基于熊貓型保偏微光纖傳感測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

李宏韜,呂 亮,孫火姣

(1.安徽大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院,安徽 六安 237012)

微光纖以其緊湊的結(jié)構(gòu)、體積小、成本低廉、穩(wěn)定性好、電磁絕緣、可繞曲等優(yōu)勢(shì)可被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、環(huán)境中進(jìn)行傳感測(cè)量[1]。相比于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基于空間光光路的邁克爾遜干涉儀[2-4]、馬赫-曾德干涉儀[5]等,微光纖自身就能夠構(gòu)成一種光纖型馬赫-曾德干涉儀[6],相比于空間光干涉儀,微光纖干涉儀的集成度更高、可操作性更強(qiáng)、成本更加的低廉、靈敏度更高。然而傳統(tǒng)的單模微光纖干涉型傳感器對(duì)溫度并不敏感,其溫度靈敏度僅為-0.03 nm/℃,不利于其開展相關(guān)的溫度傳感實(shí)驗(yàn)[7]。為了研發(fā)出對(duì)溫度更加敏感的微光纖型溫度傳感器件,近年來一些具有特殊結(jié)構(gòu)的保偏微光纖器件如:矩形保偏微光纖[8]、橢圓形保偏微光纖[9]、“水滴”型保偏微光纖等[10]被逐步提出來。相比于普通單模微光纖,保偏微光纖具有雙折射(色散)效應(yīng)和大倏逝場(chǎng)效應(yīng)等,由于其特殊結(jié)構(gòu),使得它對(duì)溫度有著更加敏感的特性。

基于此,本文提出了一種熊貓型保偏微光纖傳感器,該傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溶液折射率進(jìn)行高靈敏度傳感還能夠?qū)囟扔兄^高的敏感性。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜇S富大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在普通單模熊貓型保偏光纖到熊貓型保偏微光纖的制作過程中,學(xué)生們不僅能夠?qū)ξ⒐饫w器件產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣,還能夠提升自己的動(dòng)手能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本文所提出的熊貓型保偏微光纖傳感器件是在單模熊貓型保偏光纖的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上,利用火焰熔融拉伸的方法所制得的。所制得的光纖傳感器的示意圖以及其工作原理圖如圖1所示。從圖1可知,熊貓型保偏微光纖傳感器件主要由三種不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域組成,分別為:外徑為125 μm的單模熊貓型保偏光纖,具有一定錐角的光纖過渡區(qū)域和直徑為13 μm的微光纖均勻區(qū)域。從光源發(fā)出的光以一定的角度入射到單模熊貓型保偏光纖中,在光纖內(nèi)部激發(fā)出光纖基模HE11模式,該模式沿著光纖纖芯內(nèi)部傳播到光纖過渡區(qū)時(shí),由于光纖錐形過渡區(qū)發(fā)生了一定的形變,從而導(dǎo)致原光纖纖芯的光場(chǎng)發(fā)生了一定的“泄露”,“泄露”出來的模式在光纖外部會(huì)耦合成光纖的高階HE12模式。HE12模式沿著光纖均勻區(qū)繼續(xù)傳播,進(jìn)而在光纖第二個(gè)過渡區(qū)重新耦合到HE11模式中[11]。在單模熊貓型保偏光纖的出射端處的光譜透過率T,由以下表達(dá)式所決定:

(1)

其中,Δφ表示的是HE11模式和HE12模式之間的相位差,λ為入射光的波長,L=4.9 mm為微光纖均勻區(qū)的模間干涉長度,neff1和neff2分別表示HE11模式和HE12模式的有效折射率數(shù)值。

由于光纖過渡區(qū)的雙折射較小,Δφ主要由光纖的尺寸所決定。當(dāng)外界折射率發(fā)生改變時(shí),由于不同偏振方向存在著倏逝場(chǎng)效應(yīng),neff1和neff2會(huì)發(fā)生不同程度的變化,從而使得光纖雙折射的大小發(fā)生改變進(jìn)而引起光纖干涉光譜發(fā)生漂移.若將上述方程(1)兩邊求微分,并假定相位差φ保持不變,即可得到靈敏度公式[12]:

(2)

其中,B表示的是模式有效折射率的差值,n為外界折射率大小,G=B-λ·?B/?λ表示的是群雙折射率,?B/?n表示的是外界誘導(dǎo)光纖雙折射的變化。一般條件下,B隨n的增大而減小,即?B/?n<0,因此折射率靈敏度S的大小主要由G決定,當(dāng)G>0時(shí),光譜隨折射率增大而紅移,反之光譜藍(lán)移。

此外,當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí),熊貓型保偏微光纖光譜則會(huì)發(fā)生一定的改變。其原因在于溫度變化會(huì)引起光纖材料和溶液的熱光效應(yīng),進(jìn)而引起B(yǎng)的變化。因此器件的溫度靈敏度Sr表達(dá)式[13]:

(3)

