基于熊猫型保偏微光纤传感测量的实验教学研究

李宏韬,吕 亮,孙火姣

(1.安徽大学 物理与光电工程学院,安徽 合肥 230601;2.皖西学院 电气与光电工程学院,安徽 六安 237012)

微光纤以其紧凑的结构、体积小、成本低廉、稳定性好、电磁绝缘、可绕曲等优势可被广泛应用于物理、化学、生物、环境中进行传感测量[1]。相比于大学物理实验中的基于空间光光路的迈克尔逊干涉仪[2-4]、马赫-曾德干涉仪[5]等,微光纤自身就能够构成一种光纤型马赫-曾德干涉仪[6],相比于空间光干涉仪,微光纤干涉仪的集成度更高、可操作性更强、成本更加的低廉、灵敏度更高。然而传统的单模微光纤干涉型传感器对温度并不敏感,其温度灵敏度仅为-0.03 nm/℃,不利于其开展相关的温度传感实验[7]。为了研发出对温度更加敏感的微光纤型温度传感器件,近年来一些具有特殊结构的保偏微光纤器件如:矩形保偏微光纤[8]、椭圆形保偏微光纤[9]、“水滴”型保偏微光纤等[10]被逐步提出来。相比于普通单模微光纤,保偏微光纤具有双折射(色散)效应和大倏逝场效应等,由于其特殊结构,使得它对温度有着更加敏感的特性。

基于此,本文提出了一种熊猫型保偏微光纤传感器,该传感器不仅能够实现对溶液折射率进行高灵敏度传感还能够对温度有着较高的敏感性。该实验能够丰富大学物理实验内容,在普通单模熊猫型保偏光纤到熊猫型保偏微光纤的制作过程中,学生们不仅能够对微光纤器件产生浓厚的学习兴趣,还能够提升自己的动手能力。

1 实验原理

本文所提出的熊猫型保偏微光纤传感器件是在单模熊猫型保偏光纤的基本结构的基础之上,利用火焰熔融拉伸的方法所制得的。所制得的光纤传感器的示意图以及其工作原理图如图1所示。从图1可知,熊猫型保偏微光纤传感器件主要由三种不同的结构区域组成,分别为:外径为125 μm的单模熊猫型保偏光纤,具有一定锥角的光纤过渡区域和直径为13 μm的微光纤均匀区域。从光源发出的光以一定的角度入射到单模熊猫型保偏光纤中,在光纤内部激发出光纤基模HE11模式,该模式沿着光纤纤芯内部传播到光纤过渡区时,由于光纤锥形过渡区发生了一定的形变,从而导致原光纤纤芯的光场发生了一定的“泄露”,“泄露”出来的模式在光纤外部会耦合成光纤的高阶HE12模式。HE12模式沿着光纤均匀区继续传播,进而在光纤第二个过渡区重新耦合到HE11模式中[11]。在单模熊猫型保偏光纤的出射端处的光谱透过率T,由以下表达式所决定:

(1)

其中,Δφ表示的是HE11模式和HE12模式之间的相位差,λ为入射光的波长,L=4.9 mm为微光纤均匀区的模间干涉长度,neff1和neff2分别表示HE11模式和HE12模式的有效折射率数值。

由于光纤过渡区的双折射较小,Δφ主要由光纤的尺寸所决定。当外界折射率发生改变时,由于不同偏振方向存在着倏逝场效应,neff1和neff2会发生不同程度的变化,从而使得光纤双折射的大小发生改变进而引起光纤干涉光谱发生漂移.若将上述方程(1)两边求微分,并假定相位差φ保持不变,即可得到灵敏度公式[12]:

(2)

其中,B表示的是模式有效折射率的差值,n为外界折射率大小,G=B-λ·∂B/∂λ表示的是群双折射率,∂B/∂n表示的是外界诱导光纤双折射的变化。一般条件下,B随n的增大而减小,即∂B/∂n<0,因此折射率灵敏度S的大小主要由G决定,当G>0时,光谱随折射率增大而红移,反之光谱蓝移。

此外,当外界环境温度发生改变时,熊猫型保偏微光纤光谱则会发生一定的改变。其原因在于温度变化会引起光纤材料和溶液的热光效应,进而引起B的变化。因此器件的温度灵敏度Sr表达式[13]:

(3)

