帶有溫度補(bǔ)償?shù)奈⒘鱾鞲衅餮芯?/h1>
2023-01-30 07:01:08李勇志金東洋黃文雪胡久齡景殿濤
壓電與聲光 2022年6期
李勇志，金東洋,黃文雪,胡久齡，景殿濤
(沈陽遼海裝備有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)
0 引言
多孔光纖是一種沿其軸向上含有空氣孔的光纖，包括微結(jié)構(gòu)光纖(MSF)[1]和光子晶體光纖(PCF)[2]，其中微結(jié)構(gòu)光纖又包括中空偏心光纖(HEF)[3]和邊孔光纖(SHF)[4]。多孔光纖多應(yīng)用于化學(xué)傳感和實(shí)時(shí)測量?；诙嗫坠饫w的緊湊型傳感器也被稱為微流控光纖傳感器，其具有易與通信系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，也可被集成為芯片實(shí)驗(yàn)室[5]。由于微流控技術(shù)具備響應(yīng)時(shí)間快，控制精確，方便攜帶和自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，得到了人們的廣泛關(guān)注。
長周期光纖光柵(LPFG)[6]的周期長度為幾十微米到幾百微米，其工作原理是把光纖纖芯的基模和同方向傳輸?shù)陌鼘幽Ｊ竭M(jìn)行耦合，將處在共振波長的光耦合到包層里，在輸出光的光譜圖上產(chǎn)生缺陷。但單個(gè)光纖光柵傳感器不僅受一個(gè)物理量的影響，對溫度、折射率、應(yīng)力、彎曲和壓力等參數(shù)均較敏感[7-9]，用于傳感時(shí)很難區(qū)分溫度和折射率分別引起的光譜變化，所以光纖光柵傳感器存在交叉敏感的問題，為了克服此阻礙，使光纖光柵傳感器從理論走向?qū)嶋H，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)測量將是必須攻克的難題。
2012年，Hu等[10]提出了一種由長周期光纖光柵和光子晶體光纖模態(tài)干涉儀組成的雙參數(shù)測量傳感器，該傳感器在長周期光纖光柵上的折射率靈敏度和溫度靈敏度分別為-30.82 nm/RIU和47.4 pm/℃，而在光子晶體光纖模態(tài)干涉儀上分別為171.96 nm/RIU和10.4 pm/℃；2018年，Zhang等[11]提出了一種基于無芯光纖的級聯(lián)長周期光纖光柵傳感器，該傳感器折射率靈敏度最高達(dá)到-580.269 dB/RIU，溫度靈敏度為27.2 pm/℃。本文設(shè)計(jì)了一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)奈⒘鱾鞲衅?，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，利用CO2激光器在邊孔光纖上刻寫兩段不同周期的LPFG，以達(dá)到折射率和溫度同時(shí)測量的目的。本文設(shè)計(jì)的傳感器折射率靈敏度的優(yōu)勢在于光纖天然的內(nèi)通道能集成到微流芯片中，體積小，質(zhì)量小，能對折射率和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
1 雙參數(shù)測量原理
LPFG周期長度為幾十微米到幾百微米，沿著光纖軸向折射率發(fā)生周期變化。當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光纖的基模與同向傳輸?shù)陌鼘幽０l(fā)生耦合，由于在包層與空氣界面處發(fā)生散射損耗，這些模式沿光纖軸向傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，在輸出光的光譜圖上形成共振峰。LPFG的相位匹配條件為
λi=(ncore-nclad(i))Λ
(1)
式中：λi為i階包層模與纖芯基模耦合的共振波長；ncore，nclad(i)分別為纖芯基模和i階包層模的有效折射率；Λ為周期長度。
由于λi對nclad(i)具有高度的依賴性，使得LPFG對包層附近的任何物理、化學(xué)或生物擾動(dòng)引起的nclad(i)變化非常敏感，所以基于邊孔光纖的LPFG折射率靈敏度較高。
LPFG的共振波長與折射率和溫度都具有良好的線性關(guān)系，因此用2個(gè)LPFG的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測量，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)在光譜上會(huì)表現(xiàn)為W型雙共振峰。
圖1 雙光柵級聯(lián)示意圖
