毛細(xì)石英管構(gòu)成的溫度不敏感的折射率傳感器*

胡薈靈,江 超,程 迪,王 解,劉昌寧,孫四梅

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002)

光纖傳感器具有靈敏度高、抗腐蝕、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、抗高壓絕緣、防燃防爆、體積小、可靈活彎曲等優(yōu)點(diǎn),能夠測(cè)量磁場(chǎng)、位移、振動(dòng)、應(yīng)變、溫度、液位、電壓和電流等參數(shù),已被廣泛應(yīng)用在航空航天、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、土木工程、電力系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域[1-5]。毛細(xì)石英管由于在材料上與光纖具有天然的一致性,也常被用來(lái)與光纖一起構(gòu)成傳感器[6-9]。在文獻(xiàn)[7]中利用毛細(xì)石英管作為法布里-珀羅(FP)腔設(shè)計(jì)了一款折射率傳感器,獲得較高靈敏度。文獻(xiàn)[8]用飛秒激光在毛細(xì)石英管側(cè)壁加工一微孔,利用光纖熔接技術(shù)把毛細(xì)管熔接在單模光纖和多模光纖之間,制作法布里-珀羅干涉儀(FPI)型光纖氣壓傳感器,獲得較高靈敏度。文獻(xiàn)[9]利用兩種類型毛細(xì)石英管與光纖拼接構(gòu)法布里-珀羅干涉儀,作為光纖氣壓傳感器,也獲得較高靈敏度。

在工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究中,常會(huì)碰到測(cè)量液體的折射率。已經(jīng)報(bào)道的光纖折射率傳感器有多種結(jié)構(gòu)[10-18],例如,不同類型光纖錯(cuò)位[10]、光纖光柵與特殊結(jié)構(gòu)光纖串接[11]、光纖纖芯微結(jié)構(gòu)[12]、帶有微孔的錐形光纖[13-14]、微納光纖與光纖錐[15-18]等。這些結(jié)構(gòu)獲得了較高的折射率測(cè)量靈敏度,但也存在一些問題,譬如,光纖錯(cuò)位拼接難度大,重復(fù)性差;光纖中的微結(jié)構(gòu)需用激光精密加工技術(shù)與化學(xué)腐蝕微處理技術(shù),制備過程復(fù)雜;有些結(jié)構(gòu)需要用到特種光纖,造價(jià)高等。由于毛細(xì)石英管具有機(jī)械強(qiáng)度大、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn),針對(duì)上述問題,本文采用毛細(xì)石英管設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單溫度不敏感的折射率傳感器,它由“單模光纖-毛細(xì)石英管-單模光纖”熔接在一起構(gòu)成一個(gè)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI),利用該干涉儀對(duì)環(huán)境折射率和溫度響應(yīng)特性進(jìn)行研究。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、成本低廉、重復(fù)性好、靈敏度高等特點(diǎn),可以應(yīng)用于生物醫(yī)療、化學(xué)化工、食品制造和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。

1 傳感器制作與原理分析

1.1 傳感器的制作

普通單模光纖的纖芯較小,光在單模光纖中傳輸時(shí)導(dǎo)模光場(chǎng)基本束縛在纖芯內(nèi)部,導(dǎo)模很難與外界環(huán)境發(fā)生作用,因此對(duì)外界環(huán)境的折射率不敏感。我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖折射率傳感器由“單模光纖-毛細(xì)石英管-單模光纖”拼接構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)選取美國(guó)Polymicro Techologies公司生產(chǎn)的TSP002150型毛細(xì)石英管,它最高工作溫度為350 ℃。TSP002150毛細(xì)石英管內(nèi)徑為1 μm,外徑為75 μm,n1和n2分別為毛細(xì)管壁和空氣腔的折射率,去除毛細(xì)石英管聚合物涂層之后裸毛細(xì)石英管外徑約為125 μm～130 μm,與單模光纖包層外徑基本一致。單模光纖纖芯直徑為9 μm,包層直徑為125 μm。首先用燃燒的方法將毛細(xì)管的涂覆層燒掉,用切割刀將毛細(xì)管端面切割平整,然后與單模光纖熔接。毛細(xì)石英管在與單模光纖熔接時(shí),通過控制熔接參數(shù),使毛細(xì)管在熔接點(diǎn)無(wú)塌陷,實(shí)現(xiàn)“平接法”,這樣有利于傳感器制作。

