龔文慧，張雄星，康家雯

(西安工業(yè)大學 光電工程學院 , 西安 710021)

引 言

在物理、化學和生物工業(yè)生產(chǎn)過程和傳感檢測過程中往往需要實時測量溶液質(zhì)量分數(shù)，相比于傳統(tǒng)的傳感器，光纖傳感器因為具備了質(zhì)量輕、尺寸小、耐腐蝕性好、抗電磁干擾和靈敏度高等優(yōu)點[1-4]，所以越來越受到各國研究者與工程技術人員的青睞，已經(jīng)獲得了一定規(guī)模的應用。

光纖傳感器可以通過測量折射率的變化來間接獲得溶液質(zhì)量分數(shù)的變化，但是溶液的折射率是其質(zhì)量分數(shù)和溫度的函數(shù)[5]，質(zhì)量分數(shù)檢測過程通常會伴隨溫度變化，溫度變化直接影響折射率測量的準確性。當前，使用光纖傳感器來測量質(zhì)量分數(shù)和溫度已經(jīng)成為研究的熱點。其中，干涉式光纖傳感器[6-11]具備更高的穩(wěn)定性，更適合于復雜環(huán)境中的多參數(shù)測量。2014年，YAO 等人[12]提出了一種用于同時測量溶液中的折射率(refractive index，RI)和溫度的全光纖傳感器，該傳感器的折射率靈敏度為13.7592nm/折射率,較低。2015年，DASH 等人[13]利用熔接光子晶體光纖時產(chǎn)生的氣體凹陷，將其與單模光纖進行熔接制備了雙法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer, FPI)，該傳感器的參數(shù)測量需要對透射光譜和反射光譜分別進行測量，無法實現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)和溫度的同時測量。2016年， LI等人[14]采用級聯(lián)的單模光纖-多模光纖-光子晶體光纖-單模光纖結構，通過對反射光譜和透射光譜移動的監(jiān)測，同時測量溫度和折射率，該傳感器的折射率靈敏度為108nm/單位折射率(refractive index unit，RIU)。2018年，SUN等人[15]采用級聯(lián)的單模光纖-錐形光纖-薄芯光纖結構的馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)，通過在干涉光譜上選取兩個特征波谷，并觀測對應光譜的特征波谷的漂移量實現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)和溫度的雙參數(shù)傳感檢測，該傳感器需要將單模光纖拉錐，得到級聯(lián)細芯光纖，傳感器加工難度較大。2019年，ZHOU等人[16]通過在單模光纖上熔融放電制作出MZI，之后在MZI的尾纖的一端與光子晶體光纖進行熔接形成FPI，該傳感器的折射率靈敏度9.97nm/RIU較低。

綜上所述，本文中提出并實現(xiàn)了一種新型的具有單模光纖(single mode fiber, SMF)-空芯光纖(hollow core fiber, HCF)-SMF-HCF-SMF級聯(lián)干涉結構的雙參數(shù)傳感器。該傳感器可同時監(jiān)視FPI反射光譜和MZI透射光譜的特征波谷與波峰的波長移動,通過計算FPI和MZI的特征波長移動量，并將其計算得出的靈敏度數(shù)值代入溫度-折射率傳感矩陣，實現(xiàn)溫度-質(zhì)量分數(shù)雙參數(shù)的動態(tài)測量。該傳感器不需要精密的處理技術，易于制造并且成本較低，同時，該傳感器靈敏度高、線性度高，在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的應用價值[17-19]。

1 傳感器工作原理

設計的傳感器結構如圖1所示。它包括在兩段SMF之間拼接一段內(nèi)徑為75μm的HCF而制造的FPI，以及在兩段SMF之間拼接一段內(nèi)徑為5μm的HCF制造的MZI。當光源的光進入復合干涉儀時，光強可以分為3個部分：首先，由于存在HCF，來自SMF的一部分光被HCF的兩個表面反射回SMF的纖芯，此時發(fā)生法布里-珀羅干涉;其次，另一部分光進入SMF，在SMF-HCF拼接點激發(fā)了沿HCF包層傳播的包層模式;最后，還剩余一部分光作為HCF纖芯模式傳播，在HCF-SMF拼接點，SMF的包層模式被耦合回纖芯模式，HCF的包層模式和纖芯模式之間發(fā)生馬赫-曾德爾干涉。