LPFG不同共振峰的共振波長的折射率或溫度靈敏度不同，當(dāng)折射率和溫度同時(shí)作用在級聯(lián)LPFG時(shí)，不同共振峰的共振波長變化ΔλA和ΔλB可表示為
(2)
式中：KnA，KnB分別為折射率單獨(dú)作用在光柵A、B時(shí)共振波長λA和λB的折射率靈敏度；KTA，KTB分別為溫度單獨(dú)作用于光柵A、B時(shí)共振波長λA和λB的溫度靈敏度;Δn為折射率變化;ΔT為溫度變化。
由矩陣論可知，只要系數(shù)矩陣滿足KnAKTB≠KnBKTA，則式(2)有解。當(dāng)折射率和溫度同時(shí)作用于級聯(lián)LPFG，只要測出級聯(lián)LPFG的共振峰A、B對應(yīng)的共振波長的變化ΔλA和ΔλB，即可由式(2)解出Δn和ΔT，從而用級聯(lián)LPFG實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測量。
2 傳感器設(shè)計(jì)與制作
圖2為邊孔光纖橫截面示意圖。該光纖是由兩個(gè)對稱的空氣孔、橢圓形纖芯和包層組成，其直徑為?125 μm，纖芯為橢圓形，長軸長為10.4 μm，短軸長為5.7 μm，兩個(gè)空氣孔的直徑為?43 μm，空氣孔到纖芯的距離即內(nèi)包層厚度為10.3 μm，外包層厚度為9.2 μm。利用CO2激光器在邊孔正上方刻寫兩段LPFG。
圖2 邊孔光纖截面圖
采用CO2激光寫入方法制作LPFG。圖3為在邊孔光纖上寫入兩個(gè)LPFG的實(shí)驗(yàn)裝置和方法的示意圖。邊孔光纖兩端分別連接超連續(xù)譜光源(Superk Compact，NKT Photonics，光譜范圍600～1 700 nm)和光譜儀(OSA，AQ6317B，ANDO)。利用兩個(gè)可調(diào)夾具C1、C2來固定邊孔光纖，調(diào)節(jié)邊孔光纖的角度，確保邊孔在CO2激光器(CO2-H10，Han’s Laser)的正下方，并寫入光柵A。然后調(diào)節(jié)位移臺，與光柵A相距2 cm的地方寫入光柵B。光柵A周期為480 μm，長度為24 mm，光柵B周期為500 μm，長度為25 mm。
圖3 雙光柵傳感器制作示意圖
圖4為雙LPFG光譜。在制作完第一段LPFG時(shí)，用光譜儀記錄透射光譜(黑線)，光柵A共振波長為1 268.7 nm，消光比達(dá)到16 dB。制作完第二段LPFG時(shí)，再次記錄其透射譜(紅線)，光柵B共振波長為1 385.8 nm，消光比達(dá)到18 dB。
圖4 光柵A和雙LPFG(光柵A和光柵B)光譜
3 溫度補(bǔ)償
圖5為樣品溶液折射率測量裝置。LPFG制作完成后，先對兩段LPFG間的光纖微通道進(jìn)行熔融塌縮操作，以防止溶液串流。用毛細(xì)管套在光柵A區(qū)域，在毛細(xì)管中插入毛細(xì)管光纖(外徑?125 μm，內(nèi)徑?20 μm)，然后在毛細(xì)管兩端用紫外固化膠封死，這一端用作樣品溶液注入口。將單模光纖一端磨成圓臺，研磨角度為30°，研磨深度為40 μm，并與邊孔光纖光柵A端焊接，用作樣品溶液流出口。
圖5 樣品溶液折射率測量裝置
圖6(a)、(b)為光柵A、B折射率響應(yīng)曲線。當(dāng)注液泵注入樣品溶液的折射率為1.335～1.395，步長為0.01時(shí)，隨著樣品溶液折射率的增加，光柵A、B的共振波長向短波方向偏移，光柵A的折射率靈敏度為-88.724 nm/RIU，光柵B的折射率靈敏度為-79.474 nm/RIU。圖6(c)、(d)為光柵A、B溫度響應(yīng)曲線。用恒溫加熱臺對其溫度靈敏度進(jìn)行測量，測量范圍為20～100 ℃，步長為10 ℃，隨著溫度的增加，光柵A、B的共振波長向長波方向偏移，光柵A的溫度靈敏度為52.0 pm/℃，光柵B的溫度靈敏度為55.7 pm/℃。
圖6 光柵A、B折射率及溫度響應(yīng)曲線
將光柵A、B的折射率靈敏度與溫度靈敏度代入式(2)中，得到溫度補(bǔ)償傳感矩陣為
(3)
4 結(jié)束語
本文提出一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器，兩個(gè)LPFG共振峰的折射率靈敏度分別為-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU，溫度靈敏度分別為52.0 pm/℃和55.7 pm/℃。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲芯仃?，能?shí)現(xiàn)液體折射率和溫度的測量。該傳感器靈敏度和一些其他的傳感器相比不具備優(yōu)勢，該缺點(diǎn)可通過對邊孔光纖熔融拉錐解決，通過減小纖芯直徑以增加低階模式與外界環(huán)境接觸的機(jī)會(huì)。因此，通過熔融拉錐后制作的LPFG，其折射率靈敏度可得到提高。
