周容卉

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 201100）

鍍膜參數(shù)對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵傳感特性的影響

周容卉

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 201100）

基于嚴(yán)格的鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)三包層模型，用Optigrating模擬了鍍膜與不鍍膜時(shí)LPFG透射譜，并結(jié)合MATLAB和Origin整理數(shù)據(jù)，給出LPFG透射譜變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在LPFG表面鍍適當(dāng)厚度金屬薄膜時(shí)，將產(chǎn)生表面等離子體共振，使得溫度和折射率傳感靈敏度明顯提高，而對(duì)應(yīng)變傳感影響不大。

鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)；Optigrating；透射譜；傳感特性

光纖光柵是二十世紀(jì)后半葉新出現(xiàn)的光纖器件，經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今已有大量光纖傳感器投入使用，其中使用最多的便是溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、折射率傳感器。相比傳統(tǒng)的光纖傳感器，長(zhǎng)周期光纖光柵存在一些優(yōu)點(diǎn)，例如，抗電磁干擾、體積小、高靈敏度、可長(zhǎng)距離傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)參數(shù)。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，其諧振波長(zhǎng)和幅值對(duì)外界環(huán)境的變化十分敏感，具有很好的溫度、應(yīng)變、折射率、彎曲靈敏度，因此，越來越多的人們投入對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感研究，已被大量用于折射率傳感器、溫度傳感器、以及感測(cè)濕度、應(yīng)變等。近年，關(guān)壽華等通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出LPFG諧振波長(zhǎng)隨溫度變化的擬合曲線，Sakata H等則通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出LPFG光強(qiáng)隨溫度變化的關(guān)系，給光纖光柵測(cè)溫又提供了便利，張自嘉等通過理論和實(shí)驗(yàn)得出包層模在中等模序時(shí)，應(yīng)變靈敏度最高，歐啟標(biāo)等從理論上分析了鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵，發(fā)現(xiàn)膜厚為最優(yōu)厚度時(shí)，其折射率傳感靈敏度最高。但總體來說，相對(duì)國外鍍膜LPFG的研究熱度，國內(nèi)對(duì)鍍金屬薄膜長(zhǎng)周期光纖光柵的研究還不多，而且制作廠家也較少。

文章主要以鍍金屬薄膜長(zhǎng)周期光纖光柵為研究對(duì)象，利用三包層LPFG模型，通過Optigrating軟件模擬研究了LPFG諧振波長(zhǎng)和幅值隨溫度、應(yīng)變、折射率的變化規(guī)律，并在光柵表面鍍金屬薄膜重復(fù)測(cè)量，以及不同金屬材料和厚度對(duì)傳感特性的影響。

1 鍍膜LPFG理論模型及傳感特性

在長(zhǎng)周期光纖光柵的包層外鍍一層金屬薄膜的傳感器結(jié)構(gòu)視為三包層LPFG模型。金屬薄膜層和外界環(huán)境介質(zhì)分別視為第二包層和第三包層。圖1中(a)和(b)分別為表面鍍金屬薄膜層的LPFG傳感器結(jié)構(gòu)和折射率分布圖。芯層折射率為n1，半徑為a1；內(nèi)包層折射率為n2，半徑為a2；第二包層折射率為n3，半徑為a3；薄膜厚度h=a3-a2；第三包層環(huán)境折射率為n4。金和銀本身屬于惰性金屬，不易與別的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以較好的保證LPFG傳感器的靈敏度，給LPFG表面鍍金屬薄膜的方法很多，例如離子濺射鍍膜法，鍍膜前剝掉光纖的涂覆層，并清理干凈，將LPFG平行于靶材放置，利用小型濺射儀在LPFG的一邊鍍上金屬薄膜，再將LPFG旋轉(zhuǎn)180度后在另一邊鍍膜，在此過程中必須保持真空度良好、電流穩(wěn)定，可通過納米級(jí)光學(xué)顯微鏡查看鍍膜情況。

LPFG的模式耦合是將前向傳輸?shù)睦w芯導(dǎo)模耦合到同向傳輸?shù)膎階包層模，傳輸一段距離后，便會(huì)全部衰減，而LPFG的相位匹配條件如式（1）所示

