0 引 言

折射率(RI: Refractive Index)傳感器由于其在食品安全、 環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)療等許多領域的應用而引起了廣泛的關注。光纖傳感器具有抗電磁干擾、 尺寸緊湊、 靈敏度高、 響應時間短等優(yōu)勢[1-3]。與石英光纖相比, 塑料光纖(POF: Plastic Optical Fiber)具有一些特有的優(yōu)點, 例如成本低, 芯徑大, 易于耦合, 高數值孔徑和可見光波段的低衰減。此外, 塑料光纖柔韌性好, 軟化溫度低, 易于熱定型, 有助于對其進行彎曲[4]及其他結構改變(如D形[5]、 錐形[6]、 螺旋形[7]等)。因此, 近年來塑料光纖已被廣泛應用于位移傳感、 折射率傳感、 化學傳感和生物傳感等不同種類傳感器開發(fā)[8-11]。

在塑料光纖傳感器制備過程中, 通常會采用一些方法(如側拋磨、 飛秒激光加工、 機械加工和拉錐等[12-14])去掉光纖包層及部分芯層, 讓纖芯中泄漏的光能量與環(huán)境直接發(fā)生作用, 以達到提高靈敏度的目的, 但這些物理方法價格昂貴、 操作復雜, 并且很難控制表面形貌及纖芯直徑。為了降低成本、 有效控制光纖直徑及表面形貌, 有人采用濕腐蝕法制備塑料光纖傳感器。Merchant等[15]首次報道了采用濕腐蝕法對塑料光纖進行處理, 采用丙酮水溶液對塑料光纖進行腐蝕, 得到了錐形結構, 并對腐蝕后光纖中傳輸的模式數及倏逝場情況進行了分析； Bhowmik等[16]采用丙酮溶液對單模塑料光纖進行蝕刻, 得到腐蝕后的塑料光纖光柵相比于未腐蝕的光纖具有更好的應變靈敏度； 趙明富等[17]采用三氯甲烷和無水乙醇混合溶液作為腐蝕劑, 利用濕腐蝕方法制備了塑料光纖折射率傳感器, 分析了腐蝕劑濃度及腐蝕條件對光傳輸情況產生的影響, 并對傳感器的折射率響應進行了測試。濕腐蝕法可對圓柱形光纖外表面進行均勻腐蝕, 使纖芯與待測液體充分接觸, 但由于其整體采用直光纖結構, 其靈敏度及折射率敏感范圍受到了一定的限制。

筆者采用丙酮與甲醇混合溶液作為腐蝕劑, 利用濕腐蝕法去除塑料光纖包層及部分芯層, 首先探究了不同腐蝕劑濃度對腐蝕速率及表面形貌的影響, 得到最佳腐蝕濃度。然后利用加熱金屬棒對腐蝕后的塑料光纖進行宏彎曲處理, 以達到提升靈敏度、 方便測量的目的。采用折射率匹配液對其折射率響應情況進行測試, 分析了宏彎曲半徑和纖芯直徑對折射率敏感度的影響。

1 傳感器設計原理及理論分析

該傳感器的設計主要基于多模塑料光纖在彎曲時, 由于高階模截止而導致的彎曲損耗。對階躍折射率塑料光纖, 光的傳輸情況受全內反射臨界角的影響, 臨界角可表示為

(1)

其中n1為芯層折射率,n2為包層折射率, 當芯包層折射率差值Δ=n1-n2很小時, 式(1)可化為

θc=(2Δ)1/2

(2)

纖芯中存在的總模式數為[18]

(3)

其中k=2π/λ為自由空間傳播常數,a為纖芯半徑。由于多模塑料光纖中模式數極多, 在分析中可以通過幾何光學分析光在塑料光纖中的傳播, 將光的波動理論中使用的模態(tài)的概念替換為射線的概念, 用射線與光纖軸線夾角θ描述射線, 每個入射角θ對應的模式數p可表示為

pf=(2akn1/π)θ

(4)

