基于光纖微結(jié)構(gòu)加工和敏感材料物理融合的光纖傳感技術(shù)?

王閔 劉復(fù)飛 周賢 戴玉堂 楊明紅

1)(武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,武漢 430200)

2)(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

1 前 言

傳感器是獲取各種信息的主要手段,在現(xiàn)代測(cè)量、自動(dòng)控制、安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療衛(wèi)生等民用和軍用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用.光纖本身可以作為敏感媒介和通信傳輸?shù)慕橘|(zhì),光纖傳感器是最有希望實(shí)現(xiàn)靈巧結(jié)構(gòu)的傳感器,它具有體積小、易彎曲、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[1?3],具有重要的研究、開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值.然而,由于光纖本身對(duì)有些化學(xué)或生物的參量和物質(zhì)屬性不敏感,所以無(wú)法直接利用光纖對(duì)這類物質(zhì)或參量進(jìn)行檢測(cè).因此,有必要研究敏感材料的設(shè)計(jì)和制備,將敏感材料和光纖附著在一起,光纖本身只起信號(hào)傳輸?shù)墓δ?即“傳”而不感;附著在光纖上的材料作為敏感的媒介起著敏感響應(yīng)的功能,即“感”而不傳.敏感材料和光纖附著的方式有很多,包括機(jī)械連接、化學(xué)膠黏、熱噴涂和氣相沉積[4?10]等.其中采用氣相沉積薄膜的方式在光纖的端面或者側(cè)面制備各種敏感薄膜,可以實(shí)現(xiàn)器件微型化、功能集成化等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景.

國(guó)內(nèi)外對(duì)基于敏感材料的光纖傳感器有一些研究,根據(jù)原理的不同可以分為四類:一種是在光纖光柵(FBG)的周面鍍制敏感薄膜,薄膜在敏感環(huán)境中導(dǎo)致光柵周期的變化,從而以波長(zhǎng)漂移的方式傳感環(huán)境的變化[11,12];另一類是在光纖端面制備敏感膜,敏感膜折射率受環(huán)境的影響而改變,從而以反射功率變化的形式感應(yīng)環(huán)境的改變,也就是所謂的基于微透鏡原理的端面反射型光纖傳感器[13?15];還有一類是將光纖側(cè)面微加工至纖芯,在加工區(qū)鍍制敏感薄膜,根據(jù)消逝波耦合的原理,敏感薄膜由于環(huán)境導(dǎo)致的折射率改變會(huì)影響光纖透射功率,這也就是基于消逝波的透射型光纖傳感器[16?18];最后一類是基于Fabry-Perot(F-P)型的薄膜光纖傳感器,包括本征型和非本征型.非本征F-P型光纖傳感器是由兩段端面鍍有高反膜對(duì)準(zhǔn)組成空氣腔的傳感器,其空氣腔易受環(huán)境干擾[19].而本征F-P型光纖傳感器是由全光纖構(gòu)成,F-P結(jié)構(gòu)全由薄膜組成,其中的腔層可能是無(wú)機(jī)材料,也可能是有機(jī)材料,其腔層折射率或者物理厚度受外界環(huán)境影響的變化導(dǎo)致F-P干涉譜的改變[20].

從另一方面講,敏感材料光纖傳感器的研究不僅包括利用新型的薄膜材料設(shè)計(jì)薄膜光纖傳感器,也包括在新型的光纖結(jié)構(gòu)上利用通用的薄膜敏感材料產(chǎn)生新型的傳感特性,從而開發(fā)新型的薄膜光纖傳感器.例如,短周期的光纖光柵由于光纖包層的足夠厚度使得其布拉格波長(zhǎng)不會(huì)因包層外環(huán)境折射率的改變而改變,但是采用側(cè)邊微加工技術(shù),將光纖光柵一側(cè)的包層去掉,然后在加工區(qū)鍍制敏感薄膜材料,這樣薄膜材料受環(huán)境影響而產(chǎn)生的折射率改變會(huì)導(dǎo)致纖芯有效折射率的變化,從而引起布拉格波長(zhǎng)的漂移[21?24].也就是說(shuō),傳統(tǒng)的薄膜敏感材料結(jié)合新型的光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微加工,同樣會(huì)產(chǎn)生新型的薄膜光纖傳感器.新型光纖結(jié)構(gòu)的加工包括化學(xué)腐蝕、飛秒激光微加工和光纖側(cè)邊拋磨等,因此有必要系統(tǒng)地研究新型光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工和薄膜敏感材料結(jié)合而產(chǎn)生的新型薄膜光纖傳感器的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù).

