一種高靈敏折射率傳感器的制作與性能測(cè)試

陳慧麗， 李 杰

（鄭州科技學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，鄭州 450064）

0 引 言

通過(guò)近側(cè)面拋磨工藝加工而成的D型光纖因直徑較大而便于封裝，該方法制成的光纖強(qiáng)度較高且具有一些獨(dú)特的光學(xué)特性［1-3］，因此，近側(cè)面拋磨工藝經(jīng)常被用來(lái)制作各種全光纖器件［4-7］。

截至目前為止，眾多專家主要從兩方面來(lái)研究D型光纖，一是通過(guò)改進(jìn)拋磨工藝，在降低成本的前提下提高光纖的光學(xué)性能，且可實(shí)現(xiàn)低成本的批量生產(chǎn)；二是利用D型光纖制造出性能更好的全光纖傳感器件。目前，在D型光纖的制作方面主要分為對(duì)側(cè)邊的基塊拋磨法、輪式拋磨法和激光法3種［8-10］，其中輪式拋磨法較其他兩種方法不但在成本上有所降低，而且制作的光纖最實(shí)用。2017年，鄭敏娟等［11］研究了一套新型的光纖側(cè)面拋磨和光纖涂覆裝置。同年，Ahmad［12］在單模光纖方面設(shè)計(jì)出了一種新的拋磨法，因此如何通過(guò)改進(jìn)D型光纖的制作方法搭建功能更加強(qiáng)大的拋磨平臺(tái)勢(shì)在必行。用D型光纖制成的倏逝波傳感器具備小體積、低成本、測(cè)量距離遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)而受到了眾多研究學(xué)者的青睞。2015年，周劍英［13］利用D型光纖通過(guò)飛秒激光方法制作出靈敏度可達(dá)37 dB／RIU的光纖傳感器。2016年，吳學(xué)忠［14］利用D型光纖制成了靈敏度可達(dá)1.674 9 rad／MPa D型光纖開(kāi)放式琺珀壓力傳感器。2020年，胡志杰［15］采用直接拉制成的D型光纖作為傳感器進(jìn)行了研究，其制成的傳感器靈敏度高達(dá)196.35 dB／RIU。2021年，張淑莉等［16］提出了一種利用雙層金光柵結(jié)構(gòu)制成的D形光纖傳感器，其制成的傳感器雖同時(shí)提高了靈敏度和線性度，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需求。因此利用D型光纖制成的倏逝波傳感器目前面臨的最大一個(gè)問(wèn)題就是無(wú)法保證靈敏度和線性度同時(shí)達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)。

綜上所述，本文首先利用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的光纖側(cè)面拋磨裝置制備出D型光纖，然后利用D型光纖制備了表面較為粗糙的消逝場(chǎng)傳感器，這款傳感器同時(shí)提高了靈敏度和線性度，解決了目前存在的D型光纖傳感器無(wú)法同時(shí)滿足高靈敏度和高線性度的問(wèn)題。

1 傳感器工作原理

光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)在纖芯及包層界面形成消逝場(chǎng)。由于光纖的包層在光傳播時(shí)不吸收光，因此光傳播時(shí)不存在能量損失。當(dāng)光纖橫截面被拋磨至D

形后，消逝場(chǎng)由于和被測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用造成一部分能量被吸收，使得光纖的輸出光強(qiáng)減少。消逝場(chǎng)傳感器的原理就是通過(guò)測(cè)量光纖輸出光強(qiáng)的大小反推出物質(zhì)溶液的折射率。當(dāng)制作的光纖表面粗糙時(shí)可引起瑞利散射，造成較大的損耗，隨之可提高傳感器的靈敏度。

本文利用側(cè)邊拋磨法通過(guò)去掉光纖的包層制成D型光纖傳感器。當(dāng)光傳播時(shí)會(huì)在拋磨區(qū)形成消逝場(chǎng)，這個(gè)消逝場(chǎng)的大小隨徑向位置呈指數(shù)衰減。當(dāng)消逝場(chǎng)傳感器接觸到溶液時(shí)，溶液折射率的變化即可通過(guò)光強(qiáng)的變化進(jìn)行檢測(cè)。