當光纖發(fā)生彎曲時, 主要會產生兩個變化： 首先, 彎曲光纖外部的拉伸導致外部模式相速增加, 從而使傳播常數明顯降低, 此時, 需將β替換為β/(R+r), 相應地,γ將替換為

(5)

(6)

將式(2)、 式(4)、 式(5)代入式(6), 并進行相應近似處理, 最終可得到多模階躍光纖對應于角度為θ的導模傳輸損耗衰減系數為

(7)

圖1 光線在彎曲光纖中以臨界角 反射情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of light reflection at a critical angle in a bent fiber

功率損耗是由于高階模的截止, 這意味著光纖的有效數值孔徑減小, 當入射角大于某一臨界角時, 模式損耗急劇增加, 滿足這一臨界角的條件為式(1)中指數項自變量為0, 即

(8)

因此, 可以認為, 對入射角為θ的導模, 其在彎曲光纖傳輸距離l后, 其功率P(θ)為[19]

P(θ)=P0(θ)exp(-αl)

(9)

其中P0(θ)為彎曲起點處入射角為θ所對應的模式的功率。為求出彎曲光纖傳輸的總功率, 需要對所有模式進行求和, 由于傳輸模式數量極大, 可以利用積分代替求和, 即

(10)

由于光纖彎曲所造成的傳播損耗的比例為

(11)

通過分析可以得到, 隨著多模塑料光纖芯徑減小, 彎曲損耗增大； 彎曲半徑越小, 彎曲損耗越大； 光纖數值孔徑越大, 彎曲損耗越小。由式(1)、 式(7)和式(11)可知, 光纖宏彎曲損耗與包層折射率密切相關, 當去掉塑料光纖包層時, 外界環(huán)境充當包層, 此時環(huán)境折射率會影響彎曲損耗, 可以通過測量光纖中傳輸的光能量進而得出環(huán)境折射率的變化, 這就是強度調制型宏彎曲光纖折射率傳感器的基本原理。

2 實驗材料及制備方法

2.1 實驗材料及試劑

該實驗采用的階躍型商用塑料光纖由重慶世紀之光有限公司制造, 其直徑為1 mm(芯層直徑980 μm, 包層直徑20 μm)。芯層材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA: Polymethyl Methacrylate), 折射率1.49； 包層材料為含氟聚合物, 折射率1.41； 數值孔徑為0.5。腐蝕劑采用丙酮(CH3COCH3, 純度≥99.5%, 天津市富宇精細化工有限公司)和甲醇(CH3OH, 純度≥99.5%, 北京化工廠)的混合溶液, 丙酮濃度在50%～90%。

2.2 腐蝕裝置及腐蝕過程

濕腐蝕的主要原理是利用PMMA分子在丙酮溶液中的溶解。溶解過程主要分為以下3個階段[20-21]： 首先, 溶劑分子擴散至PMMA表面, 然后引發(fā)PMMA聚合物分子鍵的溶解甚至斷裂, 最終, 斷裂的PMMA分子溶解于腐蝕劑中。宏彎曲塑料光纖折射率傳感器的制備過程如圖2所示。腐蝕裝置如圖2a所示, 反應發(fā)生在可密封的避光玻璃器皿內(體積為70 mm×310 mm×110 mm), 避免腐蝕劑揮發(fā)。

圖2 宏彎曲塑料光纖折射率傳感器的制備過程Fig.2 Preparation process of U-shaped POF RI sensor

實驗中, 選取長度為300 mm的塑料光纖, 去除其中心區(qū)域長度為(30±0.5)mm的保護層, 使光纖裸露。為避免有包層材料及灰塵殘留, 使用無水乙醇對裸露的光纖表面進行擦洗, 然后采用去離子水沖洗, 氮氣吹干后備用。

