硬塑料包層光纖構(gòu)成的多功能光纖傳感器

梁詩(shī)琪，龍?chǎng)螑?/p>

1.北京師范大學(xué)，廣東珠海，519087；2.北京科技大學(xué)，北京，100083

0 引言

光纖傳感器屬于新型傳感器，具有體積小、抗腐蝕等多種性能，可以進(jìn)行分布式測(cè)量，易于多用復(fù)用。光纖傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，功能越來越多，其構(gòu)成原理為Mach-Zehnder干涉，這類傳感器可以對(duì)環(huán)境溫度與折射率進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，且能對(duì)折射率的交叉敏感問題予以解決。因此，對(duì)于硬塑料包層光纖構(gòu)成的多功能光纖傳感器的研究具有重要的理論與實(shí)踐意義。本文就硬塑料包層光纖構(gòu)成的多功能光纖傳感器展開分析，探討其具體原理與構(gòu)造，并能指出優(yōu)勢(shì)，為其有效應(yīng)用提供支持。

1 傳感器的原理及構(gòu)成

硬塑料包層光纖（HPCF）的纖芯直徑相比于普通單模（SMF）的纖芯直徑要大，一般為200μm，HPCF在連接過程中在與SMF耦合時(shí)更具容易，損耗在傳輸過程中較低。同時(shí)包層在HOCF外面，厚度僅僅為30μm，當(dāng)在外界環(huán)境中暴露HPCF的包層時(shí)，外界溫度與折射率的變化將更為敏感。在本文研究中，所研究的光纖傳感器精度更高，且結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。SMFHPCF-SMF纖芯構(gòu)成的傳感器，其纖芯失配問題在SMF與HPCF耦合時(shí)產(chǎn)生，這樣就會(huì)讓MZI形成，所以在測(cè)量溫度與折射率時(shí)可以使用干涉儀構(gòu)成的光纖傳感器同時(shí)進(jìn)行。

1.1 原理

輸入SMF、HPCF等共同構(gòu)成光纖傳感器，輸入SMF輸入到HPCF時(shí)，就會(huì)由于二者的直徑不匹配，從而在HPCF的不同方向中傳播光。在HPCF纖芯內(nèi)，不同光模式傳播路徑不同，光程差的產(chǎn)生也會(huì)不同，干涉圖譜就會(huì)在輸出端形成。輸出諧波谷對(duì)應(yīng)的特征波長(zhǎng)可以按照光學(xué)基本原理進(jìn)行計(jì)算[1]。

光纖中傳播光時(shí)，既有纖模也會(huì)有包層模存在。HPCF的纖芯相對(duì)較大，包層厚度較薄，包層模倏逝場(chǎng)在塑料包層中，包層外的介質(zhì)中特別容易延伸出倏逝場(chǎng)，包層的有效折射率會(huì)受到環(huán)境折射率變化的影響，從而影響纖芯的有效折射率。對(duì)于輸出光譜的諧振峰值波長(zhǎng)隨外界折射率的變化關(guān)系如下：

外界環(huán)境溫度變化但其他量不變時(shí)，在光纖彈光與熱光效應(yīng)下，光纖纖芯與包層的有效折射率會(huì)隨和溫度的變化發(fā)生變化[2]。HPCF的包層薄，但是纖芯較厚，這時(shí)纖芯的有效折射率會(huì)受到外界環(huán)境溫度的影響，而包層的有效折射率會(huì)受到更大的影響。光譜諧振峰值波長(zhǎng)在外界環(huán)境溫度的變化下所呈現(xiàn)出的關(guān)系為：

對(duì)上面公式進(jìn)行整合，可以得到傳感器的測(cè)量系數(shù)矩陣：

按照光的干涉理論，干涉儀中諧振峰波谷的波長(zhǎng)在滿足相應(yīng)條件時(shí)，可以使用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

光纖纖芯與包層之間的應(yīng)變差可以使用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

纖芯與包層的有效折射率差可以使用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：k為應(yīng)變折射率系數(shù)。

干涉儀中諧振峰波谷的波長(zhǎng)可以表示為：

同時(shí)，也要確定傳感器的光強(qiáng)傳感參數(shù)，具體為：

1.2 傳感器的制作與透射譜測(cè)量

光纖為國(guó)內(nèi)某個(gè)公司生產(chǎn)的，選擇普通標(biāo)準(zhǔn)SMF，其中纖芯直徑、包層直徑分別為8.2μm、125μm；HPCF選擇HP2140-A，纖層直徑、包層分別為200μm、30μm。HPCF在電噪聲環(huán)境中適應(yīng)性較強(qiáng)，其構(gòu)成如圖1所示[3]。

