)的模式又耦合進(jìn)細(xì)芯光纖中傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)芯光纖錐形部分，一部分沿著細(xì)芯光纖纖芯傳輸，一部分沿著細(xì)芯光纖包層傳輸，兩路光進(jìn)一步被約束，纖芯中光繼續(xù)傳播，包層光進(jìn)一步被約束在包層內(nèi)外表面?zhèn)鞑?，兩路光形成光程差，最后?jīng)過(guò)無(wú)芯光纖耦合進(jìn)輸出單模光纖產(chǎn)生干涉，構(gòu)成一個(gè)MZI。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)由細(xì)芯光纖中傳輸?shù)膬蓚€(gè)主要模式引起的光程差形成干涉，設(shè)細(xì)芯光纖的纖芯模為L(zhǎng)Pμ和包層模為L(zhǎng)Pν，則LPμ與LPν的相位差φμ，ν:

式中:λ為自由空間光波波長(zhǎng)，Δneff為細(xì)芯光纖中纖芯模和包層模有效折射率之差，L為細(xì)芯光纖長(zhǎng)度。當(dāng)相位差滿足干涉條件時(shí)，依據(jù)公式(1)可得干涉儀透射波m階諧振峰波谷波長(zhǎng):

當(dāng)傳感器的外界參量波動(dòng)時(shí)，會(huì)使傳感器中Δneff和L發(fā)生一定的微小變化，依據(jù)公式(2)，將引起傳感器λm發(fā)生漂移。因此考察λm的漂移量，能夠解調(diào)出溫度或折射率等環(huán)境參量的值。還可以利用公式(2)估算傳感器的溫度或折射率靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度實(shí)驗(yàn)

利用管式爐進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)研究，圖6 為溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置圖。主要包括光纖固定平臺(tái)、寬帶光源(broadband light source，BBS)、光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)、精密可控溫度爐等主要設(shè)備。BBS 為自發(fā)輻射光源，光譜范圍1 250 nm～1 650 nm；OSA 采用日本橫河公司生產(chǎn)的AQ6370D，測(cè)量范圍600 nm～1 700 nm，精度±0.1 nm。管式爐為合肥科晶公司生產(chǎn)，具有較好的溫度穩(wěn)定性，管內(nèi)部的溫度場(chǎng)特別穩(wěn)定，溫度可控。

圖6 傳感器溫度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

①選擇波谷Dip 1 與Dip 2 進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)。調(diào)整控溫程序，使溫度爐溫度從20 ℃到150 ℃，溫度升降步長(zhǎng)為10 ℃，每改變一次溫度記錄一次傳感器透射譜。在每個(gè)記錄點(diǎn)保持溫度10 min 不變，然后記錄保存相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)。然后控制溫度爐使溫度從150 ℃到20 ℃，按照上面方法進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)。

圖7 為傳感器透射譜中波谷Dip 1 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，透射譜的諧振峰產(chǎn)生紅移。對(duì)波谷Dip 1 的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.990 2，表明波谷Dip 1 的中心波長(zhǎng)漂移量與環(huán)境溫度之間有極好的線性關(guān)系，波谷Dip 1 的溫度靈敏度為33.63 pm/℃。當(dāng)溫度從150 ℃降低到20 ℃時(shí)，獲得相同的變化與擬合曲線。圖8 為傳感器透射譜中波谷Dip 2 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，透射譜的諧振峰也產(chǎn)生紅移。對(duì)波谷Dip 2 的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.994 0，表明波谷Dip 2 的中心波長(zhǎng)漂移量與環(huán)境溫度之間也有極好的線性關(guān)系，波谷Dip 2 的溫度靈敏度為25.8 pm/℃。當(dāng)溫度從150 ℃降低到20 ℃時(shí)，獲得相同的變化與擬合曲線。因此能夠采用波長(zhǎng)調(diào)制解調(diào)法測(cè)量環(huán)境溫度。與文獻(xiàn)[4－5]的光纖干涉儀溫度傳感器相比，傳感器的溫度靈敏度提高了近2 倍。

圖7 波谷Dip 1 的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化圖與擬合圖

圖8 波谷Dip 2 的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化圖與擬合圖

②選擇波谷Dip 3 進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)。調(diào)整控溫程序，使溫度爐溫度從150 ℃到500 ℃，溫度升降步長(zhǎng)為50 ℃～100 ℃，每改變一次溫度記錄一次傳感器透射譜。在每個(gè)記錄點(diǎn)保持溫度10 min 不變，然后記錄保存相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)。然后控制溫度爐使溫度從500 ℃到150 ℃，按照上面方法進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)。

圖9 為傳感器透射譜中波谷Dip 3 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，透射譜諧振峰產(chǎn)生紅移。對(duì)波谷Dip 3 的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.973 6，表明波谷Dip 3 的中心波長(zhǎng)漂移量與環(huán)境溫度之間有較好的線性關(guān)系，波谷Dip 3 的溫度靈敏度為23.4 pm/℃。當(dāng)溫度下降時(shí)獲得相同的變化與擬合曲線。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過(guò)500 ℃時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)出焦味、變形嚴(yán)重，溫度無(wú)法再增加，說(shuō)明光纖拉錐以后承受高溫能力會(huì)變差。另外，高溫時(shí)擬合的線性度稍低，但溫度靈敏度基本與低溫的相近。因此能夠采用傳感器來(lái)測(cè)量低于500 ℃的環(huán)境溫度。

