F-P腔光纖傳感器研究

黃旭光， 黃義文

(華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院， 廣州特種光纖光子器件與應(yīng)用重點實驗室∥廣東高校特種功能光纖工程技術(shù)研究中心∥廣東省微結(jié)構(gòu)功能光纖與器件工程技術(shù)研究中心， 廣州 510006)

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F-P腔光纖傳感器研究

黃旭光*， 黃義文

(華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院， 廣州特種光纖光子器件與應(yīng)用重點實驗室∥廣東高校特種功能光纖工程技術(shù)研究中心∥廣東省微結(jié)構(gòu)功能光纖與器件工程技術(shù)研究中心， 廣州 510006)

文章綜述了作者研究組關(guān)于F-P腔光纖干涉型傳感器多參數(shù)測量的研究進展. 在單模光纖與薄膜或空氣間隙等構(gòu)成的法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分別提出基于F-P腔干涉和基于F-P腔調(diào)制菲涅爾反射的溫度、液體和固體折射率光纖傳感器. 理論分析和實驗均證明，溫度的變化可轉(zhuǎn)化為干涉光譜波峰或波谷中心波長的偏移測量，通過干涉光譜的條紋反襯度可解調(diào)出液體或固體折射率. 光纖干涉型傳感技術(shù)可拓展其它功能，是高端領(lǐng)域傳感測量的發(fā)展方向.

光纖干涉型； F-P腔； 條紋反襯度； 波長偏移

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境檢測等諸多領(lǐng)域?qū)鞲屑夹g(shù)的要求越來越高. 溫度、折射率等參數(shù)的測量幾乎涉及現(xiàn)代科學(xué)的各個領(lǐng)域，因此，能準確快速測量出這些參數(shù)非常重要.光纖傳感由于具有強的抗電磁干擾、惡劣環(huán)境耐用性、高精度、快速響應(yīng)和遠程在線等優(yōu)點[1]，是科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、食品加工、環(huán)境檢測等眾多領(lǐng)域傳感測量的重要發(fā)展方向.

干涉結(jié)構(gòu)已被成功地用作光學(xué)傳感器的溫度、應(yīng)變、壓力測量和位移的測量[2-5]. 目前已有多種技術(shù)用于溫度測量，如諧振器數(shù)字溫度傳感器、硅晶薄膜光纖傳感器、光纖光柵溫度傳感器[6]等. 法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)腔光纖傳感技術(shù)屬于干涉型光纖傳感技術(shù)的其中一種. CHOI等[7]設(shè)計了一種微型混合結(jié)構(gòu)的F-P腔光纖傳感器用于溫度測量. WEI等[8]證明了基于飛秒激光器調(diào)制的開放型F-P腔的折射率傳感器，具有可靠性高、溫度不敏感等優(yōu)點，但隨著F-P腔沉積物增多，其性能將大大下降. RAN等[9]在單模光纖端面加入密閉的F-P腔用作信號調(diào)制器，研究出一種不受溫度干擾的液體折射率傳感器，通過測量干涉條紋最大對比度獲得液體折射率. 此外，用于液體折射率測量的技術(shù)包括基于波長移動的表面等離子體共振法[10-12]、光纖光柵傳感技術(shù)[13]等. 對于固體折射率的測量，最小偏差法[14]、折射法和橢圓偏振法常用于光學(xué)玻璃折射率的測量[15]. 基于棱鏡干涉儀的玻璃折射率測量技術(shù)可提供較高的精度[16]，但需將待測樣品加工成棱鏡形狀. 也有基于F-P腔干涉法測量透明固體折射率[17-18]，但傳感器采用非光纖技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜笨重.

本文綜述了本研究組基于光纖端面菲涅耳反射形成的F-P腔調(diào)制的多種光纖傳感器的研究進展，分別討論了F-P腔干涉型光纖傳感器在液體折射率、環(huán)境溫度和固體折射率測量應(yīng)用中的所采用的具體結(jié)構(gòu)、工作原理和實驗結(jié)果.