圖1 HPCF結(jié)構(gòu)圖

在制作光纖傳感器期間，要輸入SMD與一段較長(zhǎng)的HPCF與輸出SMF正對(duì)熔接在一起，采用的熔接機(jī)為智能光纖熔接機(jī)[4]。在寬帶光源上介入輸入光纖，在光譜分析儀上介入輸出光纖，對(duì)輸出的光譜進(jìn)行仔細(xì)觀察。當(dāng)輸出光譜不夠理想時(shí)，將位于輸出端的HPCF切掉一部分，然后再將輸出SMF重新熔接上[5]。通過多次試驗(yàn)操作，得到透射光譜較好的部分。圖2為得到的傳感器透射光譜，會(huì)有兩個(gè)諧振dip1與dip2出現(xiàn)，且二者的對(duì)應(yīng)特征波長(zhǎng)分別為1357nm、1562nm，峰值的強(qiáng)度分別為14.5dB、14.1dB。HPCF在傳感器中的長(zhǎng)度為1.5m，傳感器長(zhǎng)度并不長(zhǎng)[6]。

圖2 不同折射率下傳感器的透射光譜

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將制作好的傳感器輸入端與BBS在室溫下鏈接，并連接輸出端與OSA。采用SLD作為BBS的光源，波長(zhǎng)的輸出范圍為650～1650nm。選擇日本橫河公司生產(chǎn)的額型號(hào)為AQ6370D光譜分析儀，波長(zhǎng)的測(cè)量范圍、最小分辨率分別為600～1700nm、±0.1nm。在實(shí)驗(yàn)時(shí)要求將傳感器光纖拉直，采用的設(shè)備為可移動(dòng)夾具，為對(duì)其進(jìn)行固定可以使用支架臺(tái)[7]。在水槽中浸入傳感器部分，將不同濃度的NaCl加入水槽中，對(duì)NaCl溶液的濃度進(jìn)行改變，然后對(duì)傳感器周圍折射率值的改變進(jìn)行模擬。水槽中NaCl進(jìn)行逐漸改變，并讓濃度維持15min，然后對(duì)傳感器的透射光譜進(jìn)行測(cè)量，將波谷波長(zhǎng)與環(huán)境折射率之間的變化關(guān)系予以明確[8]。

通過實(shí)驗(yàn)得到外界折射變化引起的波長(zhǎng)波谷變化，其中dip1的線性擬合度R2、dip2的線性擬合度R2分別為0.996、0.991。波谷波長(zhǎng)與外界環(huán)境折射之間的線性關(guān)系較好，波谷波長(zhǎng)在外界折射率變化時(shí)也會(huì)變化，且變化較大，說明具有較高的靈敏度，波谷dip1、dip1的折射率測(cè)量靈敏度分別為39.18nm·（RIU）-1、52.56nm·（RIU）-1。

BBS、OSA等共同組成溫度試驗(yàn)裝置，合肥科晶公司生產(chǎn)的型號(hào)為GSL-1600X的溫度爐，其能將溫度精度控制在±1℃。先在溫度爐內(nèi)將傳感器部分放入，傳感器光纖需使用固定平臺(tái)與移動(dòng)平臺(tái)拉緊與固定牢固，避免傳感器光纖水平出現(xiàn)彎曲，BBS與SMF相連，輸出光纖與OSA相連。爐內(nèi)溫度可以使用控制器進(jìn)行控制，溫度從15℃提升到120℃，然后再降下來。傳感器的透射譜數(shù)據(jù)需間隔10℃記錄一次。波谷在溫度提升過程中，會(huì)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，且比較明顯。波谷波長(zhǎng)變化是由外界環(huán)境溫度變化引起的，dip1的線性擬合度R2為0.977、dip2的線性擬合度R2為0.970。dip1、dip2的溫度靈敏度分別為12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1。外界環(huán)境溫度與折射量在測(cè)量時(shí)，可以使用波長(zhǎng)調(diào)制法，這樣就可以得到dip1的折射率靈敏度為39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率靈敏度為52.56nm·（RIU）-1。測(cè)量矩陣可以通過矩陣?yán)碚摰玫剑唧w如下：

測(cè)量的折射率與溫度值可以通過逆矩陣獲取。

3 結(jié)論

全光纖結(jié)構(gòu)Mach-Zehder干涉儀光纖傳感器是由SMF-HPCF-SMF熔接構(gòu)成，外界環(huán)境折射率與溫度會(huì)對(duì)傳感器透射譜的兩個(gè)諧波振峰值波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，折射率和溫度測(cè)量時(shí)可以利用波長(zhǎng)調(diào)制法與矩陣?yán)碚撏瑫r(shí)進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)后得到的結(jié)果如下：dip1和dip2的溫度分別為12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1；dip1的折射率靈敏度為39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率靈敏度為52.56nm·（RIU）-1。因?yàn)閭鞲衅鞯捏w積小、制作方便，且成本相對(duì)較低，所以得到了廣泛的運(yùn)用，主要運(yùn)用場(chǎng)景為醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域。