Fig.1 Dual-parameter measurement sensor structure diagram

對于法布里-珀羅干涉，入射光I1光可以分為從SMF進入HCF的I2，在SMF-HCF拼接處發(fā)生的菲涅耳反射光I3，以及在HCF-SMF拼接處發(fā)生的菲涅耳反射光I4。FPI的干涉光譜強度可以表示為：

(1)

式中，n是腔體的折射率，LF-P是FPI的腔體長度，λ是傳輸光的波長，φ0是初始相位。

可求得FPI的反射光的光程差為：

l=2nLF-P

(2)

而FPI干涉光譜的第k級波谷處的波長λk,F-P為：

(3)

聯(lián)立(2)式和(3)式，可得FPI光程差為：

(4)

由(4)式可知，F(xiàn)PI光程差與該第k級波谷處的波長λk,F-P成正比。

當外界溫度發(fā)生變化時，依據(jù)熱膨脹和熱光效應，會導致 FPI 的腔長發(fā)生變化，最終導致光程差的變化，因此此時(2)式可轉化為：

Δl=2ΔnLF-P+2nΔLF-P=

2nΔTLF-P(ξ+α)

(5)

式中，α為HCF的熱膨脹系數(shù)，ξ為HCF的熱光系數(shù)。由(5)式可知，F(xiàn)PI的光程差變化量Δl與溫度的變化量ΔT成正比。

聯(lián)立(4)式和(5)式，可得：

(6)

由(6)式可知，對FPI干涉光譜的波谷進行波長漂移量的測量，即可得到溫度的變化量。

進行折射率測量時，由于SMF和HCF的有效折射率差異，在SMF-HCF和HCF-SMF拼接點會產(chǎn)生菲涅耳反射，在拼接點處反射率為：

(7)

式中，nHCF為HCF光纖的有效折射率，nSMF為SMF光纖的有效折射率。當傳感器置于不同折射率的外界環(huán)境時，外界環(huán)境折射率為nex，拼接點處反射率變?yōu)椋?/p>

(8)

由多光束干涉的公式可知：

(9)

式中，Ir是FPI反射光的光強；I0是FPI入射光的光強。

由(9)式可知，當外界環(huán)境的折射率發(fā)生變化時，F(xiàn)PI反射光譜的波長不會隨著折射率的變化而發(fā)生改變，即FPI反射光譜對折射率的變化不敏感。

對于馬赫-曾德爾干涉，光可以分為在HCF纖芯中傳輸?shù)腎5以及被激發(fā)到HCF包層中傳輸?shù)腎6，MZI形成的干涉光譜強度可以表示為：

(10)

式中，IM-Z為MZI干涉譜光強；Δnf為纖芯模式和包層模式的相對折射率差；LM-Z為MZI腔體的長度；λ為傳輸光的波長。

當外界環(huán)境發(fā)生變化時， 光纖的熱光效應和熱膨脹效應會導致HCF的包層模和纖芯模的相對折射率差Δnf和 腔長LM-Z發(fā)生變化，有：

(11)

式中，ξ1為纖芯的熱光系數(shù)；ξ2為包層的熱光系數(shù)；nf,1為纖芯的有效折射率；nf，2為包層的有效折射率。

當相位差φ56滿足φ56=(2k+1)π時(k是正整數(shù))，干涉波峰對應的波長λk,M-Z可表示為：

(12)

由(11)式可知，MZI的波峰變化量與外界溫度和折射率的變化量線性相關。

當外界溫度T和C12H22O11溶液質(zhì)量分數(shù)w發(fā)生變化時，所產(chǎn)生的溫度變化ΔT和溶液折射率變化Δn與FPI的反射光譜特征波長變化系數(shù)ΔλF-P和MZI的透射光譜特征波長變化系數(shù)ΔλM-Z相關關系為：