其中,光纖材質(zhì)的熱光系數(shù)的數(shù)值為0.68×10-5RIU/℃,溶液的熱光系數(shù)假定為-1×10-4RIU/℃,通常?B/?T為正值,對(duì)于直徑為13 μm的微光纖而言,當(dāng)外界溫度升高時(shí),G通常為負(fù)數(shù)。因此熊貓型保偏微光纖光譜會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生藍(lán)移。

圖1 熊貓型保偏微光纖傳感器原理圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于熊貓型保偏微光纖對(duì)溶液折射率和外界溫度傳感測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。從功率密度為25 dBm/nm的超寬帶光源發(fā)出波長為1 250～1 650 nm的連續(xù)光,經(jīng)過熊貓型保偏微光纖傳感器,產(chǎn)生一列正弦型的透射型光纖光譜,最終被光譜儀捕捉到并顯示出來,此時(shí)光譜儀的分辨率被設(shè)置成最低值0.02 nm。當(dāng)光纖在不同折射率的溶液中或者在不同溫度的環(huán)境條件下,光纖的透射光譜會(huì)分別發(fā)生一定紅移或藍(lán)移,通過記錄并處理光纖傳感器透射光譜最低點(diǎn)的位置,就能夠求得光纖傳感器折射率和溫度靈敏度的數(shù)值。

圖2 光纖傳感系統(tǒng)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光纖的折射率靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)驗(yàn)人員選取的是折射率梯度為1.335～1.360的NaCl溶液用于光纖折射率靈敏度測(cè)試。熊貓型保偏微光纖在不同的折射率溶液里的透射光譜如圖3(a)所示。從圖中結(jié)果可以看出,當(dāng)折射率逐漸增大時(shí),光纖光譜會(huì)往長波長方向發(fā)生有規(guī)律地紅移,此次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與上述分析的理論結(jié)果一致。將每條光譜曲線最低點(diǎn)的波長與它們所對(duì)應(yīng)的溶液折射率數(shù)值線性擬合后的結(jié)果如圖3(b)所示。此時(shí),所制得的熊貓型保偏微光纖的折射率靈敏度可達(dá)1 631 nm/RIU,線性擬合度為99.68%。

Wavelength/nm(a)

Refractive index(b)

3.2 光纖的溫度靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在研究熊貓型保偏微光纖傳感器的溫度傳感性能時(shí),實(shí)驗(yàn)人員提前將光纖器件放在可控溫的水浴鍋中固定,在實(shí)驗(yàn)過程中以每攝氏度為溫度間隔對(duì)水浴鍋進(jìn)行不斷的升溫,此時(shí)利用光譜儀可實(shí)時(shí)讀取出光纖透射光譜的變化,并利用數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)采集下來。測(cè)試光纖溫度靈敏度的溫度梯度選取的是從31 ℃到42 ℃,光纖透射光譜的實(shí)際漂移曲線如圖4(a)所示,所得的透射光譜曲線的實(shí)驗(yàn)漂移趨勢(shì)與上面理論分析的結(jié)果一致。通過對(duì)透射光譜最低點(diǎn)的峰值波長漂移與溫度進(jìn)行線性擬合,所得的線性擬合結(jié)果如圖4(b)所示。通過對(duì)圖4(b)所得的結(jié)果進(jìn)行分析可知,此時(shí)的線性擬合線性度可達(dá)98.4%,傳感器的溫度靈敏度數(shù)值為-0.99 nm/℃。

通過本次理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅提升了同學(xué)們對(duì)保偏微光纖器件工作原理的認(rèn)識(shí),更加重要的是能夠幫助同學(xué)們拓寬了大學(xué)物理課本上的光學(xué)部分中的理論知識(shí),在一定程度上能夠提升同學(xué)們的理論基本功。在微光纖器件測(cè)試過程中,需要細(xì)微謹(jǐn)慎操作,這樣能夠提高同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的掌控。在研究微光纖器件的折射率和溫度靈敏度的實(shí)驗(yàn)過程中,在同學(xué)們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程中,提升同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí),探究更多性能優(yōu)異結(jié)構(gòu)的微光纖傳感器件。最后,將采集到的數(shù)據(jù)利用Origin軟件進(jìn)行處理,通過在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的教學(xué)過程中,助力同學(xué)們對(duì)軟件使用能力和數(shù)據(jù)處理能力的提升。

Wavelength/nm(a)

Temperature/℃(b)

4 結(jié) 論

此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)將教師具有一定實(shí)踐意義的科研課題引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過理論分析微納保偏光纖器件,從而有助于擴(kuò)展學(xué)生的理論知識(shí)面。將設(shè)計(jì)的器件用于光纖傳感測(cè)試平臺(tái)中,在學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)裝置、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)的過程中,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力和理解能力。鞏固其對(duì)微光纖器件工作原理的理解,以此引導(dǎo)學(xué)生提出更具創(chuàng)新性的研究課題。

同時(shí),在此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,可以在一定程度上激發(fā)某些學(xué)生對(duì)光纖相關(guān)課題的興趣,為將來的相關(guān)學(xué)習(xí)和深造打下基礎(chǔ)。基于此次熊貓型保偏微光纖的折射率和溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn),為今后更加順利地開展有關(guān)的新型光纖器件及其新傳感應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。