1 液體折射率傳感器

基于F-P腔干涉調(diào)制的光纖液體折射率傳感器的光纖端面?zhèn)鞲蓄^結(jié)構(gòu)如圖1A所示. 薄膜是一層以SU-8光刻膠為原料、采用旋涂法制成的有機薄膜，其折射率約為1.628 5. SU-8放置在光纖末端，以適當(dāng)?shù)乃俣刃D(zhuǎn)光纖，使SU-8通過離心力均勻分散. 光纖旋轉(zhuǎn)的角速度越大，制成的薄膜越薄. 最后形成厚度L=29.9 μm的薄膜. 光纖與薄膜、薄膜與液體的2個分界面形成了一個腔長為L的F-P腔.

圖1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)及2個反射表面的電場分布[19]

設(shè)光纖、薄膜和液體的折射率分別為nf、nfilm和nq，界面“1”和界面“2”的反射率分別為R1和R2. 由于入射光在2個界面的反射是菲涅爾反射，所以R1和R2滿足菲涅爾反射公式：

(1)

從2個界面反射回來的電場分布如圖1B所示. 由于光纖端面的反射率較低，存在較高的損耗，高階反射回來的電場強度很小，只占總電場的0.1%，可以忽略不計(圖中虛線部分). 因此，反射光波的總電場Er可近似等于2個界面第一次反射回來的電場之和[18]:

(2)

Ei是入射光電場，A1是由于反射面1表面缺陷而造成的損耗因子，α是F-P腔中的衍射損耗因子，β是薄膜的傳播常數(shù). 為簡化，可忽略表面缺陷對反射系數(shù)的影響. 光從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)，在反射面1存在著半波損失，即π相移.

由式(2)及光的電磁理論可得到反射光波歸一化的電場分布IFP():

(3)

其中K=(1-A1)(1-α)是傳感器頭部的總損耗因子. 上式說明了反射光的干涉光場是由雙光束干涉產(chǎn)生的余弦信號. 干涉條紋波谷的中心波長min滿足：

4πLnfilm/min=2mπ,

(4)

m為正整數(shù)，表示干涉條紋波谷的序數(shù). F-P腔的腔長L可通過相鄰2個波谷的中心波長求出：

(5)

當(dāng)式(5)中4πLnfilm/等于(2m+1)π和2mπ時，IFP()分別達到最大值和最小值：

由式(5)可得，干涉光譜的條紋對數(shù)反襯度為：

(6)

當(dāng)傳感系統(tǒng)設(shè)置好后，式(6)中的R1,K和nfilm為常量，由于熱光系數(shù)很小，條紋反襯度的變化可認為與溫度無關(guān). 因此，液體折射率的測量可轉(zhuǎn)化為干涉條紋反襯度的監(jiān)測，且該測量方法與溫度無關(guān).

為了驗證該技術(shù)的可行性，本文采用如圖2所示的實驗裝置進行實驗. 本裝置采用一種功率為10mW、功率譜平坦的寬帶光源(FlattenedBroadbandSource，BBC)作為光發(fā)射器，可提供40nm寬波長范圍(1 525～1 565nm)的單束光.BBC光源輸出的光束通過光纖環(huán)形器(OpticalCirculator，OC)被耦合進F-P腔，F(xiàn)-P腔反射回來的雙光束干涉反射光譜通過環(huán)形器輸入到光譜分析儀(OpticalSpectrumAnalyzer，OSA)，OSA通過連接電腦對干涉光譜進行分析計算. 本實驗所用型號為YokogawaAQ6370的OSA具有0.02nm波長分辨率、0.001dB功率精度. 采用SMF-28光纖,其直徑為8.1m、數(shù)值孔徑(無量綱)為0.14μm.

圖2 實驗裝置示意圖[19]

Figure2Theexperimentalsetupofthefiber-opticsensorforRImeasurement[19]

采用不同濃度的硝酸鈉溶液作為樣品，分別測量其折射率. 光的波長為1 550 nm附近時，這些溶液的折射率范圍為1.314 0到1.365 0. 傳感器頭分別在空氣和折射率為1.314 0與1.360 0溶液中的干涉光譜如圖3所示，該光譜的波段為1 527～1 565 nm. 干涉條紋包含2個波峰和2個波谷，與式(3)和式(6)吻合較好. 本實驗中，從干涉光譜和式(3)、式(5)可算得傳感器探頭的損耗因子K=0.497 2，薄膜的厚度L=29.85m，2個相鄰的波峰和波谷之間的波長寬度約為13 nm，這意味著一個分辨率為0.5 nm的低成本光譜儀就可以滿足本傳感系統(tǒng)的檢波要求.