2 光纖微結(jié)構(gòu)與敏感薄膜物理融合的傳感原理與技術(shù)

2.1 Mach-Zehnder(M-Z)干涉型傳感器

1)理論模型

M-Z干涉型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,纖芯中傳播的光經(jīng)過(guò)微腔被分成兩路,一束光通過(guò)進(jìn)入微納光纖包層,另一束則經(jīng)過(guò)微結(jié)構(gòu),兩束光分別記為Iin1和Iin2,并在微結(jié)構(gòu)的另一端兩束光相互疊加產(chǎn)生干涉[25].

圖1 M-Z干涉型光纖氫氣(H2)傳感器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Schematic structure of M-Z.

輸出信號(hào)為

其中,I表示干涉信號(hào)強(qiáng)度,Iout1和Iout2分別為上下兩條光路輸出的光強(qiáng),相位差φ=2πΔneffL/λ+φ0,φ0為干涉的初始相位,λ為傳播的光波長(zhǎng),L為光纖激光微加工的微腔長(zhǎng)度,Δneff=?為兩條光路的有效折射率之差.若敏感薄膜為鈀(Pd)膜,利用其吸收氫氣后體積膨脹及折射率逐漸減小的性質(zhì)[26,27],將其與微結(jié)構(gòu)相結(jié)合檢測(cè)環(huán)境中氫氣濃度的變化,制作干涉型光纖氫氣傳感器.當(dāng)外界環(huán)境氫氣濃度發(fā)生改變時(shí),Pd膜吸氫后體積會(huì)發(fā)生膨脹,從而改變光程差ΔneffL,使干涉條紋發(fā)生移動(dòng).

圖2 (a)M-Z腔長(zhǎng)40μm,Pd膜厚度36 nm透射譜;(b)M-Z腔長(zhǎng)40μm,Pd膜厚度110 nm透射譜;(c)Dip1和Dip2對(duì)應(yīng)氫氣濃度變化的波長(zhǎng)漂移率Fig.2.Normalized transmission spectra of M-Z coated with micro-cavity lengths of 40μm,(a)dfilm=36 nm;(b)dfilm=110 nm;(c)wavelength versus hydrogen concentration with different thickness of dfilm=36 nm and dfilm=110 nm.

2)實(shí)驗(yàn)制備及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,利用脈寬為180 fs,中心波長(zhǎng)780 nm,脈沖頻率1 kHz的飛秒激光器直寫光纖微結(jié)構(gòu),制備腔長(zhǎng)為40μ膜厚度分別為36 nm和110 nm的M-Z樣品進(jìn)行氫氣實(shí)驗(yàn),其光譜圖如圖2所示.從圖2可以看出,隨著氫氣濃度的增加,Dip1和Dip2的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)生移動(dòng),與前面的理論分析相符.Dip1和Dip2波長(zhǎng)漂移率分別約為0.070 nm/%和0.155 nm/%,如圖2(c)所示.由此可以看出微加工腔長(zhǎng)為40μm,當(dāng)鍍不同膜厚度為36 nm和110 nm Pd的情況下,110 nm Pd膜的樣品變化幅度比36 nm Pd膜的變化量提高了近一倍,其主要原因可能在于110 nm Pd薄膜比36 nm Pd薄膜的多濺射了約74 nm的Pd薄膜,在通入氫氣的過(guò)程中需要更多更高濃度的氫氣才會(huì)達(dá)到飽和.在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,36 nm Pd薄膜的響應(yīng)時(shí)間大概為40 s,而110 nm Pd薄膜的響應(yīng)時(shí)間90 s,由于Pd薄膜越厚,越需要更多高濃度氫氣才能達(dá)到飽和,因此也會(huì)使傳感器的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng).因此,在制作傳感器的過(guò)程中,既要考慮膜越厚其波長(zhǎng)漂移越明顯,又要考慮其對(duì)實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的影響,綜合需要選取適當(dāng)?shù)腜d薄膜厚度.此外,利用飛秒激光加工微腔,腔長(zhǎng)越短其損耗也會(huì)降低,但是如果腔過(guò)于小則會(huì)給后續(xù)鍍膜帶來(lái)難度,因此在制作傳感器的過(guò)程中可以根據(jù)需要選取合適的微腔腔長(zhǎng).

