張偉 劉穎剛 張庭 劉鑫 傅海威 賈振安

1)(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安 710055)

2)(西安石油大學(xué),光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065)

提出了一種基于芯內(nèi)雙微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)的全光纖干涉?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu),建立了傳感器反射光譜的理論模型,給出了反射光譜強(qiáng)度與微孔長(zhǎng)度、孔內(nèi)介質(zhì)折射率、微孔端面反射與損耗系數(shù)以及光纖的特性參數(shù)間的關(guān)系,并模擬了傳感器光譜對(duì)溫度和折射率變化的響應(yīng)特性.利用193 nm準(zhǔn)分子激光器,在普通單模光纖上加工制作了具有復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的全光纖多參量傳感器,進(jìn)行了傳感實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,該傳感器具有優(yōu)于99%的溫度、折射率線性響應(yīng)度,對(duì)應(yīng)兩套溫度和折射率靈敏度分別為?0.172 nm/?C,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/?C,48.775 nm/RIU,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、折射率以及它們的區(qū)分測(cè)量,還能夠應(yīng)用于氣體壓力的測(cè)量,測(cè)量精度可達(dá)0.3 kPa.

1 引 言

近年來,光纖傳感技術(shù)由于自身的諸多優(yōu)點(diǎn),不僅成為了研究的熱點(diǎn),而且取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,在橋梁建筑、生物化學(xué)、石油石化、航天航空乃至國(guó)防科技等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1?3].特別是基于光纖的新型傳感器研究與應(yīng)用成為了研究熱點(diǎn),先后提出了多種結(jié)構(gòu)的光纖干涉型傳感器件[4?7],比如光纖法布里-珀羅(FP)干涉儀、光纖馬赫-曾德爾干涉儀、光纖邁克耳孫干涉儀、光纖薩格納克干涉儀等,并將這些傳感器件應(yīng)用于不同領(lǐng)域不同物理量的測(cè)量,展現(xiàn)了干涉型光纖傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn).

光纖法布里-珀羅干涉型(FPI)傳感器由于具備了傳感器體積微型化發(fā)展要求,具有可調(diào)自由譜范圍和高對(duì)比度的傳輸光譜,又兼?zhèn)湮⑿突瘋鞲刑攸c(diǎn),相關(guān)研究與應(yīng)用不斷取得新進(jìn)展,已經(jīng)成為光纖傳感器家族中的重要成員[8].研究者們提出了化學(xué)腐蝕法、電弧放電法、飛秒激光加工法以及聚合物輔助制備等光纖FP傳感器制作方法[9?12],由于制作腔體和選用材料的不同,使得FP傳感器在溫度、壓力、折射率及其區(qū)分傳感測(cè)量方面表現(xiàn)出了不同的優(yōu)良特性.其中,化學(xué)腐蝕法主要用來控制基于膜片型腔體的厚度,由于受到腐蝕條件(濃度、溫度及工藝)的限制,雖然能獲得厚度為幾微米的膜片并實(shí)現(xiàn)較高靈敏度的壓力溫度傳感,但測(cè)量范圍較小,制作工藝復(fù)雜,因而難以規(guī)模生產(chǎn);電弧放電法主要用于將不同類型光纖進(jìn)行熔接從而構(gòu)成FP腔體,特別是利用新型光子晶體光纖做腔體,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體的測(cè)量[13],雖制作工藝簡(jiǎn)單,但存在腔體長(zhǎng)度難以精確控制的問題;飛秒激光加工可對(duì)微型腔體進(jìn)行高效加工,實(shí)現(xiàn)了在光纖內(nèi)部進(jìn)行三維腔體的加工,更加拓展了光纖傳感器的功能和應(yīng)用領(lǐng)域,但存在激光器成本及維護(hù)費(fèi)用昂貴的問題;聚合物輔助制備法主要是利用聚合物材料的低楊氏模量、易加工成超薄膜片的特性制作腔體薄膜,同樣存在膜片厚度難以控制、傳感器制作重復(fù)性差的問題,不能實(shí)現(xiàn)全光纖傳感器結(jié)構(gòu),降低了傳感器耐強(qiáng)酸堿的性能.因此,融合多種制作方法的優(yōu)點(diǎn),降低制作難度和成本應(yīng)該是進(jìn)一步研究的方向.

