光纤折射率传感器的设计制备与应用研究

曾晓琳，李建鹏，官静雯，康佳静，孙秀晶，刘晓昱（华侨大学工学院，福建泉州362021）

光纤折射率传感器的设计制备与应用研究

曾晓琳，李建鹏，官静雯，康佳静，孙秀晶，刘晓昱
（华侨大学工学院，福建泉州362021）

摘要：利用倏逝波原理制备了光纤折射率传感器。实验测量了不同腐蚀深度下环境折射率与输出光功率的关系，以及光源波长为1550. 0nm和1310. 0nm时环境折射率与输出光功率的关系。通过侧边腐蚀制备了D型光纤和D型光纤折射率传感器，对比了全面腐蚀和侧边腐蚀制备的光纤折射率传感器。

关键词：光纤折射率传感器；全面腐蚀；腐蚀深度；波长；侧边腐蚀；D型光纤

0　引言

光纤折射率传感器具有体积小、质量轻、可挠曲、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点，其中基于倏逝波吸收原理的光纤传感器具有灵敏度高和设计简单的特点[1]。1986年，Falcon等人通过部分去除单模光纤包层的方法，使倏逝波进入外部介质环境中，实现了对外界环境折射率和温度的测量[2]。基于倏逝波原理的光纤传感器可应用于许多领域，如pH检测[3]、食品安全检测[4]和折射率测量[5]。许多研究利用布喇格光纤光栅和长周期光纤光栅制备光纤折射率传感器，这种方法会增加传感器的制作成本。通过腐蚀单模光纤制备的光纤折射率传感器不仅结构简单、制作简易、成本低，而且基于倏逝波原理制备的光纤折射率传感器的调制结果即为输出光强变化，不需复杂的解调装置。

本文采用全面腐蚀单模光纤和侧边腐蚀单模光纤分别制备基于倏逝波原理的光纤折射率传感器，并比较光源波长、腐蚀深度、全面腐蚀和侧边腐蚀等参量变化对光纤折射率传感器的影响。

1　传感器制备原理

光发生全反射时，并非全部的光能都会被反射，有部分光波会透过光密光疏界面进入光疏介质中，并沿着界面流过波长量级的距离后重新返回光密介质，沿界面流动的光波称为倏逝波[6]。光纤纤芯为光密介质，包层为光疏介质，光纤中的光通过全反射进行传输，光纤中的倏逝波沿光纤轴向传播，倏逝波能量沿光纤径向指数衰减[7]。倏逝波光场表示为[7]：

其中，n1、n2分别为光密介质和光疏介质的折射率，θi为入射角，E0为界面上的场强，k1、k2分别为光疏和光密介质中光的波矢，ω为角频率，z为光纤轴向长度，x为倏逝波距光疏光密介质界面的距离。

纤芯和包层在理想情况下均为非吸收特性的介质，因此，包层中倏逝波的传输不会引起光功率损耗。我们可以通过减少包层厚度或去除全部包层制备出光纤折射率传感器的传感区，采用待测溶液替代光纤的部分或全部包层。当倏逝波进入待测溶液后，待测溶液会吸收倏逝波的能量，引起输出光功率减小[1]，根据输出光功率的变化即可得知传感区溶液的折射率。

2　全面腐蚀单模光纤制作光纤折射率传感器

2.1实验过程

本文采用全面腐蚀光纤制作折射率传感器，光纤直径为125.0μm，纤芯直径为9.0μm，纤芯折射率为1.4675，包层折射率为1.4665。由30.0ml浓度为40.0%的氢氟酸溶液和13.0ml水配制成浓度为30.0%的氢氟酸溶液，在室温下测得其对光纤的腐蚀速率为1.4μm/min，通过腐蚀时间可以知道光纤的腐蚀深度。

由于甘油水溶液浓度每增加10.0%，折射率会增加0.0140[8]，本文利用水、甘油和浓度为10.0%、20%～90.0%（浓度梯度为10%）的甘油水溶液，制备折射率为1.3333、1.3473、1.3613～1.4733（折射率梯度为0.140）的溶液，为光纤折射率传感器提供具有不同折射率的外界环境。

实验装置如图1所示，光源发出的光经光纤传输，在光纤腐蚀区域覆盖不同折射率的溶液，基于倏逝波原理光强被调制，光纤输出光强变化。

图1　实验装置

2.2剩余包层厚度不同时的分析

本实验通过全面腐蚀光纤包层制得光纤折射率传感器，在制作过程中可以得到腐蚀区剩余包层厚度不同时，溶液折射率与输出光强的关系如图2所示。当溶液折射率为1.4700时，输出光功率有显著变化，剩余包层厚度越小，输出光功率变化越大。

