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        具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器

        2015-06-01 03:38:20周景會(huì)忽滿利葉增俍周利斌張曉蕾袁柳通
        應(yīng)用光學(xué) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:包層折射率共振

        周景會(huì),孫 浩,楊 珅,忽滿利,葉增俍,周利斌,張曉蕾,袁柳通

        (西北大學(xué) 物理學(xué)院,陜西 西安710069)

        引言

        相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器,光纖傳感器具有體積小、成本低、耐腐蝕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來(lái),光纖傳感器已經(jīng)在建筑和油氣管道安全監(jiān)控及電力工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。針對(duì)測(cè)量不同物理量,相繼研制出了如溫度、濕度、壓力、彎曲、折射率、加速度光纖傳感器[1-7],其中,光纖折射率傳感器在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,受到了人們關(guān)注,已有多種類(lèi)型的全光纖結(jié)構(gòu)折射率傳感器相繼報(bào)道了,如基于光纖布拉格光柵(FBG)[8]、長(zhǎng)周期光柵光 纖 (LPG)[9]、微 納 光 纖 布 拉 格 光 柵 (MNFBG)[10]、表面等離子體共振(SPR)[11]、光纖干涉儀[12]的折射率傳感器。但是由于光纖材料本身存在的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng),光纖折射率傳感器普遍存在易受溫度交叉靈敏度干擾的缺點(diǎn),這一缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了光纖折射率傳感器的實(shí)用化。為了解決這一問(wèn)題,研究者們展開(kāi)了相應(yīng)的研究,報(bào)道了一些能夠同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的光纖傳感器[13-14]。本文提出并證明了一種具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器,可以很好地減小溫度波動(dòng)對(duì)折射率測(cè)量造成的影響。傳感器為MMFFBG-MMF結(jié)構(gòu),采用對(duì)折射率不敏感的FBG作為溫度校準(zhǔn)組件。在測(cè)量液體折射率時(shí),若樣品溫度發(fā)生變化,可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量,將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的漂移量就可以得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移,從而解調(diào)出精確的折射率信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器的折射率靈敏度為126nm,共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm/℃,F(xiàn)BG的溫度靈敏度為11.14pm/℃。相比于普通的折射率傳感器,這種具有溫度自校準(zhǔn)功能的折射率傳感器擁有更好的應(yīng)用前景。

        1 傳感器設(shè)計(jì)和理論分析

        本文提出的光纖折射率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感頭由一段FBG夾熔在2段相同長(zhǎng)度的MMF之間構(gòu)成。FBG的長(zhǎng)度為10mm,中心波長(zhǎng)為1550nm,MMF的長(zhǎng)度都為2mm。入射光經(jīng)過(guò)輸入單模光纖(input-SMF)進(jìn)入第一段多模光纖(MMF1)時(shí),一部分能量會(huì)耦合進(jìn)MMF1的包層中激發(fā)出高階包層模,其余的能量沿FBG傳播(部分被FBG反射),在FBG包層和纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)MMF2會(huì)重新耦合進(jìn)輸出單模光纖(output-SMF)。由于包層和纖芯折射率的不同,最后耦合的包層模和纖芯模存在的光程差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)相位差的產(chǎn)生,最終導(dǎo)致包層模和纖芯模之間發(fā)生干涉。

        圖1 MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)傳感器Fig.1 Schematic diagram of proposed MMF-FBG-MMF sensor

        本文的FBG使用飛秒激光器和相位掩膜法在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上寫(xiě)入的,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,其對(duì)外界液體折射率變化基本沒(méi)有響應(yīng),是一種折射率不敏感光柵,通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)置,可以精確控制寫(xiě)入光柵的工作波長(zhǎng)。因此,假設(shè)FBG的長(zhǎng)度為L(zhǎng),纖芯模和激發(fā)出的m階包層模的相位差可表示為

