薄膜干涉型光纖溫度傳感器的偏振特性*

高曉丹，劉 嵐，姚 敏，魏 純

（武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430212）

0 引 言

將新型功能材料與光纖組合制成各種新型傳感器是當(dāng)前光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)［1］。納米薄膜和光纖的結(jié)合為各種新型傳感器提供了巨大的潛能［2～4］。在薄膜干涉型光纖傳感器中，納米薄膜作為傳感器的敏感元件，可以從待測(cè)環(huán)境中獲得相應(yīng)的反饋和響應(yīng)，而光纖作為反饋信號(hào)的載體，開拓了光纖傳感器新的應(yīng)用領(lǐng)域?；诒∧じ缮娴墓饫w傳感器具有測(cè)量參數(shù)多樣性的優(yōu)勢(shì)［5］。通過適當(dāng)?shù)谋∧ぴO(shè)計(jì)，不僅可以檢測(cè)基于特征波長(zhǎng)漂移原理的溫度或應(yīng)變等物理參數(shù)，還可以檢測(cè)化學(xué)和生物參數(shù)。Dai J X等人通過在高低反射率配對(duì)的2 個(gè)布拉格光柵的光纖端面沉積WO3-Pd2Pt-Pt復(fù)合薄膜制備氫（H2）傳感探針。在25 ℃室溫下，H2傳感器對(duì)氮（N2）氣氛中10 ×10-6的H2有明顯的響應(yīng)［6］。Peng J K等人利用物理氣相沉積技術(shù)沉積ZrO2和SiO2多孔薄膜制作了光纖濕度傳感探頭，所制備的傳感器濕度檢測(cè)范圍為0.06%～70%RH［7］。Huang C J 等人在藍(lán)寶石光纖端面沉積介質(zhì)薄膜，提出了一種基于法布里—珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）結(jié)構(gòu)原理的光纖高溫傳感器［8］。當(dāng)環(huán)境溫度從100.9 ℃變化到1111.0 ℃時(shí)，溫度靈敏度達(dá)到1.8 ×10-5／℃。

薄膜干涉型光纖傳感器通過在光纖端面鍍制納米級(jí)薄膜，利用薄膜的干涉實(shí)現(xiàn)光纖傳感。傳感探頭尺寸即為光纖自身的尺寸，具有微型化、易彎曲的特點(diǎn)，同時(shí)兼具光纖傳感器耐高溫高壓、抗腐蝕、抗輻射以及易于組網(wǎng)的特點(diǎn)，尤其適用于環(huán)境復(fù)雜、惡劣的測(cè)試場(chǎng)合［9，10］。

薄膜干涉型光纖傳感器的核心是敏感元件—薄膜。敏感薄膜的鍍制具有較高的工藝要求，重復(fù)性和可靠性依然是制約其工業(yè)應(yīng)用的棘手問題。理論上，在光纖傳感器中，光經(jīng)光纖垂直入射敏感薄膜（即薄膜的光入射角為0°）；然而，在實(shí)際制作過程中，由于光纖的切割與磨平、光纖的裝夾、鍍膜機(jī)的均勻性等各種原因，傳感器中敏感薄膜的實(shí)際光入射角可能偏離0°；而且光纖非常纖細(xì)，偏差不易被察覺，甚至可能存在較大的光入射角偏差。當(dāng)光傾斜入射時(shí)，薄膜的有效厚度和折射率隨之發(fā)生變化，電矢量垂直于入射面的振動(dòng)分量（s—分量）和平行于入射面的振動(dòng)分量（p—分量）會(huì)發(fā)生分離，從而產(chǎn)生偏振效應(yīng)［11，12］，限制傳感器的性能，甚至可能導(dǎo)致其無(wú)法正常應(yīng)用。

本文以光纖溫度傳感器為例，研究偏振對(duì)于薄膜干涉型光纖傳感器溫度特性的影響。這對(duì)于鍍膜前光纖的預(yù)處理，光纖夾具的設(shè)計(jì)安裝以及鍍制工藝的制定等具有指導(dǎo)意義。

