不同折射率氣體包層環(huán)境對微光纖傳輸光強(qiáng)的影響

賈蘭等

摘要： 基于微納光纖倏逝場傳感理論，通過調(diào)制微光纖包層空氣的折射率，來探究不同氣體折射率環(huán)境對微光纖輸出光強(qiáng)的影響，從而為制作高靈敏度的特殊氣體傳感器提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)選擇了折射率為1.359 0的丙酮液體和1.494 6二甲苯液體，實(shí)驗(yàn)測得相同體積的二甲苯和丙酮在揮發(fā)完全后對微光纖束縛光的能力改變不一樣，二甲苯使纖芯傳輸?shù)哪芰棵黠@減弱，倏逝場能量增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 折射率； 微納光纖； 氣體傳感； 倏逝場

中圖分類號： O 646文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.009

Abstract： Based on the evanescent field sensing theory of micronano fiber， we research how the output light intensity changes in the microfiber with different refractiveindex gas modulated claddings， which provides experimental guidance to produce special highsensitivity gas sensors. We utilize the vapors of acetone （refractive index is 1.359 0） and xylene （refractive index is 1.494 6） liquid with the same volume to modulate the claddingair refractive index respectively. The results show the micronano fiber has different light binding abilities for different gasmodulated cladding. In the case of xylene gas， the energy in the core is weakened significantly and the evanescent field energy becomes strong.

Keywords： refractive index； microfiber； gas sensing； evanescent field

引言20世紀(jì)70年代后期，伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)發(fā)展成為一項(xiàng)光學(xué)檢測技術(shù)，當(dāng)外界環(huán)境因素（壓力、溫度、磁場、電場）作用在光纖上，會引起光纖中的傳播光強(qiáng)度、位相、偏振等特性的變化，以此來檢測一系列物理量、化學(xué)量或生物量的變化[12]。微納光纖或微納光波導(dǎo)傳感器是目前光纖傳感重要發(fā)展方向之一，以它為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的微納光學(xué)器件在光學(xué)傳感、光通信等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。利用微納光纖產(chǎn)生的大比例的倏逝波與外界被測參量相互作用，導(dǎo)致探測到的輸出光強(qiáng)度或位相的改變，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感功能。影響這類傳感器靈敏度和響應(yīng)速度的主要因素是倏逝波的大小，若光纖直徑越小，倏逝場越強(qiáng)，則對外界環(huán)境因素越敏感，所需的被測量越少，傳感器的靈敏度越高[34]。本文討論了外界環(huán)境折射率對相同直徑微納光纖傳輸光強(qiáng)的影響，進(jìn)而為制作新型高靈敏度的傳感器提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1原理倏逝波傳輸是微納光纖的一個(gè)顯著特點(diǎn)，許多光學(xué)器件都是基于此原理。倏逝波比例的大小與微納光纖的直徑有著密切的聯(lián)系，若微納光纖直徑越小，則倏逝波比例越大，損耗也越大。但是研究發(fā)現(xiàn)微納光纖的直徑不能無限地減小，它存在一個(gè)能傳輸光的極限值。當(dāng)微納光纖的直徑減小到波長的十分之一以下時(shí)，由于表面粗糙度引起的散射損耗增大，光將不能通過微納光纖[5]。微納光纖的包層為空氣，通常直徑的大小會對微納光纖傳輸光產(chǎn)生影響，同樣空氣折射率的改變也會對微納光纖輸出光強(qiáng)產(chǎn)生影響[67]。許多實(shí)驗(yàn)室通過采用在光纖外面鍍膜的技術(shù)來達(dá)到改變包層折射率的辦法，來實(shí)現(xiàn)制備光學(xué)器件的目的。本文則通過選擇兩種折射率不同的氣體，并把它們加入到密閉氣室里對空氣的折射率進(jìn)行調(diào)制，通過光譜分析儀和模場分析儀來測量和觀察微納光纖中傳輸光場的變化。

2實(shí)驗(yàn)將普通單模光纖拉制出直徑為5 μm的光纖，然后將其固定到氣室，測量微光纖對丙酮和二甲苯的光強(qiáng)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，選擇光源為可調(diào)激光器，并輸出1 550 nm的激光，輸出光強(qiáng)大小通過光譜儀來測量。丙酮測量結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出微光纖在加入3 mL丙酮液體后，待其揮發(fā)完全微光纖的輸出光強(qiáng)沒有明顯的衰減，光強(qiáng)大小只隨時(shí)間隨機(jī)性跳變。而在加入3 mL二甲苯后（如圖3所示），輸出光強(qiáng)有比較明顯的衰減，這主要是因?yàn)槎妆降恼凵渎逝c微光纖成分的折射率幾乎相等，較大體積的二甲苯對氣室里空氣折射率進(jìn)行調(diào)制，使微光纖對光的束縛能力減弱，表面的倏逝場增強(qiáng)。

再用模場分析儀觀察能量分布的變化，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，光源為1 550 nm的可調(diào)激光器，微光纖通過氣室后直接進(jìn)入到模場分析儀，通過相關(guān)軟件對其傳輸光場進(jìn)行觀察。可以清楚地從圖5（a）中看到1 550 nm的激光在微光纖中傳輸呈高斯分布，高階模能量較小，能量分布具有軸對稱性。當(dāng)向氣室加入3 mL的丙酮液體后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（b）所示，從圖中可以看出加入丙酮前后通過微光纖后的光場能量分布沒有明顯變化，能量分布依然呈現(xiàn)高斯分布，具有軸對稱性，光強(qiáng)大小也幾乎不變，這與前面用光譜儀測量的丙酮光強(qiáng)傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。再向密閉氣室加入二甲苯液體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，從圖6（a）可以清楚地看到，高斯分布的1 550 nm激光在通過微光纖后呈現(xiàn)高斯分布，能量分布具有軸對稱性。當(dāng)向氣室中加入3 mL的二甲苯后，揮發(fā)的二甲苯氣體與氣室中的空氣相互作用，形成具有一定折射率的混合氣體，并且這種混合氣體充當(dāng)了微納光纖的包層結(jié)構(gòu)。在這種氣體環(huán)境下，可以從圖6（b）中看出1 550 nm的激光在通過較高濃度的二甲苯氣體環(huán)境后的微光纖輸出光仍然服從高斯分布，具有軸對稱性，但是纖芯傳輸光強(qiáng)的大小有比較明顯的減小，這也與前面用光譜儀測量的氣體傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)論相吻合。

3結(jié)論當(dāng)微納光纖的包層為空氣時(shí)，通過加入丙酮和二甲苯對包層空氣的折射率進(jìn)行調(diào)制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入折射率為1.359 0的丙酮和1.494 6的二甲苯時(shí)，相同直徑的微光纖表現(xiàn)出光強(qiáng)的變化不一樣。在丙酮環(huán)境下，光強(qiáng)的大小只是隨機(jī)地跳變，沒有規(guī)律，模場實(shí)驗(yàn)也得出相同的結(jié)論；而在二甲苯環(huán)境下，微光纖的光強(qiáng)表現(xiàn)出明顯的衰減，具有一定的規(guī)律，模場實(shí)驗(yàn)也觀察到纖芯傳輸?shù)哪芰繙p小。微光纖對特殊折射率氣體表現(xiàn)出的傳感特性，為我們尋求高靈敏度的新型氣體傳感器提供了借鑒。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）