        式中:ncoreeff,ncladdingeff,Δnmeff分別為纖芯模的有效折射率、m階包層模的有效折射率和兩者之間的有效折射率差;λ為工作波長(zhǎng)。根據(jù)公式(1),當(dāng)相位差滿足干涉條件Φ=2kπ(k為整數(shù))時(shí),相應(yīng)的干涉極值波長(zhǎng)即共振波長(zhǎng)可表示為

        由公式(2)可知,傳感器透射光譜的共振波長(zhǎng)與FBG的長(zhǎng)度纖芯模和m階包層模的有效折射率差成正比,當(dāng)外界環(huán)境變化導(dǎo)致FBG的長(zhǎng)度或者有效折射率發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起共振波長(zhǎng)的漂移。2個(gè)相鄰干涉極小值之間的波長(zhǎng)差可表示為

        由(3)式可知,2個(gè)干涉極小值之間的波長(zhǎng)差隨FBG的長(zhǎng)度增加而減小,L越長(zhǎng),在測(cè)量范圍內(nèi)可觀察到的干涉峰就越多。出于方便解調(diào)并且降低損耗的目的,在測(cè)量范圍內(nèi)存在1~2個(gè)干涉峰最為合適,因此我們選用10mm長(zhǎng)的FBG。對(duì)于這種MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)的傳感器,兩段 MMF起到激發(fā)和再耦合包層模的作用,在保證1~2個(gè)干涉峰的條件下,其長(zhǎng)度越短越好,MMF的長(zhǎng)度越短,其中激發(fā)出的高階本征模之間的干涉對(duì)傳感器透射譜的影響越小。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn),2mm長(zhǎng)度的MMF最為合適。因此,傳感區(qū)域的總長(zhǎng)度僅為14mm。

        包層模對(duì)外界環(huán)境的折射率波動(dòng)非常敏感,當(dāng)環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí),纖芯模和包層模的有效折射率差Δnmeff會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,從而導(dǎo)致透射光譜的共振波長(zhǎng)發(fā)生紅移(長(zhǎng)波方向)或藍(lán)移(短波方向),只需測(cè)出共振波長(zhǎng)的漂移量就解調(diào)出相應(yīng)的折射率變化信息,因此,這種光纖結(jié)構(gòu)可以用作折射率傳感。然而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,這種基于波長(zhǎng)解調(diào)方式的折射率傳感器普遍存在著溫度串?dāng)_的問(wèn)題,這是由于光纖材料自身具有的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)導(dǎo)致的。公式(2)中的Δnmeff和L會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生相應(yīng)的改變,其變化關(guān)系為

        式中α和β分別為熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。由于光纖的熱光系數(shù)要比熱膨脹系數(shù)大2個(gè)數(shù)量級(jí),熱光效應(yīng)對(duì)溫度引起的波長(zhǎng)漂移貢獻(xiàn)最大,約占95%,從而嚴(yán)重影響折射率傳感信息的準(zhǔn)確性。因此對(duì)折射率不敏感的FBG可以用作溫度校準(zhǔn),使本文提出的這種折射率傳感器具有良好的溫度自校準(zhǔn)功能。在測(cè)量液體折射率時(shí),若樣品溫度發(fā)生變化,就可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量,只需將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移量就能得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng),從而得到精確的折射率信息,避免溫度波動(dòng)造成的影響。

        2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

        折射率傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)所使用的寬帶光源中心波長(zhǎng)為1 550nm。光纖光譜儀分辨率為0.02nm,用于傳感信號(hào)光譜變化的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,為避免外界應(yīng)力干擾,將傳感器固定在防震金屬支架上,使光纖始終處于均勻拉直狀態(tài)。該傳感器在空氣中的透射光譜如圖3所示,在1 541nm處有一明顯的干涉谷,F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)在1 550nm。由圖3可見(jiàn),干涉并不均勻,為了對(duì)該傳感器的干涉現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步分析,我們對(duì)其透射光譜進(jìn)行了快速傅立葉變換,得到了相應(yīng)的空間頻譜,如圖4所示??梢?jiàn),參與干涉的有多個(gè)包層模,最終導(dǎo)致干涉光譜的不均勻。

        圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of experimental testing system