(13)

式中，mT,1和mn,1分別為FPI的溫度靈敏度和折射率靈敏度；mT,2和mn,2分別為MZI的溫度靈敏度和折射率靈敏度，由(13)式構建靈敏度系數(shù)矩陣有：

(14)

將測量得到的特征波長漂移變化量進行線性擬合，得到FPI和MZI靈敏度，再與(14)式靈敏度系數(shù)矩陣相結合，即可同時進行溫度和溶液質(zhì)量分數(shù)的監(jiān)測。

2 傳感器制作

該傳感器的顯微圖像如圖2所示。以SMF為輸入端，SMF-HCF(內(nèi)徑75μm)構成FPI，SMF-HCF(內(nèi)徑5μm)-SMF構成MZI。

Fig.2 Microstructure diagram of a dual-parameter measurement sensor

該傳感器的制備步驟如下：(1)首先進行FPI的制作，將SMF、HCF(內(nèi)徑75μm)的一端去除一段長度的涂覆層后，用光纖切割刀切割，使用熔接機進行熔接；之后用光纖切割刀將HCF切割180μm的長度作為FPI的初始腔長，完成SMF-HCF(內(nèi)徑75μm)的結構；(2)進行MZI的制作，將SMF、HCF(內(nèi)徑5μm)的一端去除一段長度的涂覆層后，用光纖切割刀切割，使用熔接機進行熔接；之后用光纖切割刀將HCF切割3cm的長度作為MZI的長度，在HCF的另一端面再熔接一根SMF，完成SMF-HCF(內(nèi)徑5μm)-SMF的結構；(3)將MZI一端的SMF用光纖切割刀切割5mm的長度，再與FPI的HCF端進行熔接，完成傳感器SMF-HCF(內(nèi)徑75μm)-SMF-HCF(內(nèi)徑5μm)-SMF級聯(lián)的結構。

3 實驗結果與分析

3.1 傳感器溫度特性

將制作好的傳感器連接至圖3所示溫度傳感實驗裝置，進行溫度特性測試表征實驗。所采用溫度傳感實驗裝置由超輻射發(fā)光二極管光源(super luminescent diode，SLD)、光纖環(huán)行器、高溫爐(high temperature furnace，HTF)和光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)構成。

Fig.3 Sensor temperature experimental test system

固定傳感器，將溫度變化范圍設置為40℃～150℃，每隔10℃在光譜儀中收集一次數(shù)據(jù)。FPI和MZI的頻譜漂移如圖4和圖5所示。

Fig.4 FPI reflection spectrum of sensor temperature experiment

Fig.5 MZI transmission spectrum of sensor temperature experiment

從圖6和圖7可以看出，傳感器的FPI和MZI都隨溫度變化而漂移，F(xiàn)PI的變化較大，MZI的變化較小。對FPI和MZI的溫度響應進行線性擬合。FPI和MZI的溫度響應曲線如圖8所示。FPI溫度擬合線的斜率約為10pm /℃，截距約為1577.70，調(diào)整后擬合優(yōu)度R2≈1；MZI溫度擬合線的斜率約為3.45pm /℃，截距約為1575.15，調(diào)整后擬合優(yōu)度R2≈0.93。因此，MZI的溫度靈敏度為3.45pm /℃，線性度為0.93。FPI的溫度敏感度為10pm /℃，線性度為1。實驗結果表明，該傳感器對溫度變化具有良好的靈敏度和線性度。

Fig.6 FPI wavelength drift diagram in the 1575nm～1580nm band

Fig.7 MZI wavelength drift diagram in the 1560nm～1600nm band

Fig.8 The response curve of the sensor to the wavelength change in different temperature

3.2 傳感器溶液質(zhì)量分數(shù)特性研究

根據(jù)C12H22O11溶液質(zhì)量分數(shù)和折射率的經(jīng)驗公式可計算得出折射率值，再計算溶液折射率與光譜波長的關系，即可間接求得溶液質(zhì)量分數(shù)和波長的關系。

