具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

周景会，孙 浩，杨 珅，忽满利，叶增俍，周利斌，张晓蕾，袁柳通

（西北大学 物理学院，陕西 西安710069）

引言

相比于传统的电化学传感器，光纤传感器具有体积小、成本低、耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等诸多优点，近年来，光纤传感器已经在建筑和油气管道安全监控及电力工业等诸多领域得到应用。针对测量不同物理量，相继研制出了如温度、湿度、压力、弯曲、折射率、加速度光纤传感器［1－7］，其中，光纤折射率传感器在生物医学和化学领域有着广泛的应用前景，受到了人们关注，已有多种类型的全光纤结构折射率传感器相继报道了，如基于光纤布拉格光栅（FBG）［8］、长周期光栅光 纤 （LPG）［9］、微 纳 光 纤 布 拉 格 光 栅 （MNFBG）［10］、表面等离子体共振（SPR）［11］、光纤干涉仪［12］的折射率传感器。但是由于光纤材料本身存在的热光效应和热膨胀效应，光纤折射率传感器普遍存在易受温度交叉灵敏度干扰的缺点，这一缺点严重制约了光纤折射率传感器的实用化。为了解决这一问题，研究者们展开了相应的研究，报道了一些能够同时测量温度和折射率的光纤传感器［13－14］。本文提出并证明了一种具有温度自校准功能的光纤折射率传感器，可以很好地减小温度波动对折射率测量造成的影响。传感器为MMFFBG-MMF结构，采用对折射率不敏感的FBG作为温度校准组件。在测量液体折射率时，若样品温度发生变化，可以根据FBG中心波长的漂移量解调出温度的变化量，将总的共振波长漂移量减去温度变化导致的漂移量就可以得到折射率变化导致的共振波长漂移，从而解调出精确的折射率信息。实验结果表明，该传感器的折射率灵敏度为126nm，共振波长的温度灵敏度为35.09pm／℃，FBG的温度灵敏度为11.14pm／℃。相比于普通的折射率传感器，这种具有温度自校准功能的折射率传感器拥有更好的应用前景。

1 传感器设计和理论分析

本文提出的光纤折射率传感器结构如图1所示。传感头由一段FBG夹熔在2段相同长度的MMF之间构成。FBG的长度为10mm，中心波长为1550nm，MMF的长度都为2mm。入射光经过输入单模光纤（input-SMF）进入第一段多模光纤（MMF1）时，一部分能量会耦合进MMF1的包层中激发出高阶包层模，其余的能量沿FBG传播（部分被FBG反射），在FBG包层和纤芯中传输的光经过MMF2会重新耦合进输出单模光纤（output-SMF）。由于包层和纤芯折射率的不同，最后耦合的包层模和纤芯模存在的光程差会导致一个相位差的产生，最终导致包层模和纤芯模之间发生干涉。

图1 MMF-FBG-MMF结构传感器Fig.1 Schematic diagram of proposed MMF-FBG-MMF sensor

本文的FBG使用飞秒激光器和相位掩膜法在标准单模光纤上写入的，经过试验测试，其对外界液体折射率变化基本没有响应，是一种折射率不敏感光栅，通过调整参数设置，可以精确控制写入光栅的工作波长。因此，假设FBG的长度为L，纤芯模和激发出的m阶包层模的相位差可表示为

式中：ncoreeff，ncladdingeff，Δnmeff分别为纤芯模的有效折射率、m阶包层模的有效折射率和两者之间的有效折射率差；λ为工作波长。根据公式（1），当相位差满足干涉条件Φ＝2kπ（k为整数）时，相应的干涉极值波长即共振波长可表示为

由公式（2）可知，传感器透射光谱的共振波长与FBG的长度纤芯模和m阶包层模的有效折射率差成正比，当外界环境变化导致FBG的长度或者有效折射率发生变化时，会引起共振波长的漂移。2个相邻干涉极小值之间的波长差可表示为

由（3）式可知，2个干涉极小值之间的波长差随FBG的长度增加而减小，L越长，在测量范围内可观察到的干涉峰就越多。出于方便解调并且降低损耗的目的，在测量范围内存在1～2个干涉峰最为合适，因此我们选用10mm长的FBG。对于这种MMF-FBG-MMF结构的传感器，两段 MMF起到激发和再耦合包层模的作用，在保证1～2个干涉峰的条件下，其长度越短越好，MMF的长度越短，其中激发出的高阶本征模之间的干涉对传感器透射谱的影响越小。经过反复对比试验，2mm长度的MMF最为合适。因此，传感区域的总长度仅为14mm。