其中，λL為諧振波長(zhǎng)，neff，co、nemff,cl分別為纖芯導(dǎo)模和包層模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，諸如溫度、應(yīng)變、環(huán)境折射率等，由于熱膨脹效應(yīng)及彈光效應(yīng)等系列反應(yīng)，將會(huì)引起光柵周期、長(zhǎng)度以及光纖芯層、包層的折射率的變化，這些變化會(huì)改變LPFG模式耦合，從而引起光柵透射譜的變化，而由式（1）可知，最終將表現(xiàn)為諧振波長(zhǎng)和損耗峰幅值的變化，這就是長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感特性，利用此特性可以制作各種功能的傳感器。

2 仿真結(jié)果分析

利用optigrating軟件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期光纖光柵的仿真，optigrating是由OPTIWAVE公司制作的一套強(qiáng)大且具友善使用接口的設(shè)計(jì)仿真軟件，主要針對(duì)以光柵原理設(shè)計(jì)的光學(xué)組件進(jìn)行設(shè)計(jì)?；A(chǔ)傳輸譜的參數(shù)設(shè)置為：纖芯、包層、環(huán)境層半徑分別為a=4.2μm、b=58.35μm、無窮大；折射率分別為n1=1.44921、n2=1.44403、n4=1; 光 柵 長(zhǎng) 度 L=50000μm， 周 期Λ=460μm，折射率調(diào)變量IM=0.0001，中心波長(zhǎng)為1550nm。實(shí)驗(yàn)中選用損耗峰光強(qiáng)最大的進(jìn)行測(cè)量，不考慮材料色散。

（1）長(zhǎng)周期光纖光柵的溫度特性。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由熱膨脹效應(yīng)引起一系列參數(shù)變化，即其中 a 為熱膨脹系數(shù)為溫度靈敏度因子。這表示，只要測(cè)出LPFG損耗峰變化數(shù)值便可測(cè)算出當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度。

圖2 未鍍膜時(shí)光強(qiáng)—溫度數(shù)據(jù)擬合圖

圖3 波長(zhǎng)—溫度數(shù)據(jù)擬合圖

由圖2可見，LPFG未鍍膜時(shí)，光強(qiáng)隨著溫度的升高在逐漸增大，且近似成線性關(guān)系，擬合曲線為：y=0.0381*T-6.2477；圖3是LPFG諧振波長(zhǎng)與溫度變化關(guān)系，其數(shù)據(jù)線性較光強(qiáng)與溫度關(guān)系更好，擬合曲線為λ=5.52*T+1362，即LPFG溫度靈敏度為5.52nm/℃。

圖4中（a）和（b）是分別鍍1～10μm 金膜和銀膜的光強(qiáng)隨溫度變化關(guān)系，對(duì)比（a）和（a）中擬合曲線可知，所鍍金屬薄膜在1～10μm內(nèi)，薄膜厚度越小，溫度靈敏度越高。且鍍1μm金屬薄膜要比不鍍膜時(shí)的靈敏度高，這是因?yàn)殄兒鼙〉慕饘俦∧ず驦PFG發(fā)生了表面等離子體共振，提高了其靈敏度，而鍍10μm金屬薄膜比不鍍膜時(shí)靈敏度低，因此制作鍍金屬薄膜的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器時(shí)，需要先控制和優(yōu)化薄膜厚度，從而使傳感器靈敏度更高。

圖5 不同溫度下鍍1um金屬薄膜的透射譜

隨著溫度的升高，空氣中不同溫度下鍍1μm金膜和銀膜的LPFG透射譜的諧振波長(zhǎng)向右漂移，且損耗峰幅度也在逐漸減小，如圖5所示。

（2）長(zhǎng)周期光纖光柵的應(yīng)變特性。當(dāng)LPFG受到軸向應(yīng)變時(shí)，由彈光效應(yīng)引起一系列參數(shù)變化，即其中Γεm為應(yīng)變靈敏度因子。這表示，可通過LPFG諧振波長(zhǎng)測(cè)算出施加在光柵上的應(yīng)變大小。

圖6 不鍍膜時(shí)波長(zhǎng)—應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合圖

圖7 鍍1μm銀膜時(shí)波長(zhǎng)—應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合圖

圖6和圖7分別是不鍍膜和鍍1μm銀膜時(shí)，對(duì)LPFG仿真所得的波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化的數(shù)據(jù)擬合圖，兩圖諧振波長(zhǎng)隨著應(yīng)變的增大向短波方向漂移，線性較好，擬合方程都為：y=-0.1045*x+1499.5，即LPFG的應(yīng)變靈敏度為-0.1045nm/με。對(duì)比圖6和圖7，可知鍍金屬薄膜對(duì)LPFG的應(yīng)變特性影響不大。