2.2 F-P干涉型傳感器

1)理論模型

利用飛秒激光微在光纖上蝕除纖芯以及纖芯附近的部分包層形成F-P微腔,如圖3所示.

圖3 F-P干涉型光纖氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)圖Fig.3.Schematic structure of F-P.

通過(guò)飛秒激光微加工的微腔界面反射率較低,因此在分析中忽略微腔中的多次反射效應(yīng).根據(jù)干涉理論,F-P干涉型傳感器的原理可表示為[28,29]

式中I0為經(jīng)多次反射相干后輸出的光強(qiáng),Iin表示入射光強(qiáng)度,R是界面反射率,λ為傳播的光波長(zhǎng),L為光纖激光微加工的微腔長(zhǎng)度,n為F-P微腔的有效折射率.Pd薄膜吸氫后,對(duì)Pd薄膜產(chǎn)生應(yīng)力從而使F-P微腔產(chǎn)生應(yīng)變,其F-P微腔腔長(zhǎng)變化量與氫氣濃度的關(guān)系可以表示如下[30,31]:

其中,ΔL為光纖激光微加工的微腔長(zhǎng)度變化量,a是光纖的半徑,b為光纖的半徑a加上薄膜的厚度,r是微腔的半徑,Ei(i=1,2)分別為單模光纖和Pd薄膜的彈性模量,(E1=17×1010N/m2,E2=7×1010N/m2),x為氫氣濃度.由(3)式可以看出,當(dāng)氫氣濃度發(fā)生改變時(shí),Pd膜的厚度及有效折射率會(huì)發(fā)生改變.

2)實(shí)驗(yàn)制備及測(cè)試結(jié)果

圖4 (a)F-P(L1=20μm,L2=50μm,Pd膜厚度20 nm)在不同氫氣濃度中的反射譜;(b)F-P在波長(zhǎng)1298.42 nm對(duì)應(yīng)不同氫氣濃度的波長(zhǎng)漂移量Fig.4.(a)Normalized re flection spectra of F-P with L1=20 μm,L2=50 μm,dfilm=20 nm;(b)wavelength versus hydrogen concentration.

實(shí)驗(yàn)制備的F-P干涉型光纖氫氣傳感器樣品Pd膜厚度為20 nm,其微結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中,微結(jié)構(gòu)腔長(zhǎng)L1為20μm,微腔端面到光纖端面長(zhǎng)度L2為50μm.在室溫環(huán)境下,當(dāng)氫氣濃度從0升高到8%,其反射譜如圖4(a)所示.圖4(b)是對(duì)樣品波長(zhǎng)在1298 nm附近的波峰Peak的波長(zhǎng)漂移曲線進(jìn)行分析,在氫氣濃度分別為2%,4%,6%,8%時(shí),其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)漂移量分別為10 pm,30 pm,100 pm和150 pm,氫氣靈敏度約為?0.0195 nm/%.從圖4(b)可以看出,隨著氫氣體積濃度的增加,Peak向左移動(dòng),并且光譜強(qiáng)度逐漸降低,與模擬仿真分析結(jié)果相符.隨著氫氣體積濃度增加,Pd膜體積膨脹以及其拉動(dòng)微腔長(zhǎng)度變化改變其腔長(zhǎng),同時(shí),Pd膜的折射率減小,整個(gè)微加工腔中的有效折射率也隨之減小.因此,F-P光程差會(huì)發(fā)生改變,波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向漂移,譜線朝左邊移動(dòng),由此說(shuō)明微加工腔中介質(zhì)的有效折射率的改變占了主導(dǎo)因素.