本文利用193 nm波長(zhǎng)的ArF準(zhǔn)分子激光器,成功制備了一種基于雙開放型微孔的全光纖FP傳感器,通過對(duì)多腔干涉光譜的分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍環(huán)境折射率和溫度的有效測(cè)量.在傳感器制作方法上,相比于飛秒激光加工、特種光纖熔融拼接以及涂敷薄膜材料的方法,利用準(zhǔn)分子激光器、普通單模光纖以及國(guó)產(chǎn)位置控制系統(tǒng)制作FP結(jié)構(gòu)傳感器,可以簡(jiǎn)化制作工藝、有效降低制作成本.由于微孔的尺寸和孔間距可以有效控制,相對(duì)于文獻(xiàn)[14]所提出的利用缺陷光纖融合電弧放電的方法,本文所提方法更適合傳感器的批量重復(fù)生產(chǎn).在傳感器的結(jié)構(gòu)上,由于是全光纖復(fù)合FP腔結(jié)構(gòu),尺寸微小,不僅能夠應(yīng)用于一般環(huán)境溫度、折射率和壓力等物理量的傳感測(cè)量,還可以應(yīng)用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境相關(guān)物理量的測(cè)量.通過采用新型功能材料的封裝保護(hù)處理,也能制作不同功能的傳感和通信器件,必將有助于推動(dòng)光纖FP腔型器件的更多功能化應(yīng)用.

2 基本原理與分析

無論是本征還是非本征型光纖FP腔,在結(jié)構(gòu)上必須利用不同折射率材料界面構(gòu)成腔體(空氣腔、光纖腔、薄膜材料腔等)反射面以形成多光束干涉,但由于這種界面的反射率相對(duì)較低,多次反射后的光占總光強(qiáng)的比例不足0.1%[15,16],因此可看成雙光束干涉.圖1是提出的雙微孔FP型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖.

圖1 雙孔光纖法布里-珀羅干涉(FFPI)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖Fig.1.Schematic diagram of structure and working principle for the dual micro-holes-based f i ber Fabry-Perot interferometer(FFPI)sensor.

兩個(gè)微孔在光纖中形成了四個(gè)反射面,分別用M1,M2,M3和M4表示,任意兩個(gè)面之間可以形成一個(gè)FP腔.因此,當(dāng)M1,M2的間距L1與M3,M4的間距L3不相等時(shí),在光纖中便形成六個(gè)腔長(zhǎng)(L1,L2,L3,L1+L2,L2+L3,L1+L2+L3)不同的FP腔.當(dāng)振幅為E的光入射光纖穿過四個(gè)面時(shí),便會(huì)在相應(yīng)面發(fā)生反射和透射,而透過的光束又會(huì)被下一個(gè)面反射和透射.假設(shè)被反射面M1,M2,M3和M4反射的光傳輸?shù)組1面處的振幅分別為E1,E2,E3和E4(對(duì)應(yīng)的透射光傳輸?shù)組4面處的振幅為,E2

′,E3

′和),不考慮傳感器尾端光纖端面的反射,根據(jù)文獻(xiàn)[16,17]給出的三光束疊加結(jié)果,同時(shí)考慮實(shí)際光在反射面M2和M4產(chǎn)生π相位躍變,反射后的總光強(qiáng)可以用四光束復(fù)振疊加原理表示為:

其中?φ21,?φ32和?φ43分別代表M1與M2,M2與M3和M3與M4面之間反射光束的相位差,與不同腔長(zhǎng)L以及腔內(nèi)介質(zhì)折射率n有如下關(guān)系:

式中λ是入射光波長(zhǎng);n1,n2和n3分別是腔長(zhǎng)L1,L2和L3對(duì)應(yīng)的腔體介質(zhì)折射率.由于應(yīng)用中兩個(gè)開放式FP微腔處在相同的環(huán)境中,則n1=n3.若假設(shè)每個(gè)反射面對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)和傳輸損耗系數(shù)分別為R1/α1,R2/α2,R3/α3和R4/α4,則有:

因此可以看到,當(dāng)每個(gè)面都參與反射時(shí),必將形成不同的復(fù)合腔,由(1)式和(2)式可得出每一個(gè)腔對(duì)應(yīng)的光程差(optical path dif f erence,OPD)分別為2n1L1,2n2L2,2n1L3,2(n1L1+n2L2),2(n2L2+n1L3)和2(n1L1+n2L2+n1L3),其中OPD分別為2nL1,2n2L2和2nL3的腔體是三個(gè)基本的FP腔,另外三個(gè)為它們組成的復(fù)合腔,并且OPD越大相差越大,對(duì)應(yīng)干涉條紋越密集,即光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的頻率越高.如果微孔的尺寸相同(L1=L3),則工作腔長(zhǎng)的個(gè)數(shù)減少,對(duì)應(yīng)的OPD將減少到4個(gè),即2n1L1,2n2L2,2(n1L1+n2L2)和2(n2L2+2n1L1).光強(qiáng)表達(dá)式(1)可簡(jiǎn)化為