腐蝕過程主要包含以下4個步驟： 1) 室溫下, 將去除部分保護層的塑料光纖放入腐蝕容器中。2) 向容器中注入不同濃度的腐蝕劑, 將其密封, 靜置一段時間, 腐蝕結束后, 迅速將光纖從容器中取出。3) 取出光纖后, 由于表面附著大量腐蝕產物, 待表面殘留腐蝕劑揮發(fā)后, 腐蝕產物會逐漸再次聚合, 形成不平整表面, 影響光傳輸情況及靈敏度。為去除腐蝕產物, 采用超聲清洗機清洗腐蝕后的光纖, 超聲功率170 W, 時間40 s。4) 超聲清洗后, 取出光纖, 采用無水乙醇擦拭腐蝕區(qū)域, 并用去離子水沖洗氮氣吹干后備用。

為確定最佳反應條件, 利用光學顯微鏡對腐蝕區(qū)域形貌及腐蝕速率進行觀察,圖3分別是丙酮溶液濃度50%,60%,70%,80%, 反應時間70 min時腐蝕區(qū)域表面形貌。

圖3 濕腐蝕塑料光纖表面形貌Fig.3 Surface morphology of plastic fiber after corrosion

從圖3可以看出, 當丙酮濃度為50%時, 很難造成PMMA分子的分解, 光纖芯徑變化不明顯； 腐蝕劑濃度在60%～70%時, 光纖表面存在部分腐蝕產物殘留； 當腐蝕劑濃度在80%以上時, 能形成較為光滑平整的表面形貌, 有利于光傳輸及傳感器的制備。通過觀察不同腐蝕劑濃度在不同反應時間下纖芯剩余尺寸(見圖4a), 對其進行線性擬合, 得到腐蝕速率隨腐蝕劑濃度變化的規(guī)律(見圖4b)。觀察圖3、圖4可以發(fā)現, 隨著腐蝕劑濃度增大, 光纖腐蝕區(qū)域表面形貌更加平整光滑。但當腐蝕劑濃度過高(超過90%)時, 腐蝕速率過快, 極易造成光纖在腐蝕過程中的斷裂, 不利于后續(xù)處理。因此在之后的實驗中, 采用的腐蝕劑丙酮濃度均為80%。

圖4 不同溶液濃度的腐蝕情況Fig.4 Corrosion at different acetone concentrations

2.3 宏彎曲處理

將腐蝕后的光纖剩余保護層去除, 得到H型塑料光纖, 其腐蝕分界面情況如圖2b所示。利用酒精燈加熱過的不同尺寸金屬棒對其進行宏彎曲熱定型(見圖2c)。圖2d是制備出的彎曲半分別徑為10 mm, 8 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm的傳感探頭。

3 實驗結果及討論

3.1 測試裝置及方法

圖5為光纖傳感器測試裝置示意圖, 待測液體為折射率范圍在1.30～1.45的折射率匹配液(Certified Refractive Index Liquids), 折射率變化步長為0.01。光源采用655 nm紅光激光器(MRL-Ⅲ-655L-100 mW)作為輸入信號, 穩(wěn)定性更好, 抗干擾能力強, 同時, 工作波長在用塑料光纖最低衰減窗口的655 nm； 利用光功率計(PM100D)記錄通過傳感器后的輸出功率。

圖5 傳感器測試裝置示意圖Fig.5 Diagram of sensor testing device

測試平臺中的所有單元均已固定, 以避免可能因振動而引起的功率波動。該實驗是在暗室中進行的, 以消除其他光源的影響。此外, 將環(huán)境溫度保持在20 ℃以避免溫度變化引起折射率變化。為避免由于耦合造成的誤差, 測試時將傳感探頭固定于光學測試平臺上, 盛有待測溶液的容器緩慢上下移動, 使傳感探頭浸入待測液中, 記錄其輸出光功率。多次重復測量取平均值, 每次測量結束后, 用去離子對傳感探頭水進行沖洗并清理表面殘余水分, 然后進行下一次測量。