3 光纖光柵微結(jié)構(gòu)加工與敏感材料融合

3.1 微結(jié)構(gòu)光纖光柵磁場(chǎng)傳感器

3.1.1 基于均分直槽FBG微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感器

首先利用飛秒激光在光纖光柵包層內(nèi)加工均分直槽,然后采用氫氟酸(HF)清洗加工后的微結(jié)構(gòu),再在微結(jié)構(gòu)表面鍍膜,制備出一種新型光纖磁場(chǎng)傳感探頭樣品.

假設(shè)外界引入一個(gè)磁場(chǎng),磁致伸縮材料所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)棣?那么磁場(chǎng)所產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)滿足下列公式:

式中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度.同時(shí),當(dāng)外界產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移為

式中λB為中心波長(zhǎng),ΔλB為中心波長(zhǎng)漂移量,Pe為有效彈光系數(shù).由于磁致伸縮膜直接覆蓋于光柵的包層,因此其產(chǎn)生的應(yīng)變將可直接傳遞到光纖光柵的應(yīng)變上.結(jié)合上述兩式,可得磁場(chǎng)強(qiáng)度與波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系為

由此可知,通過(guò)光纖光柵原始中心波長(zhǎng)以及中心波長(zhǎng)的變化可以測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小.

將制作好的傳感器樣品進(jìn)行編號(hào),編號(hào)方式為G-P-v-n(G代表直槽結(jié)構(gòu)、P代表激光束能量、v代表掃描速度、n代表直槽個(gè)數(shù)),沒(méi)加工任何微結(jié)構(gòu)的樣品編號(hào)為NO.

圖5 (a)不同槽數(shù)下波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系;(b)不同掃描速度下波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系;(c)不同激光能量下波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5.(a)The relationship between wavelength shift and magnetic field intensity with different number of grooves;(b)the relationship between wavelength shift and magnetic field intensity at different scanning speeds;(c)the relationship between the wavelength shift and the magnetic field strength under different laser power.

圖5(a)所示為不同槽數(shù)條件下波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系,圖5(b)為不同掃描速度條件下探頭的磁場(chǎng)傳感增敏特性圖,圖5(c)所示為不同激光能量條件下波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系.綜合分析圖5所示曲線,可以看出,直槽個(gè)數(shù)越多、掃描速度越小、激光能量越大,相應(yīng)地,靈敏度就越高.相比較而言,直槽個(gè)數(shù)對(duì)傳感器探頭靈敏度的影響最大.

3.1.2 基于螺旋FBG微結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)傳感器

利用飛秒激光在光纖光柵包層加工螺旋微結(jié)構(gòu),并結(jié)合磁控濺射技術(shù),在微結(jié)構(gòu)上鍍制超磁致伸縮材料膜TbdyFe,制作出基于螺旋微結(jié)構(gòu)的新型磁場(chǎng)傳感器探頭。實(shí)驗(yàn)表明能夠有效地提高靈敏度,且所加工出的螺旋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、體積小、重量輕,操作便捷而迅速,有著良好的應(yīng)用前景.

圖6 (a)FBG磁場(chǎng)傳感器波長(zhǎng)漂移與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系;(b)不同微結(jié)構(gòu)FBG傳感器磁場(chǎng)響應(yīng)曲線Fig.6.(a)The relationship between the wavelength shift and the magnetic field strength for the FBG magnetic field sensors;(b)the magnetic response curves of the FBG sensors with different microstructures.

