毛细石英管构成的温度不敏感的折射率传感器*

胡荟灵,江 超,程 迪,王 解,刘昌宁,孙四梅

(湖北师范大学物理与电子科学学院,湖北 黄石 435002)

光纤传感器具有灵敏度高、抗腐蚀、响应速度快、抗电磁干扰、抗高压绝缘、防燃防爆、体积小、可灵活弯曲等优点,能够测量磁场、位移、振动、应变、温度、液位、电压和电流等参数,已被广泛应用在航空航天、临床医学、环境工程、土木工程、电力系统等各个领域[1-5]。毛细石英管由于在材料上与光纤具有天然的一致性,也常被用来与光纤一起构成传感器[6-9]。在文献[7]中利用毛细石英管作为法布里-珀罗(FP)腔设计了一款折射率传感器,获得较高灵敏度。文献[8]用飞秒激光在毛细石英管侧壁加工一微孔,利用光纤熔接技术把毛细管熔接在单模光纤和多模光纤之间,制作法布里-珀罗干涉仪(FPI)型光纤气压传感器,获得较高灵敏度。文献[9]利用两种类型毛细石英管与光纤拼接构法布里-珀罗干涉仪,作为光纤气压传感器,也获得较高灵敏度。

在工业生产与科学研究中,常会碰到测量液体的折射率。已经报道的光纤折射率传感器有多种结构[10-18],例如,不同类型光纤错位[10]、光纤光栅与特殊结构光纤串接[11]、光纤纤芯微结构[12]、带有微孔的锥形光纤[13-14]、微纳光纤与光纤锥[15-18]等。这些结构获得了较高的折射率测量灵敏度,但也存在一些问题,譬如,光纤错位拼接难度大,重复性差;光纤中的微结构需用激光精密加工技术与化学腐蚀微处理技术,制备过程复杂;有些结构需要用到特种光纤,造价高等。由于毛细石英管具有机械强度大、性能稳定、价格低廉等特点,针对上述问题,本文采用毛细石英管设计了一款结构简单温度不敏感的折射率传感器,它由“单模光纤-毛细石英管-单模光纤”熔接在一起构成一个马赫-曾德尔干涉仪(MZI),利用该干涉仪对环境折射率和温度响应特性进行研究。该传感器具有结构简单、制作容易、成本低廉、重复性好、灵敏度高等特点,可以应用于生物医疗、化学化工、食品制造和环境检测等领域。

1 传感器制作与原理分析

1.1 传感器的制作

普通单模光纤的纤芯较小,光在单模光纤中传输时导模光场基本束缚在纤芯内部,导模很难与外界环境发生作用,因此对外界环境的折射率不敏感。我们设计的光纤折射率传感器由“单模光纤-毛细石英管-单模光纤”拼接构成。实验选取美国Polymicro Techologies公司生产的TSP002150型毛细石英管,它最高工作温度为350 ℃。TSP002150毛细石英管内径为1 μm,外径为75 μm,n1和n2分别为毛细管壁和空气腔的折射率,去除毛细石英管聚合物涂层之后裸毛细石英管外径约为125 μm～130 μm,与单模光纤包层外径基本一致。单模光纤纤芯直径为9 μm,包层直径为125 μm。首先用燃烧的方法将毛细管的涂覆层烧掉,用切割刀将毛细管端面切割平整,然后与单模光纤熔接。毛细石英管在与单模光纤熔接时,通过控制熔接参数,使毛细管在熔接点无塌陷,实现“平接法”,这样有利于传感器制作。

