基于磁流體包覆微納光纖布拉格光柵的磁場(chǎng)傳感特性研究*

聶力遠(yuǎn)，吳 越，邵明臣，楊宇亮，羅海梅，王昌晶，祝遠(yuǎn)鋒

(江西師范大學(xué)江西省光電子與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022)

光纖磁場(chǎng)傳感器因其具有安全性好、靈敏度高、響應(yīng)快、體積小以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-2]。磁流體是一種具有多種磁光效應(yīng)的納米材料，比如其折射率可由磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，其透射率以及雙折射隨磁場(chǎng)而變化，此外，還包括法拉第效應(yīng)等[3-4]，這些效應(yīng)在近年來都被應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量的研究中[5-9]。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)作為一種基本光纖元件，在光通信和多波長(zhǎng)光纖激光器中得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。傳統(tǒng)的FBG在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)中制作，其光能量被限制在光纖纖芯中且折射率調(diào)制深度在整個(gè)FBG的長(zhǎng)度內(nèi)是均勻的，這就使得其反射波長(zhǎng)不易受到環(huán)境折射率的影響從而無法應(yīng)用于高靈敏度的光纖傳感領(lǐng)域。2019年梁星等人提出了一種在5.0 mT~20.0 mT磁場(chǎng)范圍內(nèi)靈敏度為34.9 pm/mT的磁流體包覆薄包層FBG的磁場(chǎng)傳感器[13]，但是這種傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量范圍較小。微納光纖布拉格光柵(microfiber Bragg grating，MF-BG)是一種直徑在微米或納米量級(jí)的光波導(dǎo)器件，相比于普通的FBG，MF-BG具有倏逝場(chǎng)傳播易受環(huán)境折射率變化影響的特點(diǎn)[14]，從而可將外界折射率變化轉(zhuǎn)化為反射波長(zhǎng)的漂移，因此被應(yīng)用于液體乃至氣體的折射率傳感[15]。目前，MF-BG應(yīng)用于不同環(huán)境折射率傳感的理論和技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外光纖傳感研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[16]。本文在對(duì)MF-BG折射率傳感特性進(jìn)行系統(tǒng)理論研究的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)制備了不同直徑的MF-BG，實(shí)現(xiàn)了基于磁流體包覆的MF-BG高靈敏度磁場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)在線測(cè)量，為MF-BG折射率傳感器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及應(yīng)用提供了參考。

1 理論分析

根據(jù)布拉格光柵理論，布拉格波長(zhǎng)λB可表示為[17]:

式中:neff和Λ分別表示MF-BG的有效折射率和周期。當(dāng)Λ不變，λB將隨neff線性變化。單模光纖中基模的有效折射率可表示為[18]:

經(jīng)過高斯場(chǎng)近似和有限元分析可將上式簡(jiǎn)化得到U和V有如下關(guān)系[19-20]:

將式(4)代入到式(2)中，neff進(jìn)一步可表示為:

實(shí)際上，式中的nco和k0為常數(shù)，所以neff成為r和ncl的函數(shù)。在我們這個(gè)模型中，r其實(shí)就是近似為MF-BG的半徑，而ncl為MF-BG外包層也就是磁流體包層的有效折射率。結(jié)合式(1)，我們可以知道λB隨著MF-BG的半徑和環(huán)境折射率改變而改變[21]，MF-BG的中心波長(zhǎng)λB隨環(huán)境折射率(surrounding refractive index，SRI)變化的響應(yīng)靈敏度可用下式表示:

為了概括不同尺寸MF-BG對(duì)于環(huán)境折射率的響應(yīng)靈敏度，計(jì)算了工作波長(zhǎng)為1 550 nm時(shí)，直徑為3μm~25μm的MF-BG其neff在環(huán)境折射率由1.30增加至1.45過程中的數(shù)值變化情況，結(jié)果如圖1所示。MF-BG的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:微納光纖的折射率為1.450 5，布拉格光柵的周期Λ＝0.535 1μm，光柵區(qū)長(zhǎng)度L＝5 mm，光柵為均勻光柵。從圖1我們可以看出，當(dāng)折射率在1.30附近時(shí)，MF-BG中的導(dǎo)?；颈幌拗圃谖⒓{光纖中，因而受到外界環(huán)境折射率的影響非常小，隨著環(huán)境折射率的增大，光纖導(dǎo)模逐漸擺脫光纖區(qū)域的限制同時(shí)和外界介質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，從而使得MF-BG的折射率對(duì)環(huán)境折射率的響應(yīng)靈敏度非線性增加。另外，隨著光纖直徑減小，導(dǎo)模模場(chǎng)與環(huán)境介質(zhì)的相互作用逐漸增強(qiáng)，所以MF-BG的響應(yīng)靈敏度也隨之增大。