其中,光纤材质的热光系数的数值为0.68×10-5RIU/℃,溶液的热光系数假定为-1×10-4RIU/℃,通常∂B/∂T为正值,对于直径为13 μm的微光纤而言,当外界温度升高时,G通常为负数。因此熊猫型保偏微光纤光谱会随着温度的升高而发生蓝移。

图1 熊猫型保偏微光纤传感器原理图

2 实验装置

基于熊猫型保偏微光纤对溶液折射率和外界温度传感测试系统如图2所示。从功率密度为25 dBm/nm的超宽带光源发出波长为1 250～1 650 nm的连续光,经过熊猫型保偏微光纤传感器,产生一列正弦型的透射型光纤光谱,最终被光谱仪捕捉到并显示出来,此时光谱仪的分辨率被设置成最低值0.02 nm。当光纤在不同折射率的溶液中或者在不同温度的环境条件下,光纤的透射光谱会分别发生一定红移或蓝移,通过记录并处理光纤传感器透射光谱最低点的位置,就能够求得光纤传感器折射率和温度灵敏度的数值。

图2 光纤传感系统装置图

3 实验结果与分析

3.1 光纤的折射率灵敏度测试实验

在实验过程中,实验人员选取的是折射率梯度为1.335～1.360的NaCl溶液用于光纤折射率灵敏度测试。熊猫型保偏微光纤在不同的折射率溶液里的透射光谱如图3(a)所示。从图中结果可以看出,当折射率逐渐增大时,光纤光谱会往长波长方向发生有规律地红移,此次实验现象与上述分析的理论结果一致。将每条光谱曲线最低点的波长与它们所对应的溶液折射率数值线性拟合后的结果如图3(b)所示。此时,所制得的熊猫型保偏微光纤的折射率灵敏度可达1 631 nm/RIU,线性拟合度为99.68%。

Wavelength/nm(a)

Refractive index(b)

3.2 光纤的温度灵敏度测试实验

在研究熊猫型保偏微光纤传感器的温度传感性能时,实验人员提前将光纤器件放在可控温的水浴锅中固定,在实验过程中以每摄氏度为温度间隔对水浴锅进行不断的升温,此时利用光谱仪可实时读取出光纤透射光谱的变化,并利用数据采集卡将测得的光谱数据采集下来。测试光纤温度灵敏度的温度梯度选取的是从31 ℃到42 ℃,光纤透射光谱的实际漂移曲线如图4(a)所示,所得的透射光谱曲线的实验漂移趋势与上面理论分析的结果一致。通过对透射光谱最低点的峰值波长漂移与温度进行线性拟合,所得的线性拟合结果如图4(b)所示。通过对图4(b)所得的结果进行分析可知,此时的线性拟合线性度可达98.4%,传感器的温度灵敏度数值为-0.99 nm/℃。

通过本次理论和实验教学,不仅提升了同学们对保偏微光纤器件工作原理的认识,更加重要的是能够帮助同学们拓宽了大学物理课本上的光学部分中的理论知识,在一定程度上能够提升同学们的理论基本功。在微光纤器件测试过程中,需要细微谨慎操作,这样能够提高同学们对实验细节的掌控。在研究微光纤器件的折射率和温度灵敏度的实验过程中,在同学们发现问题解决问题的过程中,提升同学们的创新意识,探究更多性能优异结构的微光纤传感器件。最后,将采集到的数据利用Origin软件进行处理,通过在实验数据处理的教学过程中,助力同学们对软件使用能力和数据处理能力的提升。

Wavelength/nm(a)

Temperature/℃(b)

4 结 论

此次实验教学将教师具有一定实践意义的科研课题引入到大学物理实验教学中,通过理论分析微纳保偏光纤器件,从而有助于扩展学生的理论知识面。将设计的器件用于光纤传感测试平台中,在学生搭建实验装置、动手实验、处理数据的过程中,培养学生的实操能力和理解能力。巩固其对微光纤器件工作原理的理解,以此引导学生提出更具创新性的研究课题。

同时,在此次实验教学过程中,可以在一定程度上激发某些学生对光纤相关课题的兴趣,为将来的相关学习和深造打下基础。基于此次熊猫型保偏微光纤的折射率和温度测量实验,为今后更加顺利地开展有关的新型光纤器件及其新传感应用的实验教学研究打下坚实的基础。