1.2 传感器光路图

图1为传感器结构示意图与光传播图。传感器由单模光纤和毛细石英管熔接而成,熔接点充当光分路器和光耦合器。

图1 光纤传感器结构示意图与光路图

当光在毛细管中传播时,光主要集中在折射率较大的毛细管管壁中传播,由于毛细管壁较厚,与空气管腔的折射率差较大,因此常以多模的形式存在。单模光纤纤芯中只传输一个模式,毛细石英管可传输多个模式。光源发出的光由光耦合器耦合到单模光纤中,以单一模式传输,其光场分布接近高斯分布,当单模光纤中的光耦合到毛细石英管中时,由于芯径不匹配与存在空气腔,有一小部分光在毛细管内的空气腔中传播,大部分光在毛细管管壁内耦合区分解,激发出多个模式,这些模式中的每一个光程差都可以产生或强或弱的干涉,干涉的强度取决于所涉及的模式强度。

1.3 MZI原理

为了简化分析过程,这里我们只考虑毛细管管壁中的一个模式和空气管腔中的模式引起的光程差,近似看着一个MZI结构。设毛细石英管管壁和空气管腔中两种不同的传输模式为LP0m和LP0n,则透射光谱光强为:

(1)

式中:Ic为LP0m的强度,IS为LP0n的强度,φm,n为LP0m与LP0n的相位差。其中模间相位差可以写成:

(2)

φm,n=(2m+1)π

(3)

由式(2)与式(3)得m阶谐振峰的波长可以表示为:

(4)

当传感器周围折射率发生变化(其他的不变)时,外界环境折射率对毛细石英管管壁的有效折射率影响较大,对空气管腔有效折射率影响很小。因此当环境折射率变化时,根据式(4)可得传感器透射谱的谐振峰值波长随外界折射率的变化关系:

(5)

毛细石英管性能很稳定,它的弹光效应和热光效应均较小,因此当外界温度发生变化(其他的不变)时,引起毛细石英管长度变化很小,毛细管管壁与空气腔有效折射率的变化也很小。根据式(4)可得传感器透射谱的谐振峰值波长随外界温度的变化很小。

2 实验结果与讨论

2.1 传感器的干涉谱

为了确保传感元件的最佳传感效果,对不同长度的毛细石英管制作的传感元件进行了实验探究。在制作传感器时,选择了六个不同长度的毛细石英管,长度分别为1.0 cm,1.5 cm,2.0 cm,2.5 cm,3.0 cm和3.5 cm。将六种不同毛细管长度的传感器元件分别连接宽带光源与光谱分析仪,在相同条件下得到的传感器透射谱如图2所示。由图观察,当毛细石英管长度增加时,透射谱的凹陷深度逐渐增大,但当毛细石英管达到一定长度时,干涉谷峰值展宽,不利于实验研究。基于以上的分析,最终选择毛细石英管长度为3 cm时构成的传感器元件进行后面的实验研究。

图2 不同长度毛细管时传感器的透射谱

当毛细石英管长度L=3.0 cm时,传感器的透射谱如图3所示。图中传感器透射谱在光纤通信波段有三个稳定的谐振峰(波谷)dip 1,dip 2,dip 3,谐振峰dip 1的波长λ1=1 390 nm,峰值强度A1=7.6 dB;谐振峰dip 2的波长λ2=1 410 nm,峰值强度A2=11.4 dB;谐振峰dip 3的波长λ3=1 555 nm,峰值强度A3=22.5 dB。自由光谱范围为:

(6)

由式(6)可知,随着毛细石英管长度的减少,自由光谱范围会增大。

图3 毛细管长度为3 cm时传感器透射谱

为了初步估计传感器透射谱中各个模式所占有的功率成分比例。对图3光谱图通过傅里叶变换,得到传感器空间频谱图如图4所示。在图4中,除了一个值最大的峰外,十三个值较小的峰,还有许多值很小的峰,说明频谱中包含很多频率成分,证实了在传感器透射谱形成过程中,有许多光模式都参与了作用,是一个多模干涉的过程。其中,值最大的峰占主要地位,对应毛细管中低阶模,它对光谱形成贡献的功率最大;十三个值较小的峰占次要地位,对应毛细管中多个高阶模,它们对光谱形成贡献一定的功率。证实了毛细石英管管壁中传输的是大量高阶模。其他许多值很小的峰,对应毛细管中大量更高阶模,它们对光谱形成贡献少量的功率。虽然在传感器透射谱形成过程中,相互作用过程相当复杂,存在大量的模式相互作用,但一般认为起主要作用的仍然是一些低阶模。