（3）長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感特性。當(dāng)LPFG所處環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，將引起包層模場(chǎng)分布和傳輸常數(shù)發(fā)生變化，這將改變包層有效折射率，由式（1）可知，諧振波長(zhǎng)將會(huì)隨之改變，這表示，可通過LPFG諧振波長(zhǎng)測(cè)算出環(huán)境折射率。當(dāng)環(huán)境折射率增大至包層折射率時(shí)，LPFG諧振峰逐漸消失，當(dāng)環(huán)境這折射率大于包層折射率時(shí)，這時(shí)不存在離散的包層模式，因此模擬過程中只取小于包層折射率的值分析。

分別取10個(gè)點(diǎn)對(duì)不鍍膜和鍍0.01μm銀膜的LPFG進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)鍍金屬薄膜厚度適當(dāng)較小時(shí)，與介質(zhì)界面之間將引發(fā)表面等離子體共振(SPR)效應(yīng)，SPR效應(yīng)對(duì)金屬薄膜表面附近的折射率變化非常敏感，當(dāng)LPFG所鍍金屬薄膜表面的環(huán)境折射率發(fā)生改變時(shí)，此時(shí)LPFG諧振峰的位置也將發(fā)生變化?；赟PR效應(yīng)的LPFG傳感器靈敏度更高、響應(yīng)更快。

圖8中圓點(diǎn)是仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)，從圖中可以看出，環(huán)境折射率小于包層模折射率1.44403時(shí)，諧振波長(zhǎng)隨著折射率的增加向短波方向漂移，且越接近包層折射率時(shí)，圖中曲線下降特別陡，變化幅度大，這時(shí)LPFG對(duì)環(huán)境折射率更加敏感。

對(duì)比（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，鍍膜后諧振波長(zhǎng)隨環(huán)境折射率變化曲線更加平滑，即靈敏度比不鍍膜時(shí)更高。

圖8 諧振波長(zhǎng)隨環(huán)境折射率變化曲線

圖9是LPFG在環(huán)境折射率分別為1.1、1.2、1.3、1.4時(shí)仿真所得的光譜，折射率從1.1到1.2時(shí)，諧振波長(zhǎng)漂移0.6nm；從1.2到1.3時(shí)；諧振波長(zhǎng)漂移1.2nm；從1.3到1.4時(shí)，諧振波長(zhǎng)漂移3nm，隨著環(huán)境折射率的均勻增大，諧振波長(zhǎng)漂移的幅度在逐漸增大，即環(huán)境折射率越接近包層模折射率時(shí)，LPFG的折射率敏感度更高。

圖9 環(huán)境折射率改變時(shí)的透射譜

3 結(jié)語

文章介紹了鍍金屬薄膜LPFG理論模型及傳感特性，通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜，并詳細(xì)研究鍍膜與不鍍膜時(shí)的溫度、應(yīng)變、折射率傳感特性。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移；隨著應(yīng)變的增大，諧振波長(zhǎng)向短波方向漂移；隨著環(huán)境折射率的增大，諧振波長(zhǎng)向短波方向漂移；當(dāng)在LPFG表面鍍適當(dāng)厚度金屬薄膜時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振，使得溫度和折射率傳感靈敏度明顯提高，對(duì)應(yīng)變傳感影響不大。

［1］L.Coelho，D.Viegas，J.L.Santos．Enhanced refractive index sensing characteristics of optical fibre long period grating coated with titanium dioxide thin ilms［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2014，（202）：929-934．

［2］關(guān)壽華，于清旭，宋世德，等．長(zhǎng)周期光纖光柵溫度特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（3）：543-545．

［3］張自嘉，王昌明．長(zhǎng)周期光纖光柵的軸向應(yīng)變傳感特性研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（5）．

［4］歐啟標(biāo)，羅文志，咸錦照，等．鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感特性［J］.光散射學(xué)報(bào)，2011，23（3）：213-218．

［5］蔣奇，呂丹丹，于明浩.傾斜光纖光柵溶液折射率傳感器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（12）：3425-3431．

［6］孫麗．光纖光柵傳感應(yīng)用問題解析［M］.北京：科學(xué)出版社，2011．

［7］蔣奇，呂丹丹，于明浩.傾斜光纖光柵溶液折射率傳感器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（12）：3425-3431．

［8］歐啟標(biāo)，代國勇，彭宇林.膜層厚度對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)的影響［J］.激光與紅外，2012，42（6）．

周容卉（1989-），女，安徽人，助教，主要研究方向：電力電子技術(shù)。