圖1 不同直徑MF-BG有效折射率隨環(huán)境介質(zhì)折射率的變化

根據(jù)式(6)，布拉格波長(zhǎng)λB對(duì)環(huán)境折射率的變化和neff呈現(xiàn)同一變化規(guī)律。圖2描述了不同直徑MF-BG的有效折射率對(duì)SRI變化的響應(yīng)靈敏度，圖中曲線證明當(dāng)SRI趨近于微納光纖的有效折射率時(shí)，其響應(yīng)靈敏度迅速增大。

圖2 不同直徑MF-BG的n eff對(duì)于SRI的響應(yīng)靈敏度

2 傳感器制備和實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 MF-BG的制備

利用氫氧焰加熱的方法制備了不同尺寸的基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的微納光纖。首先，將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的涂覆層去掉后將其兩端分別固定在一對(duì)夾具上，這對(duì)夾具可由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；然后，將單模光纖中剝?nèi)ネ扛矊拥哪且欢畏胖迷跉溲跹嬷羞M(jìn)行加熱至熔融狀態(tài)；接著，啟動(dòng)電機(jī)控制夾具以大約0.16 mm/s的速度對(duì)單模光纖進(jìn)行緩慢拉伸。通過控制火焰高度以及拉伸的時(shí)長(zhǎng)，我們獲得了直徑在10μm范圍內(nèi)的不同粗細(xì)的微納光纖。

利用紫外光穿過周期為535 nm的光柵掩模板對(duì)制備好的微納光纖進(jìn)行照射。圖3所示為MF-BG的實(shí)驗(yàn)制備和在線測(cè)量示意圖。波長(zhǎng)為248 nm能量為15 mJ的KrF被用作照射的紫外光光源，在紫外光照射過程中微納光纖緊貼著光掩模版。紫外光照射時(shí)長(zhǎng)大約10 min，掃描速度為1 mm/min。被照射的微納光纖一端通過一個(gè)1×2光纖耦合器連接到一個(gè)波長(zhǎng)范圍為1 200 nm~1 700 nm的寬譜光源(Broadband Light Source，BBS)，光源經(jīng)過MF-BG的反射光被耦合到光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)，從而可以測(cè)量MF-BG的反射光譜；被照射的微納光纖的另一端連接了一個(gè)光衰減器，用來防止光纖產(chǎn)生的端面反射。

圖3 MF-BG刻寫與在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4(a)~(c)為掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)拍攝的直徑分別為3.94μm、6.47μm和9.24μm的MF-BG，從圖中可以看出三根MF-BG的布拉格光柵區(qū)域都顯示出均勻的直徑分布和光滑的光纖表層。圖4(d)為不同直徑MG-BG的反射譜，根據(jù)理論分析，隨著微納光纖直徑變小，光柵的布拉格波長(zhǎng)將向短波長(zhǎng)漂移。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)隨著光纖直徑減小，光柵的反射峰強(qiáng)度也隨之減小，這種現(xiàn)象可以解釋為光纖拉伸區(qū)域和未拉伸區(qū)域的數(shù)值孔徑不相匹配而造成的。另外，光纖直徑變小還會(huì)導(dǎo)致光柵的反射光譜變得不規(guī)則，出現(xiàn)許多側(cè)峰，所以盡管MF-BG直徑越小對(duì)外界環(huán)境的折射率變化越敏感，我們還是選擇直徑為9.24μm的MF-BG進(jìn)行后面的電磁場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖4 MF-BG的SEM照片及反射譜曲線