圖6(a)為雙螺紋微結(jié)構(gòu)螺距為80μm的磁場(chǎng)傳感器波長(zhǎng)漂移對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)曲線.由圖6(a)可知,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,探頭的中心波長(zhǎng)漂移量也隨之增大.在磁感應(yīng)強(qiáng)度為150 mT時(shí),雙螺紋傳感探頭的波長(zhǎng)漂移量可達(dá)110 pm,而裸光柵的漂移量?jī)H為20 pm,也就是說(shuō),雙螺紋探頭的靈敏度提高了5.5倍;另一方面,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,中心波長(zhǎng)漂移量增加的趨勢(shì)逐漸減小,到150 mT時(shí)基本趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)槌胖律炜s材料TbdyFe的伸縮效應(yīng)已經(jīng)達(dá)到最大值,所以即使磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加,中心波長(zhǎng)漂移量也不會(huì)再增大.

圖6(b)為不同微結(jié)構(gòu)FBG對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的曲線，可以看出,雙螺紋FBG磁場(chǎng)傳感探頭的磁場(chǎng)靈敏度比單螺紋FBG磁場(chǎng)傳感探頭的靈敏度高.這是因?yàn)殡p螺紋微結(jié)構(gòu)有上下對(duì)稱的微槽,這樣就增加了鍍膜面積,而且橫截面也相對(duì)更小,因此在同樣的磁場(chǎng)下,其波長(zhǎng)漂移量更加顯著.另一方面,在雙螺紋微結(jié)構(gòu)中,螺距為80μm的FBG中心波長(zhǎng)漂移量比螺距為60μm的中心波長(zhǎng)漂移量大,其靈敏度可達(dá)1.1 pm/mT,這說(shuō)明螺紋的螺距越大,其對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度也更高.這是因?yàn)槁菥嘣酱?磁致伸縮所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力沿光纖軸向的分量也更大,因此產(chǎn)生的應(yīng)變也相對(duì)較大,靈敏度也就越高.

3.2 微結(jié)構(gòu)FBG氫氣傳感器

3.2.1 基于均分直槽FBG微結(jié)構(gòu)氫氣傳感器

應(yīng)用飛秒激光在FBG包層上加工了均分6直槽和8直槽微結(jié)構(gòu),隨后在槽表面鍍上520 nm的鈀/銀(Pd/Ag)復(fù)合薄膜,其比例為3:1.鍍Pd/Ag復(fù)合膜的FBG光纖氫氣傳感探頭的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)如圖7(a)所示,測(cè)試環(huán)境溫度為25°C.當(dāng)氫氣濃度從0%上升至4%的過(guò)程中,中心波長(zhǎng)有明顯的上升趨勢(shì),響應(yīng)時(shí)間相比純Pd膜FBG傳感器響應(yīng)的數(shù)十分鐘縮短至200 s,原因是氫原子在加入銀含量的Pd/Ag合金膜中的滲透速率更快.響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間定義為:當(dāng)吸氫氣和解吸附氫氣時(shí),信號(hào)變化達(dá)到100%所需要的時(shí)間.響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的原因是氫氣要滲透進(jìn)較厚的Pd/Ag合金膜.當(dāng)氫氣充入氣室時(shí),氫氣首先分離成氫原子,然后滲透進(jìn)Pd/Ag膜表面.當(dāng)薄膜表面附近的氫原子含量飽和時(shí),氫原子向更深處滲透.然而,在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中薄膜表面的氫含量保持很高的數(shù)值,這個(gè)現(xiàn)象導(dǎo)致了長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間.

圖7(b)給出了不同激光加工能量、不同鍍膜厚度的微結(jié)構(gòu)傳感探頭波長(zhǎng)漂移量隨氫氣濃度的變化關(guān)系.氫氣濃度在2%—4%時(shí),氫氣濃度和波長(zhǎng)漂移量基本呈現(xiàn)線性關(guān)系.當(dāng)膜厚度為520 nm時(shí),用75 mW和65 mW激光加工的傳感探頭的靈敏度分別為16.5 pm/%H和13.5 pm/%H;當(dāng)膜厚度為260 nm時(shí),用75 mW和65 mW激光加工的傳感探頭的靈敏度分別為12.5 pm/%H和7.5 pm/%H.無(wú)微結(jié)構(gòu)的鍍520 nm膜的標(biāo)準(zhǔn)FBG的靈敏度為4 pm/%H.當(dāng)氫氣濃度低于1%時(shí),所有樣品的波長(zhǎng)漂移量都相對(duì)較低,這是由于低的氫壓不足于迫使大量的氫原子滲透進(jìn)薄膜.

