陳冀景

摘 要：基于光纖傳感的蓬勃發(fā)展，各種光纖傳感器已經(jīng)競(jìng)相應(yīng)運(yùn)而生。以石英光纖材料為基礎(chǔ)的傳感器不勝枚舉：光纖位移傳感器、光線壓力傳感器（快門(mén)式、微彎式、動(dòng)光柵式光纖水聲、偏振調(diào)制光線壓力與水聲）、光纖角速度傳感器、光纖加速度傳感器、光纖溫度傳感器、分布式光纖傳感器等。其中作者就從事光纖電流傳感做了描述：包括微腔傳感原理——WGM（whispering gallery mode）的介紹，光學(xué)微腔的介紹以及最后關(guān)于光學(xué)微腔的應(yīng)用——光纖電流傳感器的詳細(xì)敘述。文中就一些新型的傳感結(jié)構(gòu)也做了簡(jiǎn)要的分析，便于對(duì)比現(xiàn)階段作者所從事的課題。

關(guān)鍵詞：WGM；光纖電流傳感器；光學(xué)微腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.125

1 基于WGM的光學(xué)微腔的應(yīng)用

WGM最早是基于聲學(xué)現(xiàn)象的描述，在圣保羅大教堂的環(huán)形走廊上，對(duì)著墻壁輕聲說(shuō)話會(huì)有回音從背后傳來(lái)?；谶@種聲學(xué)現(xiàn)象，即聲波在內(nèi)徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的光滑壁上傳播時(shí)，能夠以十分微小的衰減不斷發(fā)生反射，從而能夠傳播很遠(yuǎn)的距離?；赪GM光學(xué)微腔，即以石英材料為基本組成，通過(guò)不同工藝以實(shí)現(xiàn)不同的微腔形式從而實(shí)現(xiàn)不同的傳感特性。

1.1 高靈敏度光學(xué)微腔傳感器

WGM光學(xué)微腔的高Q值、高集成度特點(diǎn)可構(gòu)建小型、高靈敏度、低探測(cè)限的生物化學(xué)傳感器[1]。

1.2 非對(duì)稱垂直耦合的光子分子微盤(pán)激光器

在垂直方向?qū)-P模式進(jìn)行有效地抑制，同時(shí)增加了回音壁模式自發(fā)輻射耦合效率，降低了激光閾值。三個(gè)相同的垂直耦合半導(dǎo)體激光器由于垂直方向的耦合周期增多，導(dǎo)致F-P模式更有效的被抑制，從而增大了自發(fā)輻射耦合因子。不同模式的強(qiáng)耦合導(dǎo)致的模式劈裂，比量子與腔模的耦合強(qiáng)度高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。

1.3 電流電壓傳感器

光學(xué)傳感器解決了原始的繼電保護(hù)裝置磁飽和、勵(lì)磁等情況。由于高壓側(cè)信息是通過(guò)有絕緣材料做成的玻璃光纖傳輸?shù)降碗娢坏?，因此其絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且由于高低壓之間只存在光纖聯(lián)系，消除了電磁干擾對(duì)互感器性能的影響[3]。

2 光學(xué)微腔與電流傳感

不同的光學(xué)微腔其結(jié)構(gòu)與特性不同。在此，僅對(duì)有關(guān)電流傳感微腔應(yīng)用作說(shuō)明。

2.1 微腔電流傳感的發(fā)展

電流傳感是微腔作為傳感器的一個(gè)最直接的應(yīng)用。國(guó)外光電電流互感器的研究始于20世紀(jì)60年代末至70年代初。到80年代和90年代初，OCT已經(jīng)開(kāi)始了產(chǎn)品化研究，目前許多大公司已經(jīng)形成了成套產(chǎn)品。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，到1999年底，大約有2000多臺(tái)OCT掛網(wǎng)試運(yùn)行。但是，傳統(tǒng)電磁式電流傳感器的缺陷以如前所述?；谏鲜鲈?，微腔電流傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其尺寸小、無(wú)標(biāo)記探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)在電流電壓的測(cè)量上體現(xiàn)了它前所未有的優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2 基于石英光纖材料的電流傳感器件——光學(xué)微腔的制備工藝[4]