        圖3 傳感器在空氣中的透射光譜Fig.3 Transmitted spectrum in air of proposed sensor

        圖4 傳感器的空間頻譜Fig.4 Corresponding spatial frequency spectrum

        將傳感器浸沒(méi)在具有不同折射率的甘油水溶液中,通過(guò)光譜儀觀察透射光譜的變化。所測(cè)甘油水溶液折射率范圍為1.34~1.41,每次測(cè)量之前需要用阿貝折射率計(jì)校準(zhǔn)溶液樣品的實(shí)際折射率,測(cè)量之后用去離子水和無(wú)水乙醇反復(fù)清洗傳感頭。為減小誤差,每組數(shù)據(jù)均測(cè)量5次取平均值。該傳感器的透射光譜隨液體折射率的變化如圖5所示??梢?jiàn),隨著液體折射率的升高,干涉光譜的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移,而對(duì)折射率不敏感的FBG的中心波長(zhǎng)并沒(méi)有發(fā)生變化。選擇1 541nm的共振波長(zhǎng)觀察其隨折射率的變化關(guān)系,如圖6所示。共振波長(zhǎng)與液體的折射率近似成線性關(guān)系,共振波長(zhǎng)正比于折射率。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到的擬合直線公式為y=125.992 6x+1 370.412,擬合直線的線性度非常好,其斜率為125.992 6,即該折射率傳感器的靈敏度近似為126nm。也就是說(shuō),環(huán)境的折射率每變化一個(gè)單位,傳感器的共振波長(zhǎng)就漂移126nm。

        圖5 不同折射率下的透射光譜Fig.5 Transmitted spectra under different ambient RI

        圖6 共振波長(zhǎng)隨折射率的變化關(guān)系Fig.6 Resonance wavelength shifts with ambient RI

        為了驗(yàn)證該傳感器對(duì)溫度的響應(yīng),將傳感器置于一個(gè)真空電熱箱,在25℃~105℃范圍內(nèi)每隔10℃記錄一次光譜。透射光譜中1 541nm的共振波長(zhǎng)和FBG的中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系如圖7所示。可見(jiàn),共振波長(zhǎng)和FBG的中心波長(zhǎng)都隨溫度的升高向長(zhǎng)波方向漂移,與溫度成正比關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,共振波長(zhǎng)與溫度的擬合方程為y=0.035 09x+1 540.187 4,其斜率為0.035 09,即共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm/℃。FBG的中心波長(zhǎng)與溫度的擬合方程為y=0.011 14x+1 549.546 0,斜率為0.011 14,即FBG的溫度靈敏度為11.14pm/℃。這樣,F(xiàn)BG就可以為該傳感器的折射率測(cè)量提供良好的溫度校準(zhǔn)功能。在測(cè)量液體折射率時(shí),若樣品溫度發(fā)生變化,就可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的漂移量解調(diào)出溫度的變化量,將總的共振波長(zhǎng)漂移量減去溫度變化導(dǎo)致的漂移量就可以得到折射率變化導(dǎo)致的共振波長(zhǎng)漂移,從而解調(diào)出精確的折射率信息。

        圖7 共振波長(zhǎng)和FBG中心波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系Fig.7 Resonance wavelength and Bragg wavelength shift with ambient temperature

        3 結(jié)論

        本文提出并證明一種基于 MMF-FBG-MMF結(jié)構(gòu)的具有溫度自校準(zhǔn)功能的光纖折射率傳感器,傳感器的總長(zhǎng)度為14mm,體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗干擾能力強(qiáng),F(xiàn)BG可以提供良好的溫度校準(zhǔn)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在測(cè)量折射率范圍為1.34~1.41的液體時(shí)靈敏度為126nm。該傳感器共振波長(zhǎng)的溫度靈敏度為35.09pm/℃,用溫度校準(zhǔn)的FBG的溫度靈敏度為11.14pm/℃。相比于普通的折射率傳感器,這種具有溫度自校準(zhǔn)功能的折射率傳感器具有良好的實(shí)用前景。

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