包层模对外界环境的折射率波动非常敏感，当环境折射率发生变化时，纤芯模和包层模的有效折射率差Δnmeff会发生相应的改变，从而导致透射光谱的共振波长发生红移（长波方向）或蓝移（短波方向），只需测出共振波长的漂移量就解调出相应的折射率变化信息，因此，这种光纤结构可以用作折射率传感。然而在实际应用当中，这种基于波长解调方式的折射率传感器普遍存在着温度串扰的问题，这是由于光纤材料自身具有的热膨胀效应和热光效应导致的。公式（2）中的Δnmeff和L会随着温度的变化发生相应的改变，其变化关系为

式中α和β分别为热膨胀系数和热光系数。由于光纤的热光系数要比热膨胀系数大2个数量级，热光效应对温度引起的波长漂移贡献最大，约占95%，从而严重影响折射率传感信息的准确性。因此对折射率不敏感的FBG可以用作温度校准，使本文提出的这种折射率传感器具有良好的温度自校准功能。在测量液体折射率时，若样品温度发生变化，就可以根据FBG中心波长的漂移量解调出温度的变化量，只需将总的共振波长漂移量减去温度变化导致的共振波长漂移量就能得到折射率变化导致的共振波长，从而得到精确的折射率信息，避免温度波动造成的影响。

2 实验测试与分析

折射率传感器实验测试系统如图2所示，实验所使用的宽带光源中心波长为1 550nm。光纤光谱仪分辨率为0.02nm，用于传感信号光谱变化的解调。实验在室温下进行，为避免外界应力干扰，将传感器固定在防震金属支架上，使光纤始终处于均匀拉直状态。该传感器在空气中的透射光谱如图3所示，在1 541nm处有一明显的干涉谷，FBG的中心波长在1 550nm。由图3可见，干涉并不均匀，为了对该传感器的干涉现象进行进一步分析，我们对其透射光谱进行了快速傅立叶变换，得到了相应的空间频谱，如图4所示。可见，参与干涉的有多个包层模，最终导致干涉光谱的不均匀。

图2 实验测试系统Fig.2 Schematic diagram of experimental testing system

图3 传感器在空气中的透射光谱Fig.3 Transmitted spectrum in air of proposed sensor

图4 传感器的空间频谱Fig.4 Corresponding spatial frequency spectrum

将传感器浸没在具有不同折射率的甘油水溶液中，通过光谱仪观察透射光谱的变化。所测甘油水溶液折射率范围为1.34～1.41，每次测量之前需要用阿贝折射率计校准溶液样品的实际折射率，测量之后用去离子水和无水乙醇反复清洗传感头。为减小误差，每组数据均测量5次取平均值。该传感器的透射光谱随液体折射率的变化如图5所示。可见，随着液体折射率的升高，干涉光谱的波长向长波方向漂移，而对折射率不敏感的FBG的中心波长并没有发生变化。选择1 541nm的共振波长观察其随折射率的变化关系，如图6所示。共振波长与液体的折射率近似成线性关系，共振波长正比于折射率。对数据进行线性拟合得到的拟合直线公式为y＝125.992 6x＋1 370.412，拟合直线的线性度非常好，其斜率为125.992 6，即该折射率传感器的灵敏度近似为126nm。也就是说，环境的折射率每变化一个单位，传感器的共振波长就漂移126nm。

图5 不同折射率下的透射光谱Fig.5 Transmitted spectra under different ambient RI

图6 共振波长随折射率的变化关系Fig.6 Resonance wavelength shifts with ambient RI

为了验证该传感器对温度的响应，将传感器置于一个真空电热箱，在25℃～105℃范围内每隔10℃记录一次光谱。透射光谱中1 541nm的共振波长和FBG的中心波长随温度的变化关系如图7所示。可见，共振波长和FBG的中心波长都随温度的升高向长波方向漂移，与温度成正比关系。对数据进行线性拟合，共振波长与温度的拟合方程为y＝0.035 09x＋1 540.187 4，其斜率为0.035 09，即共振波长的温度灵敏度为35.09pm／℃。FBG的中心波长与温度的拟合方程为y＝0.011 14x＋1 549.546 0，斜率为0.011 14，即FBG的温度灵敏度为11.14pm／℃。这样，FBG就可以为该传感器的折射率测量提供良好的温度校准功能。在测量液体折射率时，若样品温度发生变化，就可以根据FBG中心波长的漂移量解调出温度的变化量，将总的共振波长漂移量减去温度变化导致的漂移量就可以得到折射率变化导致的共振波长漂移，从而解调出精确的折射率信息。

图7 共振波长和FBG中心波长随温度的变化关系Fig.7 Resonance wavelength and Bragg wavelength shift with ambient temperature

3 结论

本文提出并证明一种基于 MMF-FBG-MMF结构的具有温度自校准功能的光纤折射率传感器，传感器的总长度为14mm，体积小，结构简单，抗干扰能力强，FBG可以提供良好的温度校准功能。实验结果证明，在测量折射率范围为1.34～1.41的液体时灵敏度为126nm。该传感器共振波长的温度灵敏度为35.09pm／℃，用温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14pm／℃。相比于普通的折射率传感器，这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。

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