因此,最終的輸出光譜將是具有不同空間頻率的余弦函數(shù)的線性疊加譜.這樣的輸出光譜強(qiáng)度除了與光纖材料折射率、腔體長(zhǎng)度有關(guān)外,還與傳感器所處環(huán)境折射率、溫度以及外界作用等多因素有關(guān).一旦環(huán)境因素改變導(dǎo)致折射率、腔體長(zhǎng)度以及腔面反射和損耗系數(shù)發(fā)生變化,必將導(dǎo)致輸出光譜干涉條紋對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)和強(qiáng)度發(fā)生變化[16,17].

由于不同腔兩反射面間產(chǎn)生的光程差OPD滿足以下關(guān)系式:

因此,當(dāng)外界溫度變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)介質(zhì)折射率或腔長(zhǎng)發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致光程差變化,不同F(xiàn)P腔干涉譜條紋的峰值波長(zhǎng)λp或谷值波長(zhǎng)λd會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的光纖熱響應(yīng)模型,則峰值波長(zhǎng)、谷值波長(zhǎng)變化滿足關(guān)系

其中α,ξ和ζ分別為光纖熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)和液體熱光系數(shù).對(duì)于光纖介質(zhì)腔(ζ=0),由于光纖的熱膨脹效應(yīng)強(qiáng)于自身熱光效應(yīng),因此其光學(xué)特性由光纖決定.而對(duì)于光纖中的液體腔(=0),由于液體熱光效應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)的影響強(qiáng)于光纖熱膨脹效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致其光學(xué)特性由液體性質(zhì)決定,所以在溫度升高時(shí),液體折射率的減小將導(dǎo)致干涉條紋向短波方向移動(dòng).

當(dāng)腔內(nèi)介質(zhì)折射率變化而溫度保持不變時(shí),由于光程差的變化僅來自于介質(zhì)折射率的變化,因此液體介質(zhì)腔對(duì)應(yīng)的干涉條紋發(fā)生移動(dòng),其光譜峰值或谷值波長(zhǎng)的移動(dòng)滿足以下關(guān)系:

而光纖介質(zhì)腔的干涉條紋保持不變,即對(duì)折射率變化不敏感.

可見,此種傳感器不僅可以用于折射率、溫度的測(cè)量,還可實(shí)現(xiàn)基于折射率變化的氣體壓強(qiáng)、壓力的測(cè)量.由于不同光學(xué)腔長(zhǎng)的FP干涉譜隨折射率、腔長(zhǎng)變化的系數(shù)不同,因此傳感器的反射光譜不僅是幾個(gè)FP腔產(chǎn)生干涉譜的迭加,而且在外界環(huán)境變化時(shí)移動(dòng)的速度甚至方向也是不一樣的.選擇合適干涉條紋的峰值或谷值波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量,不但可獲得折射率或腔長(zhǎng)的變化,甚至還可以獲得引起它們變化的環(huán)境因素的變化,這種特性就是進(jìn)行多物理量傳感甚至區(qū)分測(cè)量的原理.

3 光譜分析與理論模擬

圖2(a)所示是設(shè)計(jì)制作的雙微孔型光纖FP傳感器在純水中的反射光譜.從中可以清楚看到,干涉條紋既有高頻變化的部分,又有低頻變化的部分,分別對(duì)應(yīng)著不同的干涉腔長(zhǎng).由于兩個(gè)微孔尺寸相同,又都處在相同液體中,形成的干涉腔數(shù)目減少,所以其光譜形狀并不是非常復(fù)雜.