2 D型光纖傳感器的制備

輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)示意圖如圖1（a）所示，自主搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)如圖1（b）所示，利用搭建的系統(tǒng)進(jìn)行D型光纖的制作。圖1（b）中由900

圖1 搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)及制成的光纖

目粗糙度砂紙包裝而成的磨輪被固定在一維y軸平移臺(tái)上，平移臺(tái)可通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行控制以達(dá)到充分利用拋磨紙的目的。型號(hào)為長(zhǎng)飛G652D的單模光纖的纖芯和包層直徑分別為9和125 μm。首先用兩個(gè)光纖夾具分別夾住光纖的兩端，然后剝?nèi)ブ虚g2.5 cm左右，用酒精反復(fù)擦洗干凈，剝?nèi)サ牟糠植环旁谀ポ喩稀Ｗ詈罄霉饫w適配器將光纖的兩端分別連接于ILX Lightwave公司生產(chǎn)的型號(hào)為OMM-6810B／OMH-6727B的光功率計(jì)和型號(hào)為STL2000的1 550 nm光纖激光器上，SPF的透射功率通過(guò)激光器和光功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行平移臺(tái)在x軸上的調(diào)整，在光纖研磨過(guò)程中適當(dāng)給光纖一點(diǎn)壓力。

圖1（c）和1（d）分別為顯微鏡觀察得到的拋磨光纖過(guò)渡區(qū)的側(cè)視圖和橫截面圖。采用激光光源MPS-8033／01對(duì)光功率計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，可看出光功率計(jì)的功率穩(wěn)定性優(yōu)于±0.002 dB。

圖2 光功率計(jì)的功率穩(wěn)定性

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 D型光纖傳感器的折射率傳感測(cè)試

通過(guò)拋磨實(shí)驗(yàn)可得功率在拋磨初期不發(fā)生改變，隨著拋磨不斷深入，逐漸靠近纖芯時(shí)功率發(fā)生了明顯的變化，證明此時(shí)有消逝波溢出。利用顯微鏡測(cè)得光纖損耗與平坦區(qū)剩余直徑關(guān)系如表1所示。從表中看出，光纖拋磨過(guò)程中的最大損耗為30 dB。因此將6 dB作為一個(gè)損耗梯度制作5組D型光纖，拋磨區(qū)和過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度分別為4.2和1.8 mm，如圖3（a）所示。將制作的5組D型光纖用凹形載玻片封裝后通過(guò)不同濃度的NaCl溶液進(jìn)行折射率傳感測(cè)試。如圖3（b）所示，首先用光源和功率計(jì)連接光纖的兩端。然后用不同濃度的NaCl溶液浸泡待測(cè)光纖，分別記錄數(shù)據(jù)，每次浸泡完光纖后切記用溫水將殘留的溶液清洗干凈防止產(chǎn)生污染。

圖3 D型光纖傳感器的側(cè)視圖和折射率傳感裝置圖

表1 拋磨損耗與拋磨平坦區(qū)剩余光纖直徑的關(guān)系

折射率傳感靈敏度的計(jì)算如下式所示：

其中，dP和dn分別表示損耗和折射率的變化。不同拋磨損耗的D型光纖在不同折射率溶液中的傳輸功率如圖4所示。從圖可以看出，傳感器的傳感靈敏度隨著光纖損耗的增大而增大，6～30 dB光纖的傳感靈敏度分別為4.18、11.89、30.12、56.42、75.11

圖4 不同拋磨損耗的D型光纖傳感器傳輸損耗與折射率的關(guān)系

dB／RIU。傳輸損耗和折射率通過(guò)擬合后得到的系數(shù)分別為0.972 23、0.979 96、0.978 85、0.986 84、0.993 57。由此可得30 dB的損耗制作的光纖可同時(shí)滿足最高的靈敏度和線性度。但是實(shí)際制作時(shí)30 dB損耗卻不及24 dB損耗制作的光纖性能高，因此損耗為24 dB制成的光纖靈敏度和線性度均需通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)提高。