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多孔光纖是一種沿其軸向上含有空氣孔的光纖，包括微結(jié)構(gòu)光纖(MSF)[1]和光子晶體光纖(PCF)[2]，其中微結(jié)構(gòu)光纖又包括中空偏心光纖(HEF)[3]和邊孔光纖(SHF)[4]。多孔光纖多應(yīng)用于化學(xué)傳感和實(shí)時(shí)測量?；诙嗫坠饫w的緊湊型傳感器也被稱為微流控光纖傳感器，其具有易與通信系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，也可被集成為芯片實(shí)驗(yàn)室[5]。由于微流控技術(shù)具備響應(yīng)時(shí)間快，控制精確，方便攜帶和自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，得到了人們的廣泛關(guān)注。
長周期光纖光柵(LPFG)[6]的周期長度為幾十微米到幾百微米，其工作原理是把光纖纖芯的基模和同方向傳輸?shù)陌鼘幽Ｊ竭M(jìn)行耦合，將處在共振波長的光耦合到包層里，在輸出光的光譜圖上產(chǎn)生缺陷。但單個(gè)光纖光柵傳感器不僅受一個(gè)物理量的影響，對溫度、折射率、應(yīng)力、彎曲和壓力等參數(shù)均較敏感[7-9]，用于傳感時(shí)很難區(qū)分溫度和折射率分別引起的光譜變化，所以光纖光柵傳感器存在交叉敏感的問題，為了克服此阻礙，使光纖光柵傳感器從理論走向?qū)嶋H，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)測量將是必須攻克的難題。
2012年，Hu等[10]提出了一種由長周期光纖光柵和光子晶體光纖模態(tài)干涉儀組成的雙參數(shù)測量傳感器，該傳感器在長周期光纖光柵上的折射率靈敏度和溫度靈敏度分別為-30.82 nm/RIU和47.4 pm/℃，而在光子晶體光纖模態(tài)干涉儀上分別為171.96 nm/RIU和10.4 pm/℃；2018年，Zhang等[11]提出了一種基于無芯光纖的級聯(lián)長周期光纖光柵傳感器，該傳感器折射率靈敏度最高達(dá)到-580.269 dB/RIU，溫度靈敏度為27.2 pm/℃。本文設(shè)計(jì)了一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)奈⒘鱾鞲衅?，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，利用CO2激光器在邊孔光纖上刻寫兩段不同周期的LPFG，以達(dá)到折射率和溫度同時(shí)測量的目的。本文設(shè)計(jì)的傳感器折射率靈敏度的優(yōu)勢在于光纖天然的內(nèi)通道能集成到微流芯片中，體積小，質(zhì)量小，能對折射率和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
1 雙參數(shù)測量原理
LPFG周期長度為幾十微米到幾百微米，沿著光纖軸向折射率發(fā)生周期變化。當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光纖的基模與同向傳輸?shù)陌鼘幽０l(fā)生耦合，由于在包層與空氣界面處發(fā)生散射損耗，這些模式沿光纖軸向傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，在輸出光的光譜圖上形成共振峰。LPFG的相位匹配條件為
λi=(ncore-nclad(i))Λ
(1)
式中：λi為i階包層模與纖芯基模耦合的共振波長；ncore，nclad(i)分別為纖芯基模和i階包層模的有效折射率；Λ為周期長度。
由于λi對nclad(i)具有高度的依賴性，使得LPFG對包層附近的任何物理、化學(xué)或生物擾動(dòng)引起的nclad(i)變化非常敏感，所以基于邊孔光纖的LPFG折射率靈敏度較高。
LPFG的共振波長與折射率和溫度都具有良好的線性關(guān)系，因此用2個(gè)LPFG的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測量，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)在光譜上會(huì)表現(xiàn)為W型雙共振峰。
圖1 雙光柵級聯(lián)示意圖
LPFG不同共振峰的共振波長的折射率或溫度靈敏度不同，當(dāng)折射率和溫度同時(shí)作用在級聯(lián)LPFG時(shí)，不同共振峰的共振波長變化ΔλA和ΔλB可表示為
(2)