图4 传感器空间频谱图

2.2 折射率实验

为了测试传感器对不同环境折射率的响应,进行了不同浓度氯化钠溶液的试验。在室温(25 ℃)下进行试验,折射率实验装置如图5所示。在实验时,将传感器输入端与宽带光源相连,输出端与光谱分析仪连接,将传感器探头部分水平拉直放置在水槽中,两端用两个固定的支架把光纤固定,在一侧放置5 g砝码把光纤拉直,避免光纤弯曲对实验造成影响。实验过程中对不同折射率溶液每隔15 min测量一次光谱数据。每测量完一次数据将水槽清洗干净,避免溶液浓度不准确,从而影响实验测量的精确度。

图5 折射率实验装置图

图7 谐振峰波长λ1与折射率的变化关系以及线性拟合图

在折射率实验中,利用氯化钠溶液与水依据不同比例配置的折射率溶液,其折射率变化范围为:1.345 1～1.381 2。传感器对不同折射率浓度的氯化钠溶液的响应图谱如图6所示,由图可知干涉谷随氯化钠溶液折射率的增大,逐渐向长波长方向移动。在dip 1、dip 2和dip 3三个干涉谷波长漂移和拟合曲线分别如图7～图9所示。当折射率变化时,波长移动量和折射率变化量间存在很好的二次线性拟合关系,拟合度分别为0.982 6,0.991 4,0.989 0。通过计算可得,波谷dip 1、dip 2、dip 3的折射率灵敏度分别为105.4 nm/RIU、94.11 nm/RIU、122.3 nm/RIU(RIU为折射率单位),得到的灵敏度较大。当折射率从1.381 2～1.345 1逐渐变小时,能够得到相同的变化结果。

图6 不同折射率时传感器透射谱

图8 谐振峰波长λ2与折射率的变化关系以及线性拟合图

图9 谐振峰波长λ3与折射率的变化关系以及线性拟合图

2.3 温度实验

对传感器进行了温度响应特性实验研究。由于毛细石英管最高工作温度为350 ℃,主要研究它的低温特性。温度实验装置如图10所示,温度范围为50 ℃～130 ℃,温度从50 ℃上升到130 ℃,以每10 ℃作为一个测量点,光谱仪记录传感器光谱变化情况如图11所示。图11中三个波谷对温度变化均不敏感。对图中其中一个波谷dip 3(1 555 nm处)进行数据分析如图12所示,发现线性拟合度很差,无法找出温度与谐振中心波长的变化关系,因此无法用该传感器进行温度测量。由于毛细石英管性能很稳定,它的弹光效应和热光效应均较小,因此当外界温度发生变化(其他的不变)时,引起毛细石英管长度变化很小,引起毛细管管壁与空气腔有效折射率的变化也很小,因此该传感器对温度不敏感。从图12中可见,当温度从50 ℃～130 ℃时,谐振中心波长漂移不到0.4 nm,而且温度与波长变化量之间没有线性关系。

图11 传感器透射谱随环境温度的变化图

图10 温度实验装置图

图12 谐振峰波长λ3与环境温度的变化关系以及线性拟合图

3 结论

利用毛细石英管与单模光纤熔接制备了一款简易的马赫-曾德干涉仪型折射率传感器。通过分析干涉仪透射谱的谐振峰值(波谷)波长与环境折射率之间的变化关系,能够测量环境折射率。在通信波段附近波谷波长1 555 nm处获得最大测量灵敏度为122.3 nm/RIU。实验还发现该传感器对温度不敏感,传感器的谐振中心波长与环境温度之间不存在线性变化关系,因此无法用该传感器进行温度测量。该折射率传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、可控性强、成本低、稳定性好、可重复等优点。它在化工、医学、生物、食品、环境监测等各个领域具有较为广泛的应用前景。