圖3 傳感器在空氣和不同折射率溶液中的干涉光譜[19]

Figure 3 Interference spectra received by the OSA with the sensor in air and solutions with different refractive indexes[19]

干涉條紋反襯度與硝酸鈉溶液折射率的關(guān)系如圖4所示. 傳感器參數(shù)為K=0.497 2,R1=0.003 4和nx=1.628 5時，實驗結(jié)果與式(6)中的理論結(jié)果非常吻合. 隨著折射率從1.314 0增到1.365 0，干涉條紋反襯度單調(diào)減小，總的變化量為10.46 dB，相對RI的靈敏度約為205 dB. 由于光譜分析儀的相對強度分辨率為0.001 dB，當(dāng)被測折射率范圍在1.314 0至1.365 0時，則折射率平均分辨率約為5×10-6.

圖4 干涉條紋的反襯度與液體折射率的關(guān)系[19]

以上分析表明，基于F-P腔調(diào)制的光纖干涉型折射率傳感器，將折射率的測量轉(zhuǎn)化為干涉條紋反襯度的監(jiān)測，具有很高的分辨率和測量精度. 該傳感器不受溫度影響，具有同時測量折射率和溫度的潛能.

2 溫度傳感器

基于F-P腔干涉條紋移動的光纖溫度傳感器的探頭結(jié)構(gòu)與液體折射率傳感器的探頭結(jié)構(gòu)基本相同，但具體工作原理有差別. 由于溫度傳感器測量的是環(huán)境溫度，其探頭直接放置在空氣中，因此探頭薄膜的另一側(cè)為空氣. 光纖與薄膜、薄膜與空氣形成類似圖1B所示的F-P腔. 經(jīng)過如同液體折射率傳感器的推導(dǎo)過程，可得溫度傳感器的干涉條紋波谷的中心波長min滿足：

4πLnfilm/min=2mπ.

(7)

當(dāng)環(huán)境溫度變化時，由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，薄膜的厚度和折射率也會變化. 因此，min可由下式給出：

(8)

式中,αl=1/L·dL/dT和dnfilm/dT分別是薄膜的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù). 由于薄膜的折射率和厚度隨著溫度的變化而變化，干涉圖案也會隨著溫度移動，即干涉波谷的波長min隨著溫度的變化而發(fā)生漂移. 因此，測量溫度的變化可以轉(zhuǎn)化為測量干涉條紋波谷的波長移動.

圖5 溫度傳感探頭結(jié)構(gòu)與實驗裝置

Figure5Structureandexperimentalinstallationofthesensingheadfortemperaturemeasurement

傳感器實驗裝置(圖5)與圖2類似，差別僅在于傳感探頭結(jié)構(gòu). 溫度傳感器的探頭置于溫控儀里，利用溫控儀控制溫度變化. 圖6顯示，干涉條紋有2個波峰和3個波谷，因此可以通過測量波峰或波谷中心波長的移動來計算溫度的變化.

控制溫控儀的溫度在20～100 ℃的范圍內(nèi)變化，選取干涉條紋其中一個波谷，用OSA標記物對其標記(圖中標有黑色三角符號及Ds的位置)，并以最小掃描法跟蹤其波長變化(圖7)，通過其中心波長的移動來計算溫度的變化. 隨著溫度的上升，Ds波谷的中心波長單調(diào)向長波方向移動. 圖中圓圈是實驗測得數(shù)據(jù)，曲線是通過3次擬合得出，擬合相關(guān)因子R2=0.996，擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常吻合[20].

圖6 室溫下傳感器反射場的干涉光譜[20]

Figure 6 The interference pattern received by the OSA at room temperature[20]

圖7 波長的移動與溫度的關(guān)系[20]

通過大量的實驗可以得出溫度與波長的經(jīng)驗公式，經(jīng)校準后，環(huán)境溫度可通過測量波谷Ds的中心波長、直接代入經(jīng)驗公式來計算得到. 由實驗結(jié)果可知，該溫度傳感器的最高靈敏度可達到0.2 nm/℃，由于光譜分析儀的分辨率為0.02 nm，本傳感器的最高溫度的分辨率為0.1 ℃.