通過對(duì)獲得的輸出光譜條紋進(jìn)行快速傅里葉變化分析,就可獲得不同F(xiàn)P腔的OPD.圖2(b)是對(duì)圖2(a)中光譜進(jìn)行快速傅里葉變換后得到的頻譜強(qiáng)度與光程差OPD的關(guān)系,其中與A和B兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的OPD分別為2n1L1和2(n1L1+n2L2),峰A附近其他較小峰則對(duì)應(yīng)高階諧頻的產(chǎn)生[7],峰B左右幅度較小的峰則分別對(duì)應(yīng)2n2L2和2(n1L1+2n2L2).計(jì)算獲得的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1=45.04μm,L2=967.87μm,與實(shí)測(cè)尺寸L1=43.0μm,L2=988.0μm基本符合.同時(shí)也說明,傳感器的干涉光譜主要是由一個(gè)液體腔(M1,M2組成,FP1)和一個(gè)單模光纖與液體腔(M1,M3組成,FP2)組合而成,M3與M4組成的FP內(nèi)的液體腔起到衰減M4反射面光強(qiáng)的作用,簡(jiǎn)化了干涉譜形狀.

圖2 雙微孔結(jié)構(gòu)全光纖FPI傳感器反射光譜與對(duì)應(yīng)的FFT譜 (a)傳感器反射光譜;(b)反射光譜的FFT譜)Fig.2.Ref l ection spectrum and corresponding fast Fourier transform(FFT)spectrum of dual microholes-based FFPI sensor:(a)Ref l ection spectrum of sensor;(b)FFT spectrum of ref l ection spectrum.

對(duì)于圖1所示結(jié)構(gòu)的傳感器,由于反射面M1與M3,M2與M4兩側(cè)對(duì)應(yīng)相同介質(zhì),微腔面M很小(纖芯直徑約8μm),可認(rèn)為R1=R3,R2=R4,α1= α3,α2= α4. 設(shè)入射光E0=1,初始腔長(zhǎng)、介質(zhì)折射率、反射和損耗系數(shù)分別為:L1=L3=43.0μm,L2=988.0μm,n1=1.333,n2=1.468,R1=0.004,R2=0.02,α1=0.4,α2=0.2.圖3是模擬得到的傳感器反射光譜,對(duì)應(yīng)的高、低頻干涉條紋自由譜長(zhǎng)度分別約為0.78和20.60 nm,與實(shí)測(cè)光譜基本符合.對(duì)于微小的強(qiáng)度差異,應(yīng)該與反射和傳輸損耗系數(shù)的選取有關(guān),但這些不影響通過條紋波長(zhǎng)變化進(jìn)行折射率和溫度的傳感測(cè)量.

將液體折射率從1.333增加到1.343,每次增加0.001,選取干涉光譜下包絡(luò)1555 nm附近的谷值波長(zhǎng)進(jìn)行觀測(cè),測(cè)得光譜包絡(luò)波長(zhǎng)隨折射率增加顯著線性增加,對(duì)應(yīng)靈敏度約為1150.153 nm/RIU;由于光譜包絡(luò)的移動(dòng),高頻干涉條紋功率相應(yīng)發(fā)生顯著變化,雖然條紋波長(zhǎng)隨折射率增加線性增加,但靈敏度相比于光譜包絡(luò)的移動(dòng)明顯減小,對(duì)應(yīng)靈敏度僅為45.452 nm/RIU.

圖3 傳感器在折射率為1.333液體中的模擬光譜Fig.3.Calculation spectrum of proposed sensor with liquid RI of 1.333.

考慮溫度引起的光纖熱膨脹、彈光效應(yīng)和液體熱光效應(yīng)對(duì)腔長(zhǎng)和折射率的影響,讓溫度從25?C 增加到125?C,每次增加?T=5?C,則FP1和FP2腔長(zhǎng)的改變分別為?L1= α·L1·?T和?L2= α·L2·?T,相應(yīng)折射率變化分別為?n1= ξ·n1·?T,?n2= ξ·n2·?T. 取光纖熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和純水熱光系數(shù)分別為α =5.5× 10?7/?C,ξ=6.0 × 10?6/?C和ζ= ?1.0×10?4/?C[19,20],同樣選光譜包絡(luò)和1555 nm處細(xì)條進(jìn)行分析,模擬得到包絡(luò)譜和高頻干涉條紋均隨溫度線性增加,對(duì)應(yīng)溫度靈敏度分別為?0.160,0.004 nm/?C.