1.2 傳感器光路圖

圖1為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光傳播圖。傳感器由單模光纖和毛細(xì)石英管熔接而成,熔接點(diǎn)充當(dāng)光分路器和光耦合器。

圖1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖

當(dāng)光在毛細(xì)管中傳播時(shí),光主要集中在折射率較大的毛細(xì)管管壁中傳播,由于毛細(xì)管壁較厚,與空氣管腔的折射率差較大,因此常以多模的形式存在。單模光纖纖芯中只傳輸一個(gè)模式,毛細(xì)石英管可傳輸多個(gè)模式。光源發(fā)出的光由光耦合器耦合到單模光纖中,以單一模式傳輸,其光場(chǎng)分布接近高斯分布,當(dāng)單模光纖中的光耦合到毛細(xì)石英管中時(shí),由于芯徑不匹配與存在空氣腔,有一小部分光在毛細(xì)管內(nèi)的空氣腔中傳播,大部分光在毛細(xì)管管壁內(nèi)耦合區(qū)分解,激發(fā)出多個(gè)模式,這些模式中的每一個(gè)光程差都可以產(chǎn)生或強(qiáng)或弱的干涉,干涉的強(qiáng)度取決于所涉及的模式強(qiáng)度。

1.3 MZI原理

為了簡(jiǎn)化分析過程,這里我們只考慮毛細(xì)管管壁中的一個(gè)模式和空氣管腔中的模式引起的光程差,近似看著一個(gè)MZI結(jié)構(gòu)。設(shè)毛細(xì)石英管管壁和空氣管腔中兩種不同的傳輸模式為L(zhǎng)P0m和LP0n,則透射光譜光強(qiáng)為:

(1)

式中:Ic為L(zhǎng)P0m的強(qiáng)度,IS為L(zhǎng)P0n的強(qiáng)度,φm,n為L(zhǎng)P0m與LP0n的相位差。其中模間相位差可以寫成:

(2)

φm,n=(2m+1)π

(3)

由式(2)與式(3)得m階諧振峰的波長(zhǎng)可以表示為:

(4)

當(dāng)傳感器周圍折射率發(fā)生變化(其他的不變)時(shí),外界環(huán)境折射率對(duì)毛細(xì)石英管管壁的有效折射率影響較大,對(duì)空氣管腔有效折射率影響很小。因此當(dāng)環(huán)境折射率變化時(shí),根據(jù)式(4)可得傳感器透射譜的諧振峰值波長(zhǎng)隨外界折射率的變化關(guān)系:

(5)

毛細(xì)石英管性能很穩(wěn)定,它的彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)均較小,因此當(dāng)外界溫度發(fā)生變化(其他的不變)時(shí),引起毛細(xì)石英管長(zhǎng)度變化很小,毛細(xì)管管壁與空氣腔有效折射率的變化也很小。根據(jù)式(4)可得傳感器透射譜的諧振峰值波長(zhǎng)隨外界溫度的變化很小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 傳感器的干涉譜