總結(jié)上述實驗，光纖干涉型溫度傳感器可通過FP腔干涉波谷波長的移動解調(diào)出環(huán)境溫度的變化，利用經(jīng)驗公式，便可實現(xiàn)溫度的精確測量功能.

3 固體折射率傳感器

基于F-P空氣腔干涉條紋反襯度的固體傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖8所示，即光纖末端與被測固體之間的空氣隙形成了一個空氣F-P腔.

圖8 固體折射率傳感器的探頭結(jié)構(gòu)[21]

設(shè)固體折射率為ns，由菲涅耳反射公式可得2個反射表面的反射率R1和R2為：

(9)

在F-P腔反射表面2存在一個半波損失，即π相移. 忽略高階反射回來的電場，反射光波的總電場Er可近似等于2個表面第一次反射回來的電場之和:

(10)

cos(4πLnair/-π)，

(11)

當(dāng)式中4πLnair/-π滿足

4πLnair/max-π=2mπ，

4πLnair/min-π=(2m+1)π.

(12)

I分別達到最大值和最小值：

干涉條紋反襯度為[21]：

(13)

其中，R1、K均為常數(shù)，ns為被測物體的折射率. 為計算傳感器的總損耗因子K，需進行簡單快速的校準：設(shè)置好傳感系統(tǒng)，在實驗過程中不再對傳感器做任何修改，測量折射率已知的樣品(如：石英)的條紋反襯度C0作為參考. 已知nair=1.000 3, nf=1.449 6[21]，R1可以由式(9)求出，因此，K的值可以在實驗前通過校準測量計算出來. 在校準后，通過測量干涉條紋的反襯度C，利用式(13)可以計算出固體的折射率.

固體折射率傳感器的探頭具有特定的設(shè)計(圖9)，金屬板用于固定光纖尾纖的末端，并留下固定的長度間隙. 傳感探頭的金屬板接觸樣品時，光纖末端、空氣間隙和被測物體表面形成空氣F-P腔，這種結(jié)構(gòu)不僅可以使光纖末端與待測樣品表面保持平行，還可避免光纖末端的結(jié)構(gòu)因接觸樣品而損壞.

圖9 固體折射率傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖[21]

Figure9StructureofthespecialdesignsensingheadformonitoringRIofsolid[21]

本實驗中，由于加工精度等原因，間隙的長度L=0.075 mm. 為了測量干涉光譜的條紋反襯度，干涉光譜中至少在OSA測量范圍內(nèi)存在2個極值點. 由式(12)，對于寬帶范圍為1 525～1 565 nm寬帶光源，傳感探頭的間隙即F-P腔的腔長L應(yīng)大于0.03 mm. 本文選擇純度為99.999%石英玻璃作為標準樣品，傳感器入射光波長為1 529.52 nm時，其折射率為1.443[21]. 為保證表面的清潔，樣品需用粘有去離子水的透鏡清洗紙徹底清洗，并在測量待測樣品折射率前對標準樣品的折射率進行校準.

用傳感器測量石英樣品的折射率，OSA接收到F-P腔調(diào)制的干涉光譜如圖10所示. 干涉條紋的反襯度為11.033 dB. 根據(jù)式(13)可算出傳感器探頭的損耗因子K≈0.586 8.

以BK7、SF10和SF11三種不同材料的光學(xué)玻璃作為待測樣品，利用該傳感器裝置對其折射率進行測量，控制環(huán)境溫度為(20±1) ℃，OSA接收到這3種材料的反射光譜如圖11所示.