1 理論模型

納米薄膜干涉型光纖溫度傳感器的原理如圖1 所示。從光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸?shù)矫舾斜∧有纬煞瓷涓缮婀庾V。

圖1 薄膜干涉光纖溫度傳感器原理

當(dāng)光傾斜入射光學(xué)薄膜時(shí)，每層薄膜p 偏振光和s 偏振光的導(dǎo)納均有不同

式中 nj為第j 層膜的初始折射率，θj由斯涅爾定律n0sin θ0＝nfsin θf(wàn)＝njsin θj得出。這里nf，n0分別為光纖和出射介質(zhì)的折射率；θf(wàn)，θ0分別為入射角、折射角。膜層材料的熱光系數(shù)αn受溫度T變化量ΔT的影響。

第j層膜的溫度特征矩陣為

式中 δj（T）為第j層膜的相位厚度，dj為第j層膜的物理膜厚，λ為波長(zhǎng)，膜層材料的熱膨脹系數(shù)αd與溫度T有關(guān)

m層膜的膜系特征矩陣

多層膜的p偏振反射率Rp和s偏振反射率Rs的溫度特性

其中，多層膜和光纖基底組合的導(dǎo)納Y ＝C／B，而

多層膜的反射率

薄膜干涉型光纖溫度傳感器是通過對(duì)反射光譜干涉條紋的波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行標(biāo)定而獲得相對(duì)應(yīng)的溫度［13］。當(dāng)溫度從T0變化到T時(shí)，特征波長(zhǎng)λm的相對(duì)變化量

當(dāng)光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，s 偏振光和p 偏振光發(fā)生分離，勢(shì)必會(huì)影響傳感器的溫度傳感特性。

2 溫度敏感薄膜的偏振特性

在光纖傳感器中，光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振效應(yīng)。以文獻(xiàn)［13］所設(shè)計(jì)的溫度敏感薄膜的膜系Fiber｜ZrO2—68 nm／SiO2—1432 nm／ZrO2—68 nm｜AiR為例，光纖為藍(lán)寶石光纖，設(shè)計(jì)入射角是0°入射。根據(jù)上述理論模型，采用MATLAB編程，模擬分析該設(shè)計(jì)薄膜的偏振特性。常溫下，光以20°入射角傾斜入射時(shí)，敏感薄膜的偏振特性如圖2所示。

圖2 常溫下敏感薄膜的偏振分離（20°入射角）

當(dāng)光以不同的入射角入射敏感薄膜，由于偏振效應(yīng)的影響，常溫下0°和15°入射時(shí)設(shè)計(jì)薄膜的干涉光譜如圖3所示。當(dāng)光以15°角傾斜入射敏感薄膜時(shí)，相較于0°垂直入射，干涉光譜向短波方向漂移。主要是因?yàn)楣鈨A斜入射敏感薄膜時(shí)，薄膜的有效光學(xué)厚度受到膜層折射角θj的影響變?yōu)閚jdjcos θj。可見，當(dāng)敏感薄膜傾斜入射時(shí)，隨著入射角度的增加，干涉光譜會(huì)向短波方向漂移。

圖3 常溫下0°和15°入射角時(shí)干涉光譜

以干涉光譜峰值波長(zhǎng)的平均值作為特征波長(zhǎng)λm，分別研究25，500，1 000 ℃時(shí)干涉光譜的特征波長(zhǎng)相對(duì)變化量隨入射角的變化情況如圖4所示。