利用蒸餾水和質(zhì)量分數(shù)為0.25(20℃)的C12H22O11溶液分別配置了質(zhì)量分數(shù)為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40的C12H22O11溶液。如表1所示，C12H22O11溶液質(zhì)量分數(shù)與折射率成正比。

Table 1 Solution mass fraction refractive index table

將制作好的傳感器連接至圖9所示溶液質(zhì)量分數(shù)傳感實驗裝置，進行溶液質(zhì)量分數(shù)特性測試實驗。所采用質(zhì)量分數(shù)傳感實驗裝置由SLD光源、光纖環(huán)行器、裝盛不同質(zhì)量分數(shù)C12H22O11溶液的培養(yǎng)皿和光譜分析儀構成。

Fig.9 Sensor mass fraction experimental device diagram

將制備的溶液倒入培養(yǎng)皿中并測量溶液的溫度。當溶液的溫度穩(wěn)定在20℃時，記錄傳感器在不同溶液質(zhì)量分數(shù)下的光譜數(shù)據(jù)。FPI和MZI的頻譜漂移如圖10和圖11所示。從圖12和圖13可以看出，當溶液的質(zhì)量分數(shù)從0.05增加到0.40、折射率從1.340增加到1.397時，F(xiàn)PI特征波谷的波長沒有明顯的漂移，MZI波峰向右漂移，波長變化約為15nm。對FPI和MZI的折射率響應進行線性擬合，響應曲線如圖14所示。FPI折射率擬合線的斜率約為0pm /℃，截距約為1565.70，調(diào)整后擬合優(yōu)度R2≈1；MZI折射率擬合線的斜率約為232.29pm /℃，截距約為1274.15，調(diào)整后擬合優(yōu)度R2≈0.97。

Fig.10 FPI reflection spectrum of sensor mass fraction experimentFig.11 MZI transmission spectrum of sensor mass fraction experiment

Fig.12 FPI wavelength drift at different mass fractions in the 1560nm～1570nm band

Fig.13 MZI wavelength drift at different mass fractions in the 1550nm～1620nm band

Fig.14 Response curve of the sensor to the wavelength change in solutions with different refractive index

實驗結果表明，F(xiàn)PI對折射率不敏感，折射率與波長之間沒有明顯的線性關系，F(xiàn)PI的溶液折射率靈敏度約為0nm/RIU；MZI的溶液折射率靈敏度為232.3nm/RIU，線性度為0.975。

結合上述實驗數(shù)據(jù)，將溫度特性研究所得的溫度靈敏度，與溶液質(zhì)量分數(shù)特性研究所得折射率靈敏度代入下式的靈敏度系數(shù)矩陣，可得該FPI-MZI雙參數(shù)傳感器的溫度-折射率傳感矩陣方程為：

(15)

4 結 論

本文中提出了一種具有FPI級聯(lián)MZI結構的干涉式光纖傳感器，用于溫度和質(zhì)量分數(shù)的雙參數(shù)測量，通過同時監(jiān)測傳感器的MZI和FPI的特征波峰和波谷的波長變化值，將波長變化線性擬合所得溫度靈敏度與折射率靈敏度代入溫度-折射率傳感矩陣，從而實現(xiàn)溫度與質(zhì)量分數(shù)雙參數(shù)的同時測量。在40℃～150℃的溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)PI的溫度敏感度為10pm/℃，而MZI的對溫度不敏感。在溶液質(zhì)量分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)0.05～0.40的范圍內(nèi)，F(xiàn)PI對折射率不敏感，而MZI折射率靈敏度是232.3nm/RIU。

該傳感器拼接技術簡單、易制造、性能穩(wěn)定。在溶液折射率受溫度影響的環(huán)境中測量溶液質(zhì)量分數(shù)時，可以有效避免環(huán)境溫度變化引起的液體質(zhì)量分數(shù)測量誤差。具有良好的傳感性能、應用價值和研究意義。