图2　不同剩余包层厚度下溶液折射率与光强关系

在全反射过程中，产生的倏逝波穿过小间隙光疏介质，进入另一种光密介质的现象被称为光学隧道效应[7]。纤芯折射率为1.4675，包层折射率为1.4665，当溶液折射率为1.4733时，由于光学隧道效应，倏逝波穿过厚度仅为几微米的包层，进入溶液，倏逝波能量被溶液吸收，导致输出光功率急剧下降。当光强为纤芯包层界面处倏逝波光强的1/e时，透射深度为：

我们取纤芯折射率n1为1.4675，包层折射率n2为1.4665，工作波长为1550.0nm，纤芯包层边界设为x=0，将以上参数代入式（2）进行模拟，得到剩余包层厚度与输出光功率的关系如图3所示。倏逝波的透射光强随透射深度增加锐减，即剩余包层厚度越小倏逝波能量越大，光纤折射率传感器的灵敏度越高。透射深度为9.3μm时，倏逝波光强为纤芯包层边界倏逝波光强的1/e倍，这与图2中剩余包层厚度为9.6μm时光强开始对外界溶液折射率变化较敏感相吻合。

图3　剩余包层厚度与输出光功率关系

从以上结果可以得出，剩余包层厚度越小，溶液可吸收的倏逝波能量越大，光纤折射率传感器的灵敏度越高,腐蚀至包层制备的光纤折射率传感器可测折射率范围就越小。

2.3纤芯剩余直径不同时的分析

纤芯剩余直径（d）不同时，光纤折射率传感器在不同折射率溶液中折射率和输出光强的关系如图4所示。溶液折射率越接近纤芯折射率，输出光功率越小，这是由于纤芯折射率稍大于溶液折射率时,即可满足弱导条件,光纤对电磁波的约束较弱,从而有更多的电磁功率进入溶液,传感器的灵敏度较大[9]。随着腐蚀剩余光纤直径的减少，光功率曲线整体下移，可测折射率范围变大，这是因为腐蚀纤芯减小了纤芯直径，所以传输的光功率变小，有更多的光进入溶液中。

图4　不同剩余纤芯直径下溶液折射率与光强关系

图4中，当d=1.8μm，光源波长λ=1550.0nm时，溶液折射率为1.4033和1.4893，对应传感器灵敏度分别为80.4dBm/RIU和2133.9dBm/RIU；λ=1310.0nm时，溶液折射率为1.4033和1.4593，对应传感器灵敏度分别为48.2dBm/RIU和2092.9dBm/RIU。可以看出，腐蚀剩余纤芯直径相同时，1550.0nm波长光源下光纤溶液折射率传感器灵敏度更高，这是由于腐蚀深度相同时，1550.0nm波长的倏逝波光强更大，受溶液折射率的影响就越大。

设纤芯直径为a，归一化直径为Ra，则单模光纤在纤芯和包层的归一化光场分布为[7]：

其中，U为归一横向化相位参数，W为归一化横向衰减参数。将光场分布代入式（1），可得相同纤芯腐蚀剩余直径下归一直径与倏逝波光强的关系如图5所示。在相同归一化直径下，相比λ=1310.0nm的倏逝波，λ= 1550.0nm的倏逝波光强更大，透射深度更强，即在相同纤芯剩余直径下，1550.0nm倏逝波有更多光功率可以被溶液吸收。

3　侧边腐蚀单模光纤制作溶液折射率传感器

由于全面腐蚀光纤制备的折射率传感器传感区光纤直径小，机械强度低，所以许多文献采用机械强度更好的D型光纤制备折射率传感器。

目前，制备D型光纤的主要方法有侧面研磨、侧边抛磨、在线测量抛磨和利用飞秒激光器加工[11～13]。以上方法制备的D型光纤制备成本高，传感区较粗糙，需要对传感区进行进一步抛光处理。

本文通过对光纤进行侧边腐蚀制备D型光纤。实验中用腊包裹光纤的一侧，将蜡块和光纤没入氢氟酸溶液中进行腐蚀,光纤未被腊包裹的一侧被腐蚀，侧边腐蚀后的光纤横截面为D型。因为暴露在氢氟酸溶液中的光纤腐蚀速度恒定，所以由腐蚀时间可以推知侧边腐蚀深度。本文制备的D型光纤制备成本低，无需进一步抛光处理，且通过控制腐蚀时间可以控制腐蚀深度，无需在线监控设备。