采用相對輸出光強T表征傳感器的輸出響應, 其表達式為T=pi/po, 其中po為待測溶液折射率等于1.30時, 傳感器的光輸出功率,pi為在當前折射率下傳感器的輸出光功率。此時, 傳感器的靈敏度定義為傳輸情況隨折射率變化的斜率, 即S(%/RIU)=ΔT/Δn。

3.2 芯徑對靈敏度的影響

分別測量了彎曲半徑為2 mm時, 芯徑為900 μm、 800 μm、 700 μm和500 μm傳感器透射率, 其結果如圖6所示。其中點線為實際測試結果, 實線為其線性擬合曲線。從圖6可以看出, 傳感器整體響應線性度良好, 雖然直徑為芯徑(900 μm、 800 μm、 700 μm), 由于芯徑差異不大, 導致變化規(guī)律并不明顯, 但從整體看, 隨著芯徑減小, 光纖傳感器的靈敏度不斷增強。這是因為芯徑越小, 彎曲損耗越大, 更多光線泄漏, 導致與環(huán)境相互作用增強。在2a=500 μm處測得其最佳靈敏度為581%/RIU。

同時, 在觀察測試過程中發(fā)現, U形塑料光纖傳感探頭在剛接觸待測溶液時, 其輸出光功率會有一個明顯的變化, 隨著光纖彎曲部分完全進入到溶液后, 即使再繼續(xù)增加浸入深度, 輸出功率也不會有非常明顯的變化。由此可知, 只有光纖彎曲部分對環(huán)境折射率變化較為敏感, 彎曲部分之外的區(qū)域, 即使存在腐蝕后的變細結構, 也不會對傳感性能產生非常大的影響。產生這個現象的原因可能是由于相比較于光纖宏彎曲損耗, 倏逝場的變化強度非常微小, 幾乎可以忽略不計。

3.3 彎曲半徑對靈敏度的影響

圖7為制成的塑料光纖的透射率隨彎曲半徑(R=2、3、4、5、8、10 mm)的變化情況, 此時傳感探頭芯徑為700 μm。從圖7可以看出, 整體看, 隨著彎曲半徑的減小, 傳感器靈敏度逐漸增強。這是由于彎曲半徑越小, 彎曲損耗越大, 當更多的光線從傳感探頭泄漏時, 泄漏出的光與外部環(huán)境之間的相互作用會增強。當彎曲半徑過小(≤2 mm)時, 由第1節(jié)分析可知, 對于多模光纖, 截止的模式更多導致?lián)p耗過大, 接收端接收到的各模式總功率極小。由于筆者采用相對輸出光強T=pi/po表征傳感器的輸出響應, 采用S(%/RIU)=ΔT/Δn表征傳感器靈敏度, 當模式損耗過大, 接收端接收總功率過小時, 測試靈敏度受到影響。在R=3 mm處, 測得最佳靈敏度為618%/RIU。

圖6 傳感器靈敏度隨芯徑的變化情況 圖7 傳感器靈敏度隨彎曲半徑的變化情況Fig.6 Sensitivity changes with probe core diameter Fig.7 Sensitivity changes with bending radii

4 結 語

筆者采用丙酮、 甲醇混合溶液對塑料光纖進行濕腐蝕處理, 探究了不同腐蝕劑濃度下, 腐蝕速率及腐蝕區(qū)域形貌的情況, 確定了最佳腐蝕劑濃度為丙酮濃度80%。采用熱定型法對濕腐蝕后的光纖進行宏彎曲處理, 制成U形傳感探頭以提高其靈敏度。利用折射率范圍為1.30～1.45的折射率匹配液對其響應進行了測試, 實驗結果表明, 所制備的傳感器在整個測試范圍內均有響應。隨著纖芯直徑和彎曲半徑減小, 靈敏度逐漸增強, 彎曲半徑小于5 mm時, 折射率響應的線性度更好, 但當彎曲半徑過小時, 損耗過大對靈敏度會產生負面影響。在彎曲半徑為3 mm, 傳感探頭芯徑為700 μm時, 測得最佳靈敏度為618%/RIU。