2.2 磁流體包覆MF-BG磁場(chǎng)傳感器

本文基于磁流體的MF-BG磁場(chǎng)傳感器是利用磁流體的折射率會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化而發(fā)生改變的光學(xué)特性，來實(shí)現(xiàn)對(duì)其包覆的MF-BG的前向傳輸纖芯模式與后向傳輸纖芯模式之間的耦合特性進(jìn)行調(diào)諧，從而制作成布拉格波長(zhǎng)隨外界磁場(chǎng)改變而漂移的磁場(chǎng)傳感器。該傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，MF-BG的光柵區(qū)域用毛細(xì)管套住，采用針管注入的方法將磁流體注入到毛細(xì)管將MF-BG光柵部分全部包覆。磁流體包覆的MF-BG的一端依舊經(jīng)過一個(gè)耦合器連接至BBS，其反射光譜通過OSA來進(jìn)行觀察。外加磁場(chǎng)由一個(gè)電磁鐵提供，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向垂直于MF-BG，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍為0 mT到160 mT，由一個(gè)平行于MF-BG放置的高斯計(jì)來標(biāo)定。

圖5 磁流體包覆MF-BG磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

我們用Pu等人[22]提出的光纖端面后向反射法來測(cè)量磁流體在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的折射率。利用一個(gè)3 dB的“X”型光纖耦合器將波長(zhǎng)為1 550 nm的激光器產(chǎn)生的入射光耦合至平切的探測(cè)光纖端面，并將此探測(cè)光纖端面浸入到磁流體樣品中，端面的反射光經(jīng)由耦合器被光功率計(jì)采集，該光功率計(jì)的讀數(shù)取決于磁流體樣品和探測(cè)光纖的折射率。當(dāng)室溫為20℃，工作波長(zhǎng)為1 550 nm，我們測(cè)得的密度為1.2 g/mL的水基磁流體樣品的折射率隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化如圖6所示。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度由0 mT變化至160 mT，磁流體的折射率由1.447減小至1.425，最大變化量為0.022。

圖6 磁流體折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過OSA觀察到的磁流體包覆MF-BG磁場(chǎng)傳感器隨外加磁場(chǎng)變化的反射譜如圖7所示:當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由0 mT開始逐漸增大至160 mT時(shí)，MF-BG的反射峰波長(zhǎng)逐漸向短波長(zhǎng)方向偏移。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 mT時(shí)，其反射峰波長(zhǎng)是1 550.17 nm，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加至40 mT，反射峰向短波長(zhǎng)方向偏移到1 548.72 nm，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值160 mT時(shí)，反射峰相較于無外加磁場(chǎng)時(shí)總共漂移了1.94 nm。

圖7 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁流體包覆MF-BG的反射譜曲線

為了更加直觀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在不同外加磁場(chǎng)作用下的反射峰波長(zhǎng)繪制擬合曲線，如圖8所示。

由圖8可以看出，外加磁場(chǎng)在0 mT~40 mT的范圍內(nèi)，其線性度為81.15%，在40 mT~160 mT的范圍內(nèi)，其線性度為94.83%。因此，可以利用這種局部范圍內(nèi)的高線性關(guān)系特性進(jìn)行環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感檢測(cè)，只不過對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度不同，在0 mT~40 mT和40 mT~160 mT范圍內(nèi)波長(zhǎng)靈敏度分別為36.2 pm/mT和3.6 pm/mT。

圖8 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁流體包覆MF-BG的反射譜曲線

3 結(jié)論

本文提出并制備了一種基于磁流體包覆的MF-BG的全光纖磁場(chǎng)傳感器，最高靈敏度達(dá)到約36.2 pm/mT，可以應(yīng)用于弱磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用氫氧焰拉錐技術(shù)獲得表面光滑且均勻的微納光纖，并對(duì)紫外光刻寫前后、磁流體填充前后的反射譜變化進(jìn)行分析，成功制備出一種靈敏度高、響應(yīng)速度快、線性度好的磁場(chǎng)傳感器，在弱磁場(chǎng)調(diào)制、化學(xué)微檢測(cè)以及地質(zhì)信息監(jiān)測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。