基于D型光纤探针的高灵敏折射率传感器*

梁红勤,刘 彬,刘 娟,张 平,胡金凤,廖云程,蔡旭辉

(南昌航空大学,无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室,南昌 330063)

侧面抛磨是光纤微加工的的主要方法之一,因其制作而成的D型光纤直径较大,便于封装,具有较高的强度以及独特的光学特性使其广泛应用于制作各类全光纤器件[1-4]。

目前对D型光纤的研究主要分为两个方面,一种是研究D型光纤制造新方法,改进传统的侧边抛磨工艺,提高D型光纤的光学性能,降低制作成本,改进批量生产工艺。第二种是利用D型光纤制作新型的全光纤器件。D型光纤的制作方法主要包括侧边弧型槽基块抛磨法、侧边轮式抛磨法和激光加工法[5-7]。侧边轮式抛磨法是最经济实用,如2005年暨南大学的陈哲等人发明一种光纤侧边抛磨装置,包括对保偏光纤进行定轴和对普通光纤的侧边抛磨装置[8],2017年马来西亚大学Ahmad H设计了单模光纤的抛磨法[9],因此D型光纤的制作方法可根据需求改进,力求搭建出经济实用性抛磨平台。D型光纤的应用方面,因光纤倏逝波传感器具有成本低、体积小、远距离传感、在线测量等特点,D型光纤倏逝波传感器得到了重视和发展。2010年刘宏亮等人研究了倏逝场D型光纤氢气传感器,其灵敏度为441 nW/RIU[10]。2015年邓旺等人研究了D型光纤传感器的飞秒激光加工方法,其制作的D 型光纤传感器灵敏度为37 dB/RIU[7]。目前D型光纤倏逝波传感器最大的缺点是灵敏度和线性度不能同时达到一个很理想的结果。

本文研究了一种高灵敏度的D型光纤探针消逝场传感器,通过自主搭建简易的光纤侧面抛磨装置,得到D型光纤。对D形光纤消逝场传感器的结构进行了改进,设计出了一种表面粗糙的D形光纤探针结构的消逝场传感器,大大提高了传感器的灵敏度和线性度。

1 传感器的基本原理

光在光纤中传播时,会在纤芯和包层的界面上形成消逝场。光纤的包层为非吸收介质,光在光纤中传输时不会引起能量的损失。当把光纤抛磨到接近纤芯,横截面为D形后,消逝场会与被测物质发生作用而引起能量的吸收,反映在光纤输出光强的减少,故被测物质溶液折射率的大小可通过检测光纤输出光强的大小来反推,这就是消逝场传感器的作用机理。当光纤表面较粗糙时,由于光纤表面的瑞利散射,引起的损耗就大,传感器的灵敏度也随之提高[11]。

本文制作的消逝场型D型光纤传感器是在光纤上通过侧边抛磨方法去掉一段光纤包层。当光在光纤中传输时,会在抛磨区的纤芯周围产生一个大小随径向位置成指数衰减的消逝场,当抛磨表面接触溶液时,影响到消逝场,通过检测光强的变化就可检测溶液折射率的变化。

2 传感器的制作和结果分析

我们自主搭建轮式侧边抛磨系统制作D型光纤,如图1(a)和图1(b)所示,图1(b)中的三维位移台仅适用x方向,原理上和图1(a)相同。磨轮是由粗糙度800目的砂纸包装而成的。磨轮固定在精确的一维Y轴可调平移台上,通过手动控制平移台沿Y方向以充分利用抛磨纸。单模光纤(长飞G652D SPF)的纤芯/包层直径为9/125 μm。首先将光纤的一端用光纤夹具夹住,再将光纤中间剥去2.5 cm左右,然后用沾酒精的擦镜纸反复擦拭干净,将剥去的不放在磨轮上。另一段在用光纤夹具夹住,最后将光纤两端通过光纤适配器分别连接到光源和光功率计上。调整平移台的x轴方向,在研磨过程中给光纤施加一定的应力。我们使用了ILX Lightwave公司的光功率计(OMM-6810B/OMH-6727B)和1 550 nm光纤激光器(STL 2000)在线监测SPF的透射功率。图2为该光功率计稳定性的出厂测试指标,采用ILX Lightwave公司的高稳定性激光光源MPS-8033/01进行测试,功率稳定性优于±0.004 dB。通过显微镜观察D形SPF的过渡区侧视图和横截面图,如图1(c)和1(d)所示。

图1 (a)、(b)自主搭建的轮式光纤侧面抛磨系统; (c)抛磨光纤过渡区的侧视图片;(d)抛磨光纤横截面

图2 光功率计的功率稳定性测量

依据光纤的侧边抛磨实验,发现抛磨初期功率是不变化的,只有抛磨深度接近光纤纤芯时,此时功率才会出现明显的连续变化,说明有明显的消逝波溢出。通过显微镜测量可知光纤抛磨损耗和抛磨平坦区剩余直径的对应关系如表1所示。研究发现抛磨产生的最大损耗为25 dB,所以我们以5 dB的损耗大小为一个损耗梯度,制作5组不同能量损耗的D型光纤,其中抛磨区的长度测量约为4.5 mm,两边过渡区为2 mm,如图3(a),将制作好的D型光纤封装在凹形载玻片上。对制作好的5组D型光纤进行折射率传感测试,其中不同折射率溶液由不同浓度的食盐溶液实现。测试前,将待测D 型光纤的两端通过适配器分别连接到光源和功率计上,如图3(b)所示。测试过程中,将不同折射率的食盐溶液依次滴入凹形载玻片里淹没D 型光纤,分别记录不同折射率溶液里对应的光功率计稳定时的值,且每次记录数据后均用温水把 D 型光纤清洗干净。