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

圖4是傳感器加工系統(tǒng)裝置原理圖,用于制作FP的光纖為普通單模光纖(SMF)(9/125μm,長(zhǎng)飛),激光器(ATLEX-500,ATL,德國(guó))的脈沖能量、中心波長(zhǎng)、頻率和重復(fù)頻率分別為30 mJ,193 nm,300 Hz和50 Hz.首先,將光纖涂覆層剝除約2 cm,用酒精處理干凈,將其固定在三維精密調(diào)節(jié)平臺(tái)(精度10μm)上.然后,調(diào)整平臺(tái)的X軸和Y軸,使SMF的無涂覆層部分位于CCD視場(chǎng)中心.接下來調(diào)節(jié)平臺(tái)Z軸,使經(jīng)過矩形孔的光束聚焦在光纖上(先用可見紅色激光源代替準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行聚焦),同時(shí)使CCD視點(diǎn)中心和激光焦點(diǎn)聚焦于同一點(diǎn)處.完成以上步驟后,便可打開紫外激光器照射光纖進(jìn)行微孔加工.加工過程中激光器輸出能量以5 mJ/s增加,每個(gè)微空用時(shí)5—8 s.完成一個(gè)微孔加工后,移動(dòng)平臺(tái)沿纖維軸移動(dòng)所需距離,重復(fù)上述過程,即可實(shí)現(xiàn)第二個(gè)微孔的加工.最后,將光纖從平臺(tái)移開,并使用2%氫氟酸液清洗微孔處的光纖碎屑,完成微孔型FPI傳感器制作.圖4(b)和圖4(c)所示為制作的雙微孔光纖FP傳感器實(shí)物圖片,微孔長(zhǎng)和寬度分別約為43.0和15.0μm,雙孔間距988.0μm,孔深度已經(jīng)貫穿光纖,成為通孔,有利于氣體或液體的折射率測(cè)量,圖2(a)是傳感器在23?C純水中的實(shí)測(cè)反射光譜.

首先,在室溫條件下進(jìn)行了空氣壓力的測(cè)試.先將傳感器輸出端光纖連接到解調(diào)儀(SM125,1 pm,美國(guó)微光),傳感器后端光纖端面涂抹折射率匹配液,然后將傳感探頭部分密封于自制的壓力可調(diào)氣室中.可調(diào)氣室的進(jìn)氣口安裝有通氣控制閥,并通過軟管與1.0 MPa氣泵相連接.實(shí)驗(yàn)時(shí),打開進(jìn)氣口控制閥緩慢充氣,壓力值可通過安裝在其上的壓力表讀出,待壓力到需要大小,關(guān)閉控制閥并記錄數(shù)據(jù).在室溫條件下,從0.1 MPa開始,每增加0.1 MPa進(jìn)行測(cè)量.圖5是獲得的不同壓力下的傳感器反射光譜和壓力響應(yīng)曲線,其中圖5(a)插圖給出的是濾掉高頻后的光譜,圖5(b)是插圖中A,B點(diǎn)處谷值波長(zhǎng)與壓力關(guān)系擬合曲線.在室溫環(huán)境中,增加氣體壓強(qiáng),與FP1對(duì)應(yīng)的低頻干涉條紋明顯移動(dòng),而與FP2對(duì)應(yīng)的高頻干涉條紋幾乎沒有移動(dòng).這主要源于壓強(qiáng)改變引起的氣體折射率變化,而折射率變化引起了OPD的改變.由于FP2的OPD遠(yuǎn)大于FP1的OPD,相同的光程變化量,對(duì)空氣腔FP1光程的改變相對(duì)于FP2要明顯得多,所以空氣與光纖介質(zhì)組合腔FP2的細(xì)干涉條紋幾乎沒有移動(dòng).

圖4 傳感器加工系統(tǒng)裝置原理圖與實(shí)物照片 (a)系統(tǒng)裝置原理圖;(b)光學(xué)顯微鏡下的微孔圖像;(c)掃描電鏡下的微孔圖像Fig.4.Schematic diagram of sensor processing device and micro-holes image photos:(a)Schematic diagram of processing installations;(b)microscope photo of dual micro-holes;(c)scanning electron microscope photo of single micro-hole.

圖5 不同氣壓下傳感器反射光譜和波長(zhǎng)壓力響應(yīng)關(guān)系 ( a)不同壓力下的反射光譜;(b)谷值波長(zhǎng)隨氣壓變化關(guān)系與擬合曲線Fig.5.Re fl ective spectra of sensor at di ff erent gas pressure and relation curves of wavelength versus gas pressure:(a)Refl ective spectra with di ff erent gas pressure;(b)relations of dip wavelength versus gas pressure change and corresponding fi tting curves.