圖4 不同溫度下，干涉光譜特征波長(zhǎng)的相對(duì)變化量隨入射角變化情況

考慮到敏感薄膜的偏振效應(yīng)是光纖端面預(yù)處理、夾具安裝及鍍制工藝誤差等因素導(dǎo)致，所以分析時(shí)只考慮了0°～30°的入射角范圍，且以光譜向長(zhǎng)波方向漂移為正。由圖4可以看出，敏感薄膜干涉光譜的波長(zhǎng)漂移量受光入射角度的影響較大。隨著入射角度的增加，光譜呈現(xiàn)出較明顯的向短波方向漂移的特征。光入射角度越大，波長(zhǎng)漂移量越大。在常溫（25 ℃）條件下，0°～30°的入射角范圍內(nèi)，干涉光譜向短波方向漂移的波長(zhǎng)相對(duì)變化量達(dá)到0.53。對(duì)比500 ℃和1000 ℃的波長(zhǎng)漂移情況，隨著溫度的升高，波長(zhǎng)相對(duì)變化量略有減小的趨勢(shì)。在1 000 ℃時(shí)，干涉光譜向短波方向漂移的波長(zhǎng)相對(duì)變化量為0.38。這主要是因?yàn)楣饫w溫度傳感器的感測(cè)原理，溫度升高，膜層材料的折射率和厚度發(fā)生變化，干涉光譜向長(zhǎng)波方向漂移，通過對(duì)反射光譜干涉條紋的波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行標(biāo)定來確定溫度信息。也就是說，溫度升高所引起的波長(zhǎng)漂移方向與偏振效應(yīng)所引起的漂移方向相反，從而抵消了少量偏振效應(yīng)的影響。

3 偏振對(duì)傳感特性的影響

在薄膜干涉型光纖傳感器中，當(dāng)光垂直入射敏感薄膜時(shí)，反射光譜干涉條紋的波長(zhǎng)漂移量只取決于溫度。而當(dāng)光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，干涉條紋的波長(zhǎng)漂移量同時(shí)受偏振效應(yīng)和溫度的影響。

0°垂直入射時(shí)，傳感器的溫度特性如圖5 中黑色細(xì)實(shí)線所示。可見，理想情況下，反射光譜的干涉條紋隨溫度的升高向長(zhǎng)波方向漂移，當(dāng)溫度變化范圍為0～1 200 ℃時(shí)，其干涉條紋的波長(zhǎng)相對(duì)變化量為0.035，對(duì)比圖4 中光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，反射光譜的干涉條紋向短波方向漂移，波長(zhǎng)漂移的相對(duì)變化量達(dá)到0.5 左右?？梢?，相較于溫度而言，干涉條紋的波長(zhǎng)漂移特性對(duì)偏振效應(yīng)更加敏感。

圖5 光入射角對(duì)傳感器溫度特性的影響

考慮到實(shí)際測(cè)試應(yīng)用情況。在光傾斜入射的偏振條件下，以常溫25℃時(shí)測(cè)試光譜的特征波長(zhǎng)為參考波長(zhǎng)，隨著溫度的升高，分析不同角度入射時(shí)干涉光譜的溫度特性。圖5中對(duì)比0°，10°，20°，30°不同入射角下，光纖傳感器在各自偏振效應(yīng)下的溫度特性。定義光纖溫度傳感器的靈敏度為k，由于光入射角度的變化，產(chǎn)生靈敏度誤差ξ

k ＝（Δλ／λ）／ΔT，ξ ＝｜Δk｜／k×100% （10）

隨著入射角度的增加，傳感器的靈敏度逐漸降低。靈敏度及其誤差如表1所示。

表1 不同入射角度下的傳感器靈敏度及靈敏度誤差

4 結(jié) 論

通過對(duì)薄膜干涉型光纖溫度傳感器的偏振特性分析。可以發(fā)現(xiàn)，在光纖傳感器中，光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，所引起的偏振效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致薄膜的反射光譜干涉條紋向短波方向漂移，與溫度升高所引起的干涉條紋的漂移方向相反，且干涉條紋的波長(zhǎng)漂移特性對(duì)偏振更加敏感。因此，對(duì)于以光譜干涉條紋的波長(zhǎng)漂移特性來進(jìn)行物理感測(cè)的薄膜干涉型光纖傳感器，如溫度、濕度、折射率等光纖傳感器，都有必要考慮偏振對(duì)傳感器傳感特性的影響。