高曉丹，劉 嵐，姚 敏，魏 純

（武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430212）

0 引 言

將新型功能材料與光纖組合制成各種新型傳感器是當(dāng)前光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢［1］。納米薄膜和光纖的結(jié)