式中：KnA，KnB分別為折射率單獨(dú)作用在光柵A、B時(shí)共振波長λA和λB的折射率靈敏度；KTA，KTB分別為溫度單獨(dú)作用于光柵A、B時(shí)共振波長λA和λB的溫度靈敏度;Δn為折射率變化;ΔT為溫度變化。
由矩陣論可知，只要系數(shù)矩陣滿足KnAKTB≠KnBKTA，則式(2)有解。當(dāng)折射率和溫度同時(shí)作用于級聯(lián)LPFG，只要測出級聯(lián)LPFG的共振峰A、B對應(yīng)的共振波長的變化ΔλA和ΔλB，即可由式(2)解出Δn和ΔT，從而用級聯(lián)LPFG實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測量。
2 傳感器設(shè)計(jì)與制作
圖2為邊孔光纖橫截面示意圖。該光纖是由兩個(gè)對稱的空氣孔、橢圓形纖芯和包層組成，其直徑為?125 μm，纖芯為橢圓形，長軸長為10.4 μm，短軸長為5.7 μm，兩個(gè)空氣孔的直徑為?43 μm，空氣孔到纖芯的距離即內(nèi)包層厚度為10.3 μm，外包層厚度為9.2 μm。利用CO2激光器在邊孔正上方刻寫兩段LPFG。
圖2 邊孔光纖截面圖
采用CO2激光寫入方法制作LPFG。圖3為在邊孔光纖上寫入兩個(gè)LPFG的實(shí)驗(yàn)裝置和方法的示意圖。邊孔光纖兩端分別連接超連續(xù)譜光源(Superk Compact，NKT Photonics，光譜范圍600～1 700 nm)和光譜儀(OSA，AQ6317B，ANDO)。利用兩個(gè)可調(diào)夾具C1、C2來固定邊孔光纖，調(diào)節(jié)邊孔光纖的角度，確保邊孔在CO2激光器(CO2-H10，Han’s Laser)的正下方，并寫入光柵A。然后調(diào)節(jié)位移臺，與光柵A相距2 cm的地方寫入光柵B。光柵A周期為480 μm，長度為24 mm，光柵B周期為500 μm，長度為25 mm。
圖3 雙光柵傳感器制作示意圖
圖4為雙LPFG光譜。在制作完第一段LPFG時(shí)，用光譜儀記錄透射光譜(黑線)，光柵A共振波長為1 268.7 nm，消光比達(dá)到16 dB。制作完第二段LPFG時(shí)，再次記錄其透射譜(紅線)，光柵B共振波長為1 385.8 nm，消光比達(dá)到18 dB。
圖4 光柵A和雙LPFG(光柵A和光柵B)光譜
3 溫度補(bǔ)償
圖5為樣品溶液折射率測量裝置。LPFG制作完成后，先對兩段LPFG間的光纖微通道進(jìn)行熔融塌縮操作，以防止溶液串流。用毛細(xì)管套在光柵A區(qū)域，在毛細(xì)管中插入毛細(xì)管光纖(外徑?125 μm，內(nèi)徑?20 μm)，然后在毛細(xì)管兩端用紫外固化膠封死，這一端用作樣品溶液注入口。將單模光纖一端磨成圓臺，研磨角度為30°，研磨深度為40 μm，并與邊孔光纖光柵A端焊接，用作樣品溶液流出口。
圖5 樣品溶液折射率測量裝置
圖6(a)、(b)為光柵A、B折射率響應(yīng)曲線。當(dāng)注液泵注入樣品溶液的折射率為1.335～1.395，步長為0.01時(shí)，隨著樣品溶液折射率的增加，光柵A、B的共振波長向短波方向偏移，光柵A的折射率靈敏度為-88.724 nm/RIU，光柵B的折射率靈敏度為-79.474 nm/RIU。圖6(c)、(d)為光柵A、B溫度響應(yīng)曲線。用恒溫加熱臺對其溫度靈敏度進(jìn)行測量，測量范圍為20～100 ℃，步長為10 ℃，隨著溫度的增加，光柵A、B的共振波長向長波方向偏移，光柵A的溫度靈敏度為52.0 pm/℃，光柵B的溫度靈敏度為55.7 pm/℃。
圖6 光柵A、B折射率及溫度響應(yīng)曲線
將光柵A、B的折射率靈敏度與溫度靈敏度代入式(2)中，得到溫度補(bǔ)償傳感矩陣為
(3)
4 結(jié)束語
本文提出一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器，兩個(gè)LPFG共振峰的折射率靈敏度分別為-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU，溫度靈敏度分別為52.0 pm/℃和55.7 pm/℃。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲芯仃?，能?shí)現(xiàn)液體折射率和溫度的測量。該傳感器靈敏度和一些其他的傳感器相比不具備優(yōu)勢，該缺點(diǎn)可通過對邊孔光纖熔融拉錐解決，通過減小纖芯直徑以增加低階模式與外界環(huán)境接觸的機(jī)會(huì)。因此，通過熔融拉錐后制作的LPFG，其折射率靈敏度可得到提高。
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