基于SPR的双锥形光纤折射率传感特性研究

曹雨晨，孙 鹏

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870)



基于SPR的双锥形光纤折射率传感特性研究

曹雨晨，孙 鹏

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870)

利用液体折射率与表面等离子共振技术(SPR)，研究了光纤传感器在液体中透射光功率的变化，提出了一种液体折射率光纤传感器。该传感器采用3 dB耦合器进行分光，利用输出波长范围为1 530～1 580 nm的ASE作为光源，以熔融拉锥光纤作为传感单元。利用该光纤传感器，对NaCl溶液浓度与透射光功率之间关系的进行了实验研究。研究结果表明传感器外部介质折射率越高，光的传输损耗越大。而且在锥区外部镀膜，能够有效地提高传感器的灵敏度。

折射率传感器；锥形光纤；光纤传感；表面等离子体共振

0 引言

光纤传感器具有响应速度快、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、灵敏度高、安全性高、使用方便、体积小等优点[1]，广泛应用于对加速度、应变、光、旋转、位移、力、声、浓度、温度、磁以及某些化学量等参数的测量，其应用前景十分广泛[2-3]。

关于利用光纤传感实现对液体浓度的测量，目前，主要是基于光纤传感的液体折射率测量方法，其中包括双锥光纤理论模型，但关于理论模型与实际的传感器工艺参数之间联系的研究尚不够完善，从而影响了这种光纤传感器的研制与开发。尽管少数文献曾经报道过将理论模型与研制工艺参数相联系，但存在适用范围窄，或者需要知道不易测量的温度分布和黏度等问题。本文提出了一种基于双锥形光纤的液体浓度传感器，通过对该传感器的双锥形光纤折射率传感特性的研究，揭示了双锥形光纤传感器在液体中的透射光功率变化规律，据此可以用来测量液体的浓度。

1 双锥形光纤的传感特性

1．1 传感原理

图1 锥形光纤的几何光路图

当入射光经过锥区时，不断经过全反射，入射角逐渐减小。因此，总会有一部分光的入射角小于全反射的临界角，从而导致光透过包层进入到外界形成倏逝场，并在外界液体中传播，其结果造成透射光功率下降。另一方面，锥区外部液体浓度的变化会也会导致锥区外部折射率的变化，并引起全反射临界角αc的变化，从而影响透过包层进入到外界的光功率，进而使得通过双锥形光纤的透射光功率改变。由此可见，透射光功率与锥区外部液体折射率存在一定的关系，而锥区外部液体折射率又与液体浓度有关，因此，利用透射光功率可以检测体浓度。

1．2 光纤锥结构与传感性能

1．2．1 透射光功率与锥腰直径关系

熔锥光纤是把剥除涂覆层的裸单模光纤经过高温加热处理，然后将其纤芯和包层同时拉细。设熔锥光纤纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，半径分别为a和b，待测溶液的折射率为n0。为了阐述传输损耗随待测溶液折射率变化的关系，首先建立研究模型：即将原来熔锥光纤的芯层和包层等效成模型的新芯层，而把待测溶液作为模型的新包层。新芯层的折射率可以由原熔锥光纤的有效折射率neff来等效，而新包层的折射率即为待测溶液的折射率n0。利用LP01模[4]，可以解释当包层折射率n0变化时，芯层所携带的光功率与芯层和包层所携带的总光功率比值的变化规律。

LP01模的模场分布符合高斯分布，可以用高斯函数近似代替精确的场表达式。于是，新芯层所携带的光功率占总功率的比值为

(1)

式中：Pc为芯层携带的光功率；Pt为总的光功率；b为新芯层半径；s0为新模场半径。

对于阶跃折射率光纤，模场半径与芯层半径存在如下关系：

(2)

式中Δ为相对折射率差，Δ=(neff-n0)/neff。

将式(2)带入式(1)，并化简得到：

(3)

本研究所采用的光源波长为λ=1．55 μm，原熔锥光纤的有效折射率为neff=1．468 2。当双锥形光纤置于空气中时，n0=1。改变锥区的最小直径，可以得到芯层携带的光功率占总功率的比值Pc/Pt随锥区的最小锥腰直径变化关系曲线如图2所示。

图2 透射光功率与锥腰直径关系

从图2可以看出，当锥腰直径小于2 μm时，光透射率受锥腰直径的影响较大，当锥腰直径增加时，光透射率显著增加。当锥腰直径大于2 μm时，虽然光透射率仍然随锥腰直径的增大而变大，但是变化并不明显。

1．2．2 透射光功率与外部折射率关系

当双锥形光纤锥区浸泡在待测液体中时，芯层携带的光功率占总功率的比值Pc/Pt随锥区外部的待测液体折射率变化关系曲线如图3所示。

图3 透射光功率与外部折射率关系

从图3可以看出，随着包层折射率n0的增大，芯层所携带的光功率占总功率的比值Pc/Pt随之减小，这表明将会有更多的光泄漏到包层中损耗掉。据此可以得出熔锥光纤的传感机理：随着包层(待测介质)折射率n0的增大，芯层(熔锥光纤)携带的光功率占总光功率的比值减小，越来越多的光泄漏到包层(待测介质)中，导致传输损耗增大。根据此传感机理，在锥区浸泡到待测液体时，可以通过测量光经过锥区损耗的光功率来推算出液体的折射率。而液体折射率与液体的浓度在同一环境下有着对应的关系，即可得知待测液体的浓度。

