新型传感光纤光传输与折射率敏感特性研究

杨国华,陶奕霏,许 愿,丁 超,解泉华

(1. 无锡商业职业技术学院 物联网与人工智能学院,江苏 无锡 214153;2. 江苏省无线传感系统应用工程技术研究开发中心,江苏 无锡 214153;3. 重庆理工大学 智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心,重庆市光纤传感与光电检测重点实验室,重庆 400054)

0 引言

光纤倏逝波传感器响应速度快,抗电磁干扰,耐腐蚀,体积小,能实现远距离传输及易成阵列等优点,因而被认为是一类有前途的传感器件,并广泛应用于气体/液体折射率或浓度的原位检测中[1-3],但其仍存在灵敏度低的问题。

为了提高光纤倏逝波传感器的灵敏度,研究者们研制出一系列不同结构(如U形、D形,单锥形、双锥形、S形,螺旋形)的光纤倏逝波传感器[1,4-7],以及采用这些不同结构的光纤传感器构建表面等离子体共振传感器[4,6]。这些传感器均是通过光纤表面倏逝波与其周围环境介质发生作用,从而实现对被测参量的测量。因此,增强光纤表面倏逝波强度是提高光纤传感器灵敏度的关键[8-9]。当前光纤倏逝波传感器采用纤芯-包层结构型光纤,光束被限制在纤芯内传输,有效地抑制了光束从光纤表面辐射,导致光纤表面光辐射强度较低,与外界环境间的相互作用强度低,传感器灵敏度低[10]。

为了提高光纤表面倏逝波强度,进而提高光纤倏逝波传感器灵敏度,本文提出了一种新型结构传感光纤。传感光纤由传统塑料光纤、新型阶跃光纤、传统塑料光纤级联而成,其中新型阶跃光纤为倏逝波传感器的敏感区。利用几何光学分析了光纤内部光传输特性,实验测试了光纤光传输特性及其对外界折射率敏感特性。

1 光传输理论分析

1.1 传统倏逝光纤光传输特性

如图1(a)所示,在传统倏逝波光纤中,光束总输入光强I′in=I′i1+I′i2(I′i1、I′i2分别为不同角度光束在光纤输入端的输入光强)在纤芯-分析物界面处发生全反射被限制在纤芯中传输,当光纤中传输的光束经过溶液衰减(倏逝波衰减)后总输出光强(I′out=I′o1+I′o2,I′o1、I′o2分别为不同角度光束在光纤输出端的输出光强)可表示为

图1 去除包层传统塑料光纤及传感光纤结构示意图

I′out=I′ine-ξ′(n)L

(1)

式中ξ′(n),n,L分别为分析物对光纤内部传输光的光衰减系数、分析物折射率和倏逝波区(去除包层区)长度。ξ′(n)[11]可表示为

(2)

式中:ρ为分析液的体积衰减系数;λ为光源的波长;a为去除包层后光纤的半径;n1为光纤纤芯折射率;β′1为光束在光纤纤芯-分析物界面的入射角。

当n

(3)

联合式(1)、(3)可知,传统倏逝波光纤内传输光强经倏逝波衰减的输出光强可表示为

(4)

式(4)表明,传统倏逝波光纤输出光强I′out与β′、n和L有关。

1.2 传感光纤光传输特性

如图1(b)所示,在传感光纤中,光束Ii1传输至纤芯-聚砜-GO2包层界面B1处,由于传感光纤包层折射率n3>n1,导致光束被折射进入传感光纤包层,光束在包层与分析物界面的入射角为

(5)

假定传统倏逝波光纤与传感光纤的长度均为L,半径均为a,则在传感光纤中由于光束在包层中发生了折射,导致光束在包层中的传输路径减小,等价于光纤长度增大,即L变为L1,则

(6)

式中:d为传感光纤包层厚度;β1为光束在包层-分析物界面的入射角。

将式(5)、(6)代入式(4)可得,Ii1经倏逝波衰减后输出光强Io1为

(7)

此外,光束Ii2传输至纤芯-包层界面B2处将被直接折射进入包层。由于传感光纤包层的折射率n3>n1,且n3>n,导致光束被限制在包层中传输。光束Ii2在包层与分析物界面的入射角为

(8)

由于光束Ii2被限制在包层中传输,因此,光束Ii2经过倏逝波衰减后输出光强Io2为

(9)