圖9 波谷Dip 3 的中心波長(zhǎng)在高溫時(shí)的變化圖與擬合圖

2.2 折射率實(shí)驗(yàn)

折射率實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖10 所示，傳感器輸入端接寬帶光源，輸出端接光譜分析儀。傳感器兩端用光纖夾持器固定使其處于拉直狀態(tài)，傳感頭浸沒(méi)在水槽溶液內(nèi)。采用不同濃度的蔗糖溶液來(lái)進(jìn)行折射率實(shí)驗(yàn)研究，不同的蔗糖濃度可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式換算為不同的折射率。在實(shí)驗(yàn)前，用蒸餾水把水槽清洗干凈，確保無(wú)其他成分的折射率干擾實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將配制好的蔗糖溶液注入水槽中使傳感頭完全浸沒(méi)，等待約2 min，待光譜穩(wěn)定以后記錄數(shù)據(jù)。每次測(cè)量后，利用蒸餾水和無(wú)水乙醇對(duì)水槽和傳感頭進(jìn)行清洗，清洗干凈后再注入其他濃度的蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按照上面步驟完成所有折射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖10 傳感器折射率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖11 為傳感器透射譜中波谷Dip 1 隨折射率的變化圖與擬合圖。從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于波谷Dip 1，隨著折射率增大，諧振峰藍(lán)移。當(dāng)蔗糖溶液折射率發(fā)生變化時(shí)，中心波長(zhǎng)隨折射率線性變化，線性擬合度R2＝0.986 1，折射率靈敏度達(dá)到－135 nm/RIU(RIU 為refractive endex unit 的縮寫)。

圖11 波谷Dip 1 的中心波長(zhǎng)隨折射率的變化圖與擬合圖

圖12 為傳感器透射譜中波谷Dip 2 隨折射率的變化圖與擬合圖。從圖12 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于波谷Dip 2，隨著折射率增大，諧振峰藍(lán)移。當(dāng)蔗糖溶液折射率發(fā)生變化，中心波長(zhǎng)隨折射率線性變化，線性擬合度R2＝0.976 6，折射率靈敏度達(dá)到－80.29 nm/RIU。因此也可以采用波長(zhǎng)調(diào)制解調(diào)法測(cè)量外界折射率。與文獻(xiàn)[19]相比較，由于細(xì)芯光纖被拉錐，傳感器的折射率靈敏度提高了2 倍多。

圖12 波谷Dip 2 的中心波長(zhǎng)隨折射率的變化圖與擬合圖

2.3 雙參量同時(shí)測(cè)量分析

以上分別研究了傳感器的溫度與折射率特性，結(jié)果表明隨著環(huán)境溫度與折射率變化，傳感器透射譜諧振峰波谷的中心波長(zhǎng)線性漂移。選擇傳感器諧振峰波谷Dip 1 與Dip 2 的低溫靈敏度與折射率靈敏度來(lái)構(gòu)建傳輸矩陣，能夠完成溫度與折射率的在線同時(shí)測(cè)量，避免交叉敏感。設(shè)傳感器波谷Dip 1 與Dip 2 的中心波長(zhǎng)分別為λ1和λ2，當(dāng)環(huán)境溫度與折射率均發(fā)生變化時(shí)，會(huì)同時(shí)影響到波谷Dip 1 與Dip 2 的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。設(shè)Δλ1和Δλ2分別為兩個(gè)中心波長(zhǎng)的漂移量，ΔT為環(huán)境溫度變化量，Δn為外界折射率變化量，α1和α2分別為Dip 1 與Dip 2 的溫度靈敏度，β1和β2分別為Dip 1 與Dip 2 的折射率靈敏度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得α1＝33.63 pm/℃，α2＝25.8 pm/℃，β1＝－135 nm/RIU，β2＝－80.29 nm/RIU，根據(jù)矩陣?yán)碚?，可得矩陣[19]:

對(duì)矩陣(3)求逆矩陣得到測(cè)量的溫度與折射率值。

3 結(jié)論

基于馬赫－則德?tīng)柛缮嬖恚O(shè)計(jì)了一款多參量測(cè)量光纖傳感器。傳感器由單模光纖、無(wú)芯光纖、細(xì)芯光纖等幾種不同光纖拼接而成，利用大芯徑多功能熔接機(jī)對(duì)傳感器中的細(xì)芯光纖進(jìn)行了拉錐，提高了傳感器的折射率靈敏度。通過(guò)研究傳感器透射譜與環(huán)境溫度和折射率之間的變化關(guān)系，完成了溫度與折射率的雙參量同時(shí)測(cè)量，獲得了較高的測(cè)量靈敏度，消除了交叉敏感。設(shè)計(jì)的傳感器尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、制作容易、靈敏度較高、結(jié)構(gòu)重復(fù)性好，在生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。