圖6 不同折射率條件下的傳感器反射光譜和波長(zhǎng)隨折射率的變化 (a)傳感器在不同折射率液體中的反射光譜;(b)經(jīng)濾波后的FP1的反射光譜;(c)FP2的原始反射光譜;(d)反射波長(zhǎng)隨折射率變化曲線Fig.6.Ref l ection spectra of sensor at dif f erent refractive index and responsive curves of wavelength curves RI change:(a)Ref l ection spectra of sensor in liquid with dif f erent RI;(b)ref l ection spectrum of FP1 after f i ltering high frequency;(c)original ref l ection spectrum of FP2;(d)relation curves of ref l ection wavelength versus refractive index change.

通過測(cè)試,對(duì)獲得光譜利用Origin軟件的濾波功能進(jìn)行分析,可獲得低頻干涉光譜條紋(圖5(a)插圖所示).傳感器反射低頻光譜的兩個(gè)波谷對(duì)應(yīng)的壓力靈敏度為2.896和2.961 nm/MPa.若利用室溫(20—25?C)空氣折射率-壓強(qiáng)系數(shù)2.637×10?3RIU/MPa[20]進(jìn)行折算,傳感器對(duì)應(yīng)的折射率靈敏度可達(dá)到1098.218和1122.867 nm/RIU,與模擬計(jì)算獲得的靈敏度相差很小,可認(rèn)為是溫度變化引起的誤差.以空氣中傳感器的溫度響應(yīng)靈敏度為準(zhǔn),氣體溫度與壓力的交叉系數(shù)可達(dá)0.004 MPa/?C.因此,如果解調(diào)設(shè)備的精度為1 pm,則傳感器的折射率測(cè)量精度明顯高于1.0×10?6RIU,對(duì)應(yīng)氣體壓力測(cè)量精度可達(dá)0.3 kPa.與文獻(xiàn)[14,20,21]提出的微腔型FP氣壓傳感器所達(dá)到的1.82,2.126和2.6 nm/MPa靈敏度相比,本文所設(shè)計(jì)傳感器的氣壓靈敏度明顯優(yōu)于文獻(xiàn)結(jié)果.與文獻(xiàn)[22,23]提出的基于光纖膜片腔體和特種光纖腔體結(jié)構(gòu)的氣壓傳感器相比,靈敏度雖低數(shù)十倍,但本文設(shè)計(jì)的傳感器不需要制作微米級(jí)膜片和精確控制特種光纖長(zhǎng)度以及多次切斷熔接,結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn),而且具備多參數(shù)測(cè)量功能.

其次,研究了室溫環(huán)境中傳感器對(duì)液體折射率的響應(yīng)特性.實(shí)驗(yàn)中,分別將0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8和2.0 g純度為99.9%的蔗糖溶入20 mL的蒸餾水中,配置了十組不同濃度的蔗糖溶液.利用阿貝折射儀測(cè)得其對(duì)應(yīng)的折射率分別為1.3348,1.3362,1.3375,1.3388,1.3402,1.3413,1.3428,1.3443,1.3450和1.3470.實(shí)驗(yàn)過程中,每次測(cè)試完成,對(duì)傳感器進(jìn)行清洗,使其對(duì)應(yīng)光譜回到初態(tài),最后利用Origin軟件進(jìn)行高低頻濾波分析.圖6是獲得的不同折射率條件下的傳感器反射光譜和折射率響應(yīng)曲線,其中圖6(a)和圖6(c)是實(shí)測(cè)光譜,圖6(b)是濾掉高頻后的光譜.隨著折射率的增加,高低頻干涉光譜均向長(zhǎng)波方向移動(dòng),線性度均達(dá)到99%以上,只是對(duì)應(yīng)的折射率靈敏度不同,與FP1對(duì)應(yīng)的低頻干涉譜條紋隨折射率變化的靈敏度為1050.700 nm/RIU,而與FP2對(duì)應(yīng)的高頻干涉譜移動(dòng)的靈敏度僅為48.775 nm/RIU.