3.2 D型光纖傳感器的重復(fù)性測(cè)試

制作了3個(gè)損耗都是24 dB的D型光纖（光纖1、2、3），在相同條件下對(duì)其折射傳感性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知，這3個(gè)光纖的靈敏度從小到大依次是50.98、53.05、56.22 dB／RIU，最大誤差為3.8 dB／RIU左右，體現(xiàn)了較好的靈敏度。微小的誤差主要是由拋磨損耗、環(huán)境干擾以及每次的拋磨拉力和速度不同造成的粗糙度不一致造成。所以制作的D型光纖具備非常好的可重復(fù)性。

圖5 24 dB拋磨損耗D型光纖3組樣品折射率傳感曲線比較

3.3 D型光纖傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)試光纖性能的穩(wěn)定性，準(zhǔn)備3種不同的溶液，分別是玻尿酸溶液、稀鹽酸、NaCl溶液。將3個(gè)18dB的D型光纖分別放入3種溶液0.5 h，每過(guò)一段時(shí)間進(jìn)行功率計(jì)值的記錄，最后的記錄數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖上可以看出，D型光纖具備非常好的穩(wěn)定性，其傳輸功率值的變化非常小，基本變化范圍在±0.02 dB以內(nèi)，證明了制備的D型光纖的穩(wěn)定性非常好。

圖6 18 dB拋磨損耗的D型光纖在不同溶液中的時(shí)間穩(wěn)定性曲線

3.4 D型光纖傳感器的折射率傳感測(cè)試

為了更好地測(cè)量傳感器的折射率傳感，需用切割刀將距離拋磨區(qū)1 cm的地方進(jìn)行切割直到露出平整端面為止，然后用鍍膜儀鍍上185 nm厚的Ag膜，得到的D型光纖如圖7所示。從圖上可以看出，1 550 nm的激光器發(fā)射的入射光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后通過(guò)被測(cè)溶液傳輸?shù)焦饫w探針中。當(dāng)入射光到達(dá)探針的拋磨區(qū)后，消逝場(chǎng)由于和被測(cè)物質(zhì)作用會(huì)引起能量的吸收，周?chē)h(huán)境不同的折射率同樣會(huì)影響輸出光強(qiáng)。反射光經(jīng)過(guò)端面的Ag膜后會(huì)再次通過(guò)傳感區(qū)域和環(huán)形器而反射進(jìn)光功率計(jì)。

圖7 折射率傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

同樣條件下，將3 dB作為一個(gè)損耗梯度制作6組不同能量損耗的探針型D型光纖，然后對(duì)這6個(gè)光纖進(jìn)行折射率傳感測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。光纖探針的拋磨損耗為6～21dB范圍（3 dB為上升梯度）對(duì)應(yīng)的傳感靈敏度分別是6.99、16.98、20.89、25.66、66.02、39.91 dB／RIU，傳輸損耗和折射率通過(guò)擬合后得到的系數(shù)分別為：0.928 84、0.990 10、0.998 17、0.989 71、0.995 81、0.989 99。由此可得，相比非探針型D型光纖，探針型D型光纖（損耗均在5 dB以上）的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999，線性度有了一個(gè)非常大的提升。與文獻(xiàn)［13］中對(duì)光纖傳感靈敏度的研究對(duì)比分析可得，本文研究的損耗為18 dB的探針型D型光纖的靈敏度比其足足提高了2倍。折射率［17］：

圖8 不同拋磨損耗的探針型D型光纖傳感器折射率傳感曲線

其中，dPmin取值大小為0.005，代表光功率計(jì)的最小分辨單位，通過(guò)計(jì)算可得傳感器的折射率精度是0.000 04。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)自主搭建的輪式光纖側(cè)面拋磨系統(tǒng)制備出D型光纖，通過(guò)改變光纖的表面粗糙度和探針類型，對(duì)傳感器在靈敏度及線性度兩方面均有較大的提高。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)可得，本文制備的D型光纖傳感器不僅具有非常強(qiáng)大的穩(wěn)定性，而且線性度也非常好。尤其是拋磨損耗為18 dB的傳感器的靈敏度和線性相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)66.02 dB／RIU和99.58%。通過(guò)對(duì)折射率的精度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算可得其精度高達(dá)0.000 04。本文制作的傳感器不論是在制作成本還是在其性能方面都具有非常大優(yōu)勢(shì)，將來(lái)可廣泛應(yīng)用于生化傳感如目前出現(xiàn)的新冠疫情等及對(duì)環(huán)境的污染程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。