图5　归一化直径与倏逝波功率关系

4　全面腐蚀和侧边腐蚀比较

本文采用侧面腐蚀光纤至包层和纤芯分别制备光纤折射率传感器[14]，并将其与全面腐蚀制备的光纤折射率传感器进行比较。实验所用光源的波长为1550.0nm，得到侧边腐蚀和全面腐蚀制备的传感器在不同剩余包层厚度下溶液折射率与光强的关系，具体如图6所示。在相同剩余包层厚度下，溶液折射率为1.4733时，全面腐蚀制备的光纤折射率传感器输出光功率变化显然大于侧边腐蚀制作的光纤折射率传感器，即腐蚀到包层时，全面腐蚀光纤制作的光纤折射率传感器比侧边腐蚀制作的光纤折射率传感器更灵敏。这是由于侧边腐蚀的光纤需要腐蚀的光纤包层与溶液接触面积较小,则被溶液吸收的倏逝波能量较小。

图6　在不同剩余包层厚度下溶液折射率与光强的关系

在不同纤芯腐蚀深度下，侧面腐蚀和全面腐蚀制备的传感器溶液折射率与光强的关系如图7所示。在不同纤芯腐蚀深度下，侧边腐蚀制备的光纤折射率传感器可测折射率范围较小。相对于全面腐蚀光纤制作的光纤折射率传感器，侧边腐蚀制备的光纤折射率传感器光功率整体下降，这是由于侧边腐蚀破坏了光纤的对称性和全反射条件。

综合以上分析，本文认为全面腐蚀光纤比侧边腐蚀更适宜制作光纤折射率传感器。

图7　在不同纤芯腐蚀深度下溶液折射率与光强关系

5　结束语

本文分别使用1310.0nm和1550.0nm波长的光作为光纤折射率传感器光源，比较了不同光源波长对光纤折射率传感器灵敏度的影响。结果表明，以1550.0nm波长为光源的光纤折射率传感器具有更好的灵敏度。本文通过全面腐蚀光纤制备了光纤折射率传感器，实验表明腐蚀剩余光纤直径越小，传感器灵敏度越大，可测折射率范围越广。本文通过侧边腐蚀制备了D型光纤，该制作过程无需抛光处理，制备简便，成本低。本文利用侧边腐蚀至包层和侧边腐蚀至纤芯的D型光纤分别制备了光纤折射率传感器，对比了全面腐蚀制备的光纤折射率传感器。结果表明，全面腐蚀制备的光纤折射率传感器灵敏度优于侧边腐蚀制备的光纤折射率传感器，且侧边腐蚀制备的光纤折射率传感器的光功率随纤芯腐蚀深度增大而急剧减小。综合以上结果我们可以得到：采用1550.0nm波长的光源，全面腐蚀单模光纤至机械强度允许范围内，即约1.8μm时，最适宜制备光纤折射率传感器。此光纤折射率传感器在溶液折射率为1.4033和1.4593，对应灵敏度分别为80.4dBm/RIU和2133.9dBm/RIU。

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Design preparation and application research on optical fiber refractive index sensor

ZENGXiao-lin,LIJian-peng,GUANJing-wen,KANGJia-jing,SUNXiu-jing,LIUXiao-yu
(College of Engineering, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China)

Abstract:The paper products the optical fiber refractive index sensor based on the principle of evanescent wave. The experiment measures the relationship of the different environments refractive index and the output optical power with the different optical fiber corrosion depth, and the relationship of the different environments refractive index and the output optical power, when source wavelength of the optical fiber refractive index sensor is 1550.0nm and 1310.0nm respectively. The paper makes the D-type optical fiber by side corrosion, and makes the optical fiber refractive index sensors, compares the sesors which made by comprehensive corrosion optical fiber and the side corrosion optical fiber.

Key words:optical fiber refractive index sensor, comprehensive corrosion, corrosion depth, wavelength, side corrosion, D-shaped optical fiber

中图分类号：TN252

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0022-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.007

收稿日期：2015-08-02。

基金项目：国家自然科学基金理论物理专项（41303001）资助；国家级大学生创新创业训练计划（66c72015）资助；福建省自然科学基金项目（2014J01012）资助；泉州市科技计划项目重点项目（2014Z104）资助。

作者简介：曾晓琳（1993-)，女，本科，主要研究方向为光纤传感。