2 双锥形光纤折射率传感实验

2．1 实验装置

双锥形光纤传感器的传感特性实验装置图，如图4所示。

图4 传感器原理示意图

其中，采用波长为1 530～1 580 nm的ASE光源产生入射光。入射光在经过3 dB的耦合器后，分成功率相同的2束光，一束经过双锥形光纤结构，最终由光谱分析仪接收相应的透射光谱。另一束直接被光谱分析仪接收，作为对比。这样，对比光谱分析仪接收到的两束光的光谱，就可以得出双锥形光纤结构的光谱特性，也就是锥形光纤区域的光谱吸收特性。由于双锥形光纤结构的尺寸在微米量级，因此对其周围环境的折射率变化极为敏感。当锥区外部折射率改变后，双锥形光纤的透射光功率将发生变化。因此，可以根据锥区外部折射率与透射光功率的关系，通过测量透射光功率来得到锥形区域周围环境的折射率。

2．2 实验结果

实验配置了5%、10%、15%、20%，25%5种不同浓度的NaCl溶液，并拉制了3根规格不同的双锥形光纤。

由于拉锥工艺限制，实验中主要对锥腰直径为30～50 μm的双锥形光纤进行了其传感性能的分组研究。第一组、第二组、第三组实验中所用的双锥形光纤锥腰直径分别为33 μm、40 μm、46 μm，3组实验中外界NaCl溶液浓度与透射光功率的关系如表1所示。

表1 3组实验NaCl浓度对应透射光功率

根据实验数据及相关计算，可以证明：透射光谱功率与NaCl溶液浓度具有一定的线性关系。

第一组实验的输入光功率为13．25 μW，当NaCl浓度每增大5%时，透射光功率降低约为输入功率的0．83%。将验数据拟合得到的线性关系为

y=2．955-0．022x

式中：y为透射光功率，μW；x为NaCl溶液浓度，%。

第二组实验的输入光功率为4．04 μW，当NaCl浓度每增大5%时，透射光功率降低约为输入功率的1．73%。将验数据拟合得到的线性关系为

y=2．54-0．014x

第三组实验的输入光功率为13．46 μW，当NaCl浓度每增大5%时，透射光功率降低约为输入功率的0．15%。将验数据拟合得到的线性关系为

y=3．857 5-0．003 5x

由于锥区外形、锥区长度等因素都会对透射光功率产生影响，所以3组实验得到的线性关系略有差异，但是3组实验都表现出了透射光功率与外部液体浓度有较好的线性度。

2．3 镀膜对于传感性能影响

为了研究双锥形光纤传感器的锥区外部镀膜对传感器灵敏度的影响，本研究对第三组实验中用所采用的双锥形光纤外部进行了镀膜处理。镀膜前与镀膜后NaCl溶液浓度与透射光功率的关系对比如表2所示。

表2 镀膜前后NaCl浓度对应透射光功率

镀膜后实验的输入光功率为10．71 μW，当NaCl浓度每增大5%时，透射光功率降低约为输入功率的0．28%，其线性关系表达为y=1．207-0．006x。

在本次实验中，较之镀膜前NaCl溶液浓度每增大5%，透射光功率降低约为输入功率的0．15%。镀膜后传感器灵敏度大约为镀膜前的1．87倍。由此可以得到结论，在锥区外部镀膜会令双锥形光纤传感器的灵敏度有所提高。

3 结束语

本文提出的双锥形光纤液体浓度传感器，通过将光纤拉细形成双锥形，并将锥区浸泡在待测液体中。当光经过锥区时，透射光功率会受到液体折射率的影响而改变，且二者呈现一定的线性关系，由此可以测得液体的浓度。而且，如果在锥区外部镀银膜，则会一定程度上提高传感器的灵敏度。

[1] 薛春荣．熔锥光纤的特性研究．激光与红外，2006，36 (9)：886-888．

[2] 帅词俊，段吉安，蔡国华．熔融光纤器件熔锥区的形貌和微观结构研究．光学学报，2006，26 (1)：121-125．

[3] ZHI Z F，YU H H，NAN K C．Successive asymmetric abrupt tapers for tunable narrowband fiber comb filters．IEEE Photonics Technology Letters，2011，23(7)： 438-440．

[4] BRAMBILLA G．Optical fiber nanowires and microwires： fabrication and applications．Advances in Optics and Photonics，2009，10(1)： 109-111．

Research on Refractive Index Sensing Propertiesof Bioconical Optical Fiber Based on SPR

CAO Yu-chen，SUN Peng

(Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China )

The change of transmission optical power of optical fiber sensor in the liquid was studied and the liquid refractive index optical fiber sensor was proposed．The sensor used a 3 dB coupler to divide light．The wavelength of the light source ASE ranged from 1 530 nm to 1 580 nm．The fused taper fiber was used as sensing unit．The relationship between the light power of the transmission spectrum and the NaCl solution concentration was analyzed by using the optical fiber sensor．The results show that the higher the refractive index of the sensor external medium is，the bigger the transmission loss is．And coating on the outside of the cone can effectively improve the sensitivity of the sensor．

refractive index sensor；tapered optic fiber；fiber sensor；surface plasmon resonance

国家青年科学基金项目(51407120)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-03-18

TN253

A

1002-1841(2015)06-0011-03

曹雨晨(1992—)，硕士研究生，研究方向为电气工程。 E-mail：cyccyc00@126．com 孙鹏(1958—)，教授，研究方向为智能化电器。