為了確保傳感元件的最佳傳感效果,對(duì)不同長(zhǎng)度的毛細(xì)石英管制作的傳感元件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。在制作傳感器時(shí),選擇了六個(gè)不同長(zhǎng)度的毛細(xì)石英管,長(zhǎng)度分別為1.0 cm,1.5 cm,2.0 cm,2.5 cm,3.0 cm和3.5 cm。將六種不同毛細(xì)管長(zhǎng)度的傳感器元件分別連接寬帶光源與光譜分析儀,在相同條件下得到的傳感器透射譜如圖2所示。由圖觀察,當(dāng)毛細(xì)石英管長(zhǎng)度增加時(shí),透射譜的凹陷深度逐漸增大,但當(dāng)毛細(xì)石英管達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí),干涉谷峰值展寬,不利于實(shí)驗(yàn)研究?；谝陨系姆治?最終選擇毛細(xì)石英管長(zhǎng)度為3 cm時(shí)構(gòu)成的傳感器元件進(jìn)行后面的實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 不同長(zhǎng)度毛細(xì)管時(shí)傳感器的透射譜

當(dāng)毛細(xì)石英管長(zhǎng)度L=3.0 cm時(shí),傳感器的透射譜如圖3所示。圖中傳感器透射譜在光纖通信波段有三個(gè)穩(wěn)定的諧振峰(波谷)dip 1,dip 2,dip 3,諧振峰dip 1的波長(zhǎng)λ1=1 390 nm,峰值強(qiáng)度A1=7.6 dB;諧振峰dip 2的波長(zhǎng)λ2=1 410 nm,峰值強(qiáng)度A2=11.4 dB;諧振峰dip 3的波長(zhǎng)λ3=1 555 nm,峰值強(qiáng)度A3=22.5 dB。自由光譜范圍為:

(6)

由式(6)可知,隨著毛細(xì)石英管長(zhǎng)度的減少,自由光譜范圍會(huì)增大。

圖3 毛細(xì)管長(zhǎng)度為3 cm時(shí)傳感器透射譜

為了初步估計(jì)傳感器透射譜中各個(gè)模式所占有的功率成分比例。對(duì)圖3光譜圖通過傅里葉變換,得到傳感器空間頻譜圖如圖4所示。在圖4中,除了一個(gè)值最大的峰外,十三個(gè)值較小的峰,還有許多值很小的峰,說明頻譜中包含很多頻率成分,證實(shí)了在傳感器透射譜形成過程中,有許多光模式都參與了作用,是一個(gè)多模干涉的過程。其中,值最大的峰占主要地位,對(duì)應(yīng)毛細(xì)管中低階模,它對(duì)光譜形成貢獻(xiàn)的功率最大;十三個(gè)值較小的峰占次要地位,對(duì)應(yīng)毛細(xì)管中多個(gè)高階模,它們對(duì)光譜形成貢獻(xiàn)一定的功率。證實(shí)了毛細(xì)石英管管壁中傳輸?shù)氖谴罅扛唠A模。其他許多值很小的峰,對(duì)應(yīng)毛細(xì)管中大量更高階模,它們對(duì)光譜形成貢獻(xiàn)少量的功率。雖然在傳感器透射譜形成過程中,相互作用過程相當(dāng)復(fù)雜,存在大量的模式相互作用,但一般認(rèn)為起主要作用的仍然是一些低階模。

圖4 傳感器空間頻譜圖

2.2 折射率實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試傳感器對(duì)不同環(huán)境折射率的響應(yīng),進(jìn)行了不同濃度氯化鈉溶液的試驗(yàn)。在室溫(25 ℃)下進(jìn)行試驗(yàn),折射率實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)時(shí),將傳感器輸入端與寬帶光源相連,輸出端與光譜分析儀連接,將傳感器探頭部分水平拉直放置在水槽中,兩端用兩個(gè)固定的支架把光纖固定,在一側(cè)放置5 g砝碼把光纖拉直,避免光纖彎曲對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)不同折射率溶液每隔15 min測(cè)量一次光譜數(shù)據(jù)。每測(cè)量完一次數(shù)據(jù)將水槽清洗干凈,避免溶液濃度不準(zhǔn)確,從而影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精確度。

圖5 折射率實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖7 諧振峰波長(zhǎng)λ1與折射率的變化關(guān)系以及線性擬合圖