實(shí)驗(yàn)中,還研究了傳感器的溫度響應(yīng)特性.測(cè)試過程中,調(diào)節(jié)水溫從30?C增加到90?C,每5?C記錄一次測(cè)量結(jié)果.利用Origin軟件進(jìn)行高低頻濾波分析,圖7是傳感器處在不同溫度純水中的反射光譜和溫度響應(yīng)曲線.隨著水溫的升高,與FP1對(duì)應(yīng)的低頻干涉譜發(fā)生紫移,溫度靈敏度和線性度分別為?0.172 nm/?C和99.08%.而與FP2對(duì)應(yīng)的高頻干涉條紋發(fā)生紅移,移動(dòng)幅度明顯比低頻干涉條紋小,即FP2腔的溫度靈敏度較小,但具有較高的線性度,溫度靈敏度和線性度分別為0.004 nm/?C和99.6%.

由于FP1的腔內(nèi)介質(zhì)是水,溫度變化引起的液體熱光效應(yīng)明顯強(qiáng)于光纖的熱膨脹效應(yīng),致使波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng).但對(duì)于由液體腔和光纖腔組合而成的混合腔FP2而言,由于液體腔長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于光纖腔的長(zhǎng)度,因此在溫度的增加過程中,雖然光纖的熱膨脹效應(yīng)占優(yōu)勢(shì),但液體的熱光效應(yīng)起到了消弱熱膨脹效應(yīng)的作用,最終致使高頻干涉條紋隨溫度增加向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的靈敏度降低,僅為0.004 nm/?C.如果合理地設(shè)計(jì)腔長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)高頻條紋對(duì)溫度的不敏感性,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償.

圖7 不同溫度純水中的反射光譜和溫度響應(yīng)曲線 (a)傳感器在不同溫度純水中的反射光譜;(b)經(jīng)濾波后的FP1的反射光譜;(c)FP2的原始反射光譜;(d)反射波長(zhǎng)隨溫度變化曲線Fig.7.Ref l ection spectra of sensor in dif f erent temperature water and responsive curves of wavelength curves temperature change:(a)Ref l ection spectra of sensor in liquid with dif f erent temperature;(b)ref l ection spectrum of FP1 after f i ltering high frequency;(c)original ref l ection spectrum of FP2;(d)relation curves of ref l ection wavelength versus temperature change.

通過獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得FP1和FP2對(duì)應(yīng)條紋的折射率/溫度交叉系數(shù)分別為?1.6×10?4和8.2× 10?5RIU/?C.因此,如果要實(shí)現(xiàn)高于10?5RIU的折射率測(cè)量精度,就必須考慮測(cè)量過程中溫度的影響,進(jìn)行區(qū)分測(cè)量.由于該傳感器對(duì)折射率和溫度有兩套不同的響應(yīng)靈敏度,可利用它們構(gòu)成系數(shù)矩陣,形成如下關(guān)系:

其中?λFP1和?λFP2分別是與FP1和FP2對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化量. 由于kT1= ?0.172 nm/?C,kn= ?0.172 nm/?C,kT2=0.004 nm/?C,kn2=48.775 nm/RIU,傳感器的測(cè)量矩陣方程可表示為

利用(8)式,通過測(cè)量不同條紋的波長(zhǎng)變化量,便可實(shí)現(xiàn)溫度和折射率的區(qū)分測(cè)量.溫度和折射率測(cè)量精度可達(dá)到0.2?C和1.0×10?5RIU,與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的溫度和折射率區(qū)分測(cè)量[24?26]相比,該傳感器具有較高的測(cè)量靈敏度和精度,同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積微小的特點(diǎn),更適于對(duì)微量液體的溫度與折射率區(qū)分測(cè)量.

5 結(jié) 論

本文提出并制作了一種基于雙微孔復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的全光纖多參量FP干涉?zhèn)鞲衅?進(jìn)行了液體折射率、溫度以及氣體壓力的傳感實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明,利用準(zhǔn)分子激光器在普通單模光纖加工微孔結(jié)構(gòu)不僅是可行的,而且制作的雙微孔結(jié)構(gòu)傳感器具有規(guī)整的傳感光譜;此種傳感器對(duì)液體折射率、溫度變化具有優(yōu)于99%的線性響應(yīng)度和兩套折射率、溫度靈敏度,大小分別為1050.700 nm/RIU,?0.172 nm/?C和48.775 nm/RIU,0.004 nm/?C,與理論結(jié)果基本一致;該結(jié)構(gòu)傳感器能用于折射率和溫度區(qū)分測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)1.0×10?5RIU和0.2?C的測(cè)量精度,也可用于氣體壓力的測(cè)試,對(duì)應(yīng)壓力靈敏度可達(dá)2.961 nm/MPa,測(cè)量精度為0.3 kPa,而且具有良好的線性度.