表1 抛磨损耗和抛磨平坦区剩余光纤直径的关系

图3

不同折射率溶液与相应传输损耗的对应关系如图4所示。折射率传感灵敏度公式为[12]:

式中:dP为损耗的变化,dn为折射率的变化。从图4可知:随着D型光纤抛磨损耗的增大,传感器的折射率传感灵敏度也随之增大,抛磨损耗为5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、25 dB的D型光纤对应的折射率传感灵敏度分别约为4.24 dB/RIU、12.31 dB/RIU、29.67 dB/RIU、55.50 dB/RIU、74.96 dB/RIU,对应传输损耗与折射率的拟合曲线的的相关系数分别为0.985 80、0.987 58、0.981 14、0.977 27、0.997 88。由此可知抛磨损耗为25 dB的D型光纤折射率传感灵敏度最高,线性度也最好。实际制作中D型光纤抛磨损耗25 dB没有20 dB成品率高、但抛磨损耗为20 dB的D型光纤的灵敏度和线性度都有待提高。

为了检测D型光纤的重复性,我们制作抛磨损耗均为20 dB的3个D型光纤,将其在同样的条件下进行折射率传感测试,将测试结果进行对比,3个D型光纤样品的传感灵敏度分别为55.50 dB/RIU、52.98 dB/RIU、51.24 dB/RIU,其传感灵敏度的误差在4 dB/RIU左右,其灵敏度几乎相同,如图5所示。误差主要原因存在于两个方面:一方面实验中存在的偶然误差,如抛磨损耗的误差、环境的影响等,另一方面是因为,因为每次抛磨施加拉力和抛磨速度的不同,导致抛磨加工的光纤表面的粗糙度并非完全一致,这样容易造成光线的散射的不同。因此该D型光纤性能比较稳定,具有很好的可重复性。

图4 不同抛磨损耗的D型光纤传感器传输 损耗与折射率的关系

同时我们对D型光纤性能的稳定性也进行了检测。首先将抛磨损耗为15 dB的D型光纤分别在酒精,去离子水、磷酸盐溶液3种不同溶液中进行稳定性测量,测量时间为30 min,每隔一段时间记录一下对应的功率计的显示数值,测量结果如图6所示,由图可知D型光纤分别在3种溶液里浸泡30 min,D型光纤传输功率值均变化很小,其稳定性优于±0.03 dB。因此D型光纤具有很好的稳定性。

为使制作的传感器更利于用于折射率传感测量,我们将抛磨好的D型光纤在距离抛磨区1 cm左右的地方用光纤切割刀将其切割,得到平整的端面,然后通过镀膜仪,在端面镀上厚度为160 nm左右的银膜,得到探针型D型光纤,如图7(a)所示。图7(b)为折射率传感装置示意图,实验过程中,由1 550 nm光纤激光器光源产生的入射光经过光环形器传输至D型光纤探针中。到达D型探针的抛磨区时,消逝场会与被测物质发生作用而引起能量的吸收,因为周围环境折射率的不同,反映为光纤输出光强的不同。经过端面的银膜反射后,反射光沿着相反的方向再次通过传感区域经环形器进入光功率计。

图6 15 dB抛磨损耗的D型光纤在不同溶液中 的时间稳定性曲线

图7 折射率传感实验装置图

以2.5 dB的损耗大小为一个损耗梯度,制作 6组不同能量损耗的探针型D型光纤。将其在同样的条件下进行折射率传感测试,将测试结果进行对比,如图8所示:抛磨损耗为5 dB、7.5 dB、10 dB、12.5 dB、15 dB、17.5 dB的D型光纤探针对应的折射率传感灵敏度分别约为7.00 dB/RIU、17.40 dB/RIU、21.06dB/RIU、25.43 dB/RIU、64.94 dB/RIU、40.63 dB/RIU,对应传输损耗与折射率的拟合曲线的的相关系数分别为0.930 13、0.989 16、0.996 05、0.991 03、0.995 27、0.992 23。可知抛磨损耗大于5 dB的探针型D型光纤的线性相关系数都在0.99以上,与非探针型D型光纤相比,其线性度得到了很大提升。且抛磨损耗为15 dB的探针型D型光纤的灵敏度比文献[12-13]的光纤传感器灵敏度高出2倍。测量折射率精度的表达式为[14]

式中:dPmin为光功率计的最小分辨单位为0.004,计算可得该传感器的折射率精度为0.000 06。

图8 不同抛磨损耗的探针型D型光纤传感器 折射率传感曲线

3 结论

我们通过自主搭建简易的光纤侧面抛磨装置,得到D型光纤。通过利用D型光纤表面粗糙度和探针型结构,提高了传感器的折射率灵敏度和线性度。实验结果表明实验所得的探针型D型光纤传感器稳定性强,线性度好。其中抛磨损耗为15 dB时,其灵敏度最高灵敏度为64.93 dB/RIU,线性相关系数高达99.53%。测量折射率精度可达0.000 06。该传感器制作简单、灵敏度高、高线性度、结构紧凑、可单端测量、制作和测量系统简易以及稳定性好等优点,在生物化学传感和环境污染监控等领域中具有良好的应用前景。