圖10 F-P腔調(diào)制的石英校準樣品的干涉光譜[21]

Figure 10 The interference spectrum formed by the F-P cavity with the calibration sample of SiO2[21]

圖11 傳感器測量BK7、SF10和SF11玻璃的反射光譜[21]

Figure 11 The reflection spectra of the sensor for measured samples of BK7, SF10, and SF11, respectively[21]

由圖11可知，BK7、SF10和SF11 三種光學(xué)玻璃的干涉條紋反襯度分別為12.560、18.796 和21.052 dB. 由式(13)，可算出折射率分別為nBK7=1.501、nSF10=1.692和nSF11=1.743，與肖特光學(xué)玻璃特性參數(shù)手冊(SCHOTT Optical Glass Data Sheets, 2009)給出這3種材料的折射率nBK7=1.500 9、nSF10=1.693 1和nSF11=1.743 8非常接近，分別相差大約0.000 1、0.001 0和0.001 0. 由于加工技術(shù)的局限性，光纖末端表面與待測物體表面很難完全水平. 具有非零入射角的入射光強會略微偏離上面的反射率公式，條紋反襯度C也會隨著入射角的變化而稍有變化. 但光纖已被固定在金屬板中，所以入射角對條紋反襯度C的影響不變. 在比較標準樣品的折射率和校準損耗因子K后，折射率的測量誤差可被降到最低. 此外，傳感器探頭金屬板與待測物體之間的氣密性會對待測物體表面入射光的入射角和光路產(chǎn)生影響. 光源和檢測器的穩(wěn)定性也會影響測量結(jié)果. 因此，影響條紋反襯度C和測量的折射率準確性的主要原因有：傳感器探頭金屬板與待測物體之間的氣密性以及光源和檢測器的穩(wěn)定性. 因此待測物體表面必須很光滑平整，光源和檢測器的穩(wěn)定性在測量期間應(yīng)保持穩(wěn)定.

上述分析表明，基于F-P腔菲涅爾反射的光纖干涉型傳感器可實現(xiàn)高精度的固體折射率測量，固體折射率可通過計算干涉條紋的反襯度精確算出. 除測量光學(xué)玻璃外，如果吸收系數(shù)是已知，傳感器可擴展到其它光滑平面固體(包括不透明固體)的折射率測量.

4 結(jié)論

總結(jié)了本研究組基于F-P腔干涉和F-P腔調(diào)制的菲涅爾反射的光纖傳感器研究工作，探討了利用光纖端面F-P腔干涉波谷或條紋反襯度變化去實現(xiàn)各種參數(shù)光纖傳感的可能性. 首先討論了液體折射率傳感器的工作原理，分析了液體折射率與干涉條紋反襯度的關(guān)系；然后，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于干涉條紋波谷中心波長移動的溫度傳感器，并可實現(xiàn)溫度和折射率的雙參數(shù)測量；最后，拓展出基于空氣F-P腔的傳感器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了固體折射率的精確測量. 總之，光纖干涉型傳感器結(jié)構(gòu)獨特，靈敏度高，便于操作與安裝，同時具有遠程在線實時監(jiān)測的能力，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、食品加工、環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)研究等各領(lǐng)域.

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【中文責(zé)編：成文 英文責(zé)編：肖菁】

Study on F-P Cavity-Based Fiber Sensors

HUANG Xuguang*， HUANG Yiwen

(Guangzhou Key Laboratory for Special Fiber Photonic Devices and Applications∥Specially Functional Fiber Engineering Technology Research Center of Guangdong Higher Education Institutes∥Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center for Microstructured Functional Fibers and Devices，South China Normal University，Guangzhou 510006, China)

The research works, which are from author’s group and focused on interferometric fiber optic sensors for measurements of multi-parameters, are presented in this article. Based on a Fabry-Perot cavity formed by the interfaces between a fiber end and a sensing film or air-gap and between a sensing film or air-gap and the measured object, F-P interference-based and Fresnel-reflection modulated with F-P cavity fiber-optic sensors for temperature measurement and refractive index measurements of liquid and solid have been respectively developed. It is shown theoretically and experimentally that, temperature variation sensing can be converted into the measurement of temperature-dependent peak or dip shift of the interference spectrum, and the fringe contrast of the interference spectrum can be used to determine the RI of liquid or solid. Other functions and applications of an interferometric fiber optic sensor could be extended easily, which is an important development direction in sensing equipment.

interferometric fiber optic sensor; fabry-perot cavity; fringe contrast; wavelength shift

2016-05-12 《華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT13064)；廣東省自然科學(xué)基金項目(2014A030313446)；廣東省高等學(xué)校重點項目(2013CXZDA012)

O436.1

A

1000-5463(2016)06-0050-07

*通訊作者:黃旭光，教授，Email: huangxg@scnu.edu.cn.