在折射率實(shí)驗(yàn)中,利用氯化鈉溶液與水依據(jù)不同比例配置的折射率溶液,其折射率變化范圍為:1.345 1～1.381 2。傳感器對(duì)不同折射率濃度的氯化鈉溶液的響應(yīng)圖譜如圖6所示,由圖可知干涉谷隨氯化鈉溶液折射率的增大,逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。在dip 1、dip 2和dip 3三個(gè)干涉谷波長(zhǎng)漂移和擬合曲線分別如圖7～圖9所示。當(dāng)折射率變化時(shí),波長(zhǎng)移動(dòng)量和折射率變化量間存在很好的二次線性擬合關(guān)系,擬合度分別為0.982 6,0.991 4,0.989 0。通過計(jì)算可得,波谷dip 1、dip 2、dip 3的折射率靈敏度分別為105.4 nm/RIU、94.11 nm/RIU、122.3 nm/RIU(RIU為折射率單位),得到的靈敏度較大。當(dāng)折射率從1.381 2～1.345 1逐漸變小時(shí),能夠得到相同的變化結(jié)果。

圖6 不同折射率時(shí)傳感器透射譜

圖8 諧振峰波長(zhǎng)λ2與折射率的變化關(guān)系以及線性擬合圖

圖9 諧振峰波長(zhǎng)λ3與折射率的變化關(guān)系以及線性擬合圖

2.3 溫度實(shí)驗(yàn)

對(duì)傳感器進(jìn)行了溫度響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究。由于毛細(xì)石英管最高工作溫度為350 ℃,主要研究它的低溫特性。溫度實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示,溫度范圍為50 ℃～130 ℃,溫度從50 ℃上升到130 ℃,以每10 ℃作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn),光譜儀記錄傳感器光譜變化情況如圖11所示。圖11中三個(gè)波谷對(duì)溫度變化均不敏感。對(duì)圖中其中一個(gè)波谷dip 3(1 555 nm處)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如圖12所示,發(fā)現(xiàn)線性擬合度很差,無(wú)法找出溫度與諧振中心波長(zhǎng)的變化關(guān)系,因此無(wú)法用該傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。由于毛細(xì)石英管性能很穩(wěn)定,它的彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)均較小,因此當(dāng)外界溫度發(fā)生變化(其他的不變)時(shí),引起毛細(xì)石英管長(zhǎng)度變化很小,引起毛細(xì)管管壁與空氣腔有效折射率的變化也很小,因此該傳感器對(duì)溫度不敏感。從圖12中可見,當(dāng)溫度從50 ℃～130 ℃時(shí),諧振中心波長(zhǎng)漂移不到0.4 nm,而且溫度與波長(zhǎng)變化量之間沒有線性關(guān)系。

圖11 傳感器透射譜隨環(huán)境溫度的變化圖

圖10 溫度實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖12 諧振峰波長(zhǎng)λ3與環(huán)境溫度的變化關(guān)系以及線性擬合圖

3 結(jié)論

利用毛細(xì)石英管與單模光纖熔接制備了一款簡(jiǎn)易的馬赫-曾德干涉儀型折射率傳感器。通過分析干涉儀透射譜的諧振峰值(波谷)波長(zhǎng)與環(huán)境折射率之間的變化關(guān)系,能夠測(cè)量環(huán)境折射率。在通信波段附近波谷波長(zhǎng)1 555 nm處獲得最大測(cè)量靈敏度為122.3 nm/RIU。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)該傳感器對(duì)溫度不敏感,傳感器的諧振中心波長(zhǎng)與環(huán)境溫度之間不存在線性變化關(guān)系,因此無(wú)法用該傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。該折射率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備容易、靈敏度高、可控性強(qiáng)、成本低、穩(wěn)定性好、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。它在化工、醫(yī)學(xué)、生物、食品、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。