圖7 (a)鍍Pd/Ag復(fù)合膜FBG波長(zhǎng)隨氫氣濃度的變化[32];(b)波長(zhǎng)漂移量隨氫氣濃度的變化Fig.7.(a)Three cycles of hydrogen response of microstructured FBG and coated with 520 nm Pd/Ag composite film performed at 25°C;(b)the wavelength shift of sensors fabricated with varying laser pulse power,Pd/Ag composite film thickness.

3.2.2 基于螺旋光纖光柵微結(jié)構(gòu)氫氣傳感器

相比直槽微結(jié)構(gòu),在光纖包層加工螺旋微結(jié)構(gòu)的FBG光纖靈敏度更大,并且加工時(shí)間更短.當(dāng)包層表面鍍上氫敏感膜,可以增大鍍膜表面積,從而螺旋微結(jié)構(gòu)FBG傳感器的靈敏度能夠得到很大的提高.

含銀量的增加可以抑制Pd膜吸氫后的相變,但是同時(shí)降低了Pd膜吸收氫氣的量.根據(jù)文獻(xiàn)[33],當(dāng)Ag含量在20%—25%時(shí),氫在Pd/Ag系統(tǒng)中具有最快的滲透速率.根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到鈀銀比例為4:1時(shí),在室溫環(huán)境下,螺旋微結(jié)構(gòu)傳感探頭對(duì)氫氣的響應(yīng)時(shí)間最快.

圖8(a)表明樣品ss-1(螺距90μm,加工激光能量35 mW)的中心波長(zhǎng)響應(yīng)曲線,測(cè)試環(huán)境溫度室溫25°C,相對(duì)濕度32%.當(dāng)氫氣濃度達(dá)到4%時(shí),中心波長(zhǎng)漂移量為210 pm.三次循環(huán)測(cè)試后,樣品的漂移量基本持平,有1—2 pm波動(dòng).

圖8 (a)氫氣濃度與中心波長(zhǎng)關(guān)系;(b)不同激光能量加工樣品的波長(zhǎng)漂移關(guān)系Fig.8. (a)Corresponding sensing responses for Pd4/Ag1FBG sensor at different hydrogen concentration;(b)performance of double spiral microstructured sensors with different laser power.

圖8(b)所示為三個(gè)樣品漂移量的比較,說(shuō)明不同激光能量加工的螺旋槽傳感探頭靈敏度的區(qū)別.ss-1,ss-2,ss-3分別代表激光能量35,30和25 mW加工的樣品,螺距都為90μm.在濃度范圍1%—4%內(nèi),樣品ss-1,ss-2,ss-3的靈敏度分別為52.5,33.3,25.5 pm/%H,標(biāo)準(zhǔn)FBG的靈敏度為7 pm/%H.可以看出能量最大加工的樣品漂移量最大,相比無(wú)微結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)FBG樣品,ss-1的靈敏度是它的7.5倍.能量越大,加工的螺旋槽深度越深,光纖更易拉伸.同時(shí)鍍膜的表面積增加,使得光纖表面沉積的薄膜更多,吸氫后膨脹作用在光纖軸向力更大.綜合兩個(gè)方面作用,能量最大的樣品中心波長(zhǎng)漂移量最大.

4 總 結(jié)

功能敏感材料應(yīng)用于光纖傳感,通常只是將敏感材料涂覆在光纖上,利用敏感材料感知外界參量,利用波導(dǎo)光纖實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的傳導(dǎo).如果將光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)控,則可以通過(guò)調(diào)整微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)傳輸?shù)恼{(diào)控,再結(jié)合功能敏感材料,將可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料集成在光纖上物理融合,將有望從更多的維度對(duì)傳感特性進(jìn)行設(shè)計(jì),一方面可以大大提升傳感器的傳感性能(如靈敏度),另一方面,將有望發(fā)展新型傳感技術(shù)的物理實(shí)現(xiàn),為傳感技術(shù)的前沿技術(shù)提供更多發(fā)展空間.

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