（1）以PDMS基體液作為外層傳感介質(zhì)，將PDMS與固化劑按60：1的體積比混合。

（2）取一段石英光纖，用米勒鉗剝?nèi)テ浔砻娴耐扛矊哟蠹s2cm長(zhǎng)度。

（3）加熱光纖的一端然后拉伸使其形成一個(gè)在末端具有幾何尖端的纖莖，其尖端直徑25-50μm。

（4）將尖端浸入第一步配好的PDMS溶液大約2-4mm然后拉出。

（5）由于表面的張力和重力PDMS混合物會(huì)在光纖的尖端形成一個(gè)球，其直徑取決于浸入的深度以及拉出的速度。范圍為100μm-1000μm。

（6）將制備好的纖莖-球結(jié)構(gòu)放到90℃爐中4小時(shí)使得PDMS通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)固化。

2.3 電流傳感結(jié)構(gòu)的搭建

作者采用了一種比較經(jīng)典的電流傳感結(jié)構(gòu)[4]。用兩片黃銅板（2mm*2mm*1mm），間隔由實(shí)驗(yàn)時(shí)自行確定。確定的方法是根據(jù)平行板電容模型結(jié)合已有的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電壓范圍計(jì)算所需場(chǎng)強(qiáng)。同時(shí)與一塊黃銅板上打孔，將上述工藝制備的微腔結(jié)構(gòu)固定于孔中。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)作為驅(qū)動(dòng)電路。在經(jīng)典的電流傳感實(shí)驗(yàn)中采用了近MV的極化電場(chǎng)對(duì)微腔進(jìn)行極化以增加其靈敏度。出于安全因素，本文不予采用?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1示。

3 結(jié)論

繼第五代光纖系統(tǒng)的問(wèn)世，光纖材料的發(fā)展勢(shì)必要迎合長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模的要求。隨著新一代光源的問(wèn)世，如摻鉺光纖激光器[5]，多量子阱結(jié)構(gòu)激光器等，基本的石英光纖材料中更要具有不同的摻雜成分來(lái)滿足與光源耦合的需要。

在其他傳感方面，光柵傳感也應(yīng)運(yùn)而生[6]；除此，非線性光學(xué)傳感[7]逐漸進(jìn)入了研究的視野為光纖的結(jié)構(gòu)與發(fā)展另辟蹊徑；而WGM微腔傳感也成為了石英光纖材料發(fā)展歷程中的一個(gè)里程碑?；谖⑶粋鞲械膽?yīng)用前述甚詳，而研究的腳步卻從未停止：在生物傳感、電流傳感的進(jìn)程中，微腔的種種制備技術(shù)顯示了WGM蓬勃的潛力；在電流傳感中，以PDMS作為組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模型已經(jīng)成為了電流傳感的一大特色；黃銅板電極/微球結(jié)構(gòu)[4]成為了各個(gè)傳感團(tuán)隊(duì)競(jìng)相改良與探索的主題。在此，作者對(duì)自己的老師與合作搭檔們深表謝意。

參考文獻(xiàn)：

[1]高嚴(yán).薄壁柱對(duì)稱微腔耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[2]ArmaniAM，KulkarniRP，F(xiàn)raserSE，etal.Label-free，single-moleculedetectionwithopticalmicrocavities[J].science，2007，317

（5839）：783-787.

[3]高陽(yáng)，張海燕，張旭鵬.光電傳感器在繼電保護(hù)中的應(yīng)用研究[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院院報(bào)，2006.

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[5]張晨芳.多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器和稀土摻雜光纖的研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[6] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[7]胡君輝.基于瑞利和布里淵散射效應(yīng)的光纖傳感系統(tǒng)的研究[D]. 南京大學(xué)，2013.