由图1(b)可看出,传统光纤中,传输的光束Iin入射到传统光纤与新型阶跃光纤分界面,并直接耦合进入聚砜-GeO2包层,且被限制在聚砜-GeO2包层中传输的光能量为(2d/a)Iin;在新型阶跃光纤纤芯与包中传输的光能量为(1-2d/a)Iin。因此,在传感光纤中输入光能量Iin经倏逝波衰减后的输出光强为

(10)

对比式(10)、(4)发现,由于利用折射率高的聚砜-GO2涂覆层替换了部分传统光纤纤芯,导致光纤结构发生变化(折射率由纤芯至涂覆层阶跃增大),引起光束在传感光纤内传输模式发生变化,传感光纤输出光强由a、d、n控制;当n、λ和L均为某一恒定值时,输出光强由a、d和n3控制。

2 实验材料与方法

2.1 光纤材料与光纤制备

传统塑料光纤的纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯(折射率为1.49),数值孔径为∅0.5,纤芯直径为∅1 900 μm,包层直径为∅2 000 μm,保护层直径为∅3.8 mm。新型阶跃光纤制备过程如下:

1) 利用美工刀去除传统塑料光纤中心长度为10 cm的保护层。

2) 采用粒度为2 μm的光纤研磨纸对去除光纤保护层的光纤进行手工研磨,研磨后光纤直径为∅1 500 μm。

3) 为了获得包层折射高于纤芯折射率的新型阶跃光纤,在研磨后光纤表面涂敷一层由可见光传输性能好、硬度高、耐热耐寒性耐老化性好的聚砜和高透光性能好的GeO2纳米颗粒掺杂的溶胶[12-13]。

制备聚砜与GeO2混合溶胶。首先将折射率1.63、质量5 g的聚砜加入45 ℃、250 mL的n,n-二甲基甲酰胺中,不断搅拌至完全溶解;然后将折射率1.99、粒径∅(20～30) nm的GeO2加入到聚砜溶液中,GeO2掺杂质量分数w(GeO2)=0～2%,并用磁力搅拌器将其搅拌均匀,常温静置24 h脱泡后即获得聚砜与GeO2混合溶胶;最后采用提拉法将混合溶胶涂覆在研磨后的光纤表面,涂敷层厚度为0～400 μm,在65 ℃下干燥48 h后即获得新型阶跃光纤,如图1所示。

2.2 实验系统及分析方法

光纤光谱传输及传输光强测量系统由光源、传感光纤、光纤光谱仪、光功率计等组成。光源为氘-卤钨灯光源(氘灯10 W,卤钨灯15 W),光谱范围为200～2 500 nm;光功率计可探光谱范围为200～1 100 nm,功率范围为100 pW～0.2 W,准确度为1%～4%;光纤光谱仪可探光谱范围为200～1 100 nm,分辨率为2～5 nm。

为了表征传感光纤对折射率的响应特性,将光纤浸入溶液中,溶液采用葡萄糖和超纯水配制,折射率为0～1.395。实验过程中,每次测完样品溶液后,用超纯水冲洗光纤3 min,去除光纤表面附着的葡萄糖分子。传感器对折射率响应灵敏度(S)采用光纤输出光强相对变化比表示:

S=100%×(Iout,0-Iout,R)/Iout,0

(11)

式中Iout,0,Iout,R分别为光纤浸入超纯水和分析液中的输出光强。

3 实验结果与讨论

3.1 GeO2掺杂量对光纤光谱传输及折射率响应特性的影响

为了提高传感器光谱传输质量及其对折射率响应特性,研究了GeO2掺杂量对光谱传输及其折射率响应特性的影响,如图2、3所示。

图2 GeO2掺杂量对光谱传输响应特性的影响

由图2可看出,传统倏逝波光纤光谱传输质量高于传感光纤光谱传输质量,其原因是:

1) 在传统倏逝波光纤中,光束被限制在光纤内部传输(见图1(a)),在光纤表面以倏逝波的形式被衰减,然而倏逝波强度低,与外界环境作用强度较低,导致光束在倏逝波光纤内传输损耗低,光纤传输(透射)光谱质量高。

2) 在传感光纤中,由于新型阶跃光纤结构与传统倏逝波光纤不同(见图1(b)),即包层的折射率高于纤芯的折射率,导致光束在光纤内部的传输模式发生变化,增大了光束在光纤表面的辐射强度,促进了光与外界环境的作用强度,导致光纤内部传输的光衰减量增大、传输(透射)光谱质量降低。

由图2还可看出,传感光纤光谱传输质量随着包层中GeO2掺杂量的增加而降低。其原因是:

1) GeO2的折射率高于聚砜,因此随着GeO2掺杂量的增加,包层折射率增大,包层折射率越大,β1越小,L1越大,光纤内部传输的光越有助于被折射进入包层,并在包层与外界环境界面被衰减,从而降低了光谱传输质量。

2) GeO2为半导体纳米颗粒,随着GeO2掺杂量的增加,导致被耦合进入光纤包层的光被散射逃逸,其内部的光强度增强[12],从而降低了光纤光谱传输质量。

由图3可看出,传统倏逝波光纤构成的传感器对折射率的响应灵敏度最低。其原因是:

图3 GeO2掺杂量对光谱折射率响应特性的影响

1) 传统倏逝波光纤纤芯折射率小,与外界分析物折射率差异小,导致外界分析物折射率变化对光纤内部光传输影响小。

2) 传统倏逝波光纤表面倏逝波强度低,与葡萄糖分子作用强度低。

此外,传感光纤对折射率的响应随着GeO2掺杂量的增大先增加后降低,其原因是:

1) 光纤表面倏逝波强度随着GeO2掺杂量的增大而增大,从而有利于提高传感器对折射率的响应灵敏度。

2) 光束在光纤包层中的散射强度随着GeO2掺杂量的增大而增大,导致后向散射强度增强[12],后向散射不利于提升倏逝波传感器灵敏度,导致传感器灵敏度降低。

3.2 涂覆层厚度对光纤光谱传输及折射率响应特性的影响

为了进一步提高传感光纤对折射率的响应灵敏度,研究了包层厚度对光纤光谱传输及其折射率响应特性的影响,如图4、5所示。

图4 包层厚度对光纤光谱传输响应特性的影响

由图4可看出,传感光纤光谱传输性能随着包层厚度增加先增加后减小。其原因是:

1) 聚砜-GeO2包层具有高透光与光传输特性[12-13],有助于将传统光纤中传输的光耦合进入聚砜-GeO2包层中,然后进一步传输至光纤输出端(见图1(b))。

2) 当新型阶跃光纤包层直径小于传统光纤包层直径时,随着聚砜-GeO2厚度的增加,从传统光纤端面耦合进入聚砜-GeO2包层中的光能量增加,进一步沿着光纤向前传输,并耦合进入光纤尾端,提升传感光纤输出光谱质量。

3) 当新型阶跃光纤包层直径大于传统光纤包层直径(即涂覆层厚度大于300 μm)时,从传统光纤端面耦合进入聚砜-GeO2包层中的部分光能量再次耦合进入光纤尾端(在传感光纤与传统光纤界面被传输至外界环境),导致光谱传输质量降低。

由图5可看出,传感光纤对折射率的响应灵敏度随着聚砜-GeO包层厚度的增加先增大后减小,当厚度为200 μm时,灵敏度达到最大222.58%/Riu,约为传统倏失波光纤传感器灵敏度7倍(见图3)。其原因是:

图5 包层厚度对光纤折射率响应特性的影响

1) 随着包层厚度的增大耦合进入聚砜-GeO2包层中的光强增大,有助于提升其倏逝波强度,进而提升对折射率的响应灵敏度。

2) 当聚砜-GeO包层厚度超过200 μm(即传感光纤包层直径大于传统光纤纤芯直径(∅1 900 μm))时,由式(2)、(10)可知,聚砜-GeO包层厚太大将降低倏逝波衰减系数,从而降低传感器灵敏度。

4 结束语

为了提高光纤表面倏逝波强度,进而提高光纤倏逝波传感器对折射率的响应灵敏度,本文研制了一种新型结构传感光纤。传感光纤由传统塑料光纤、新型阶跃光纤、传统塑料光纤级联而成。新型阶跃光纤(倏逝波传感器敏感区)纤芯由聚甲基丙烯酸甲酯(折射率为1.49)构成,包层由聚砜(折射率为1.63)与GeO2(折射率为1.99)混合物构成。在此基础上,本文建立了光纤光传输理论模型,实验研究了光纤光传输特性及其对外界折射率的响应特性。研究表明,当新型阶跃光纤包层中GeO2质量分数为1.5%,包层厚度为200 μm时,传感光纤光谱质量较好,对溶液折射率响应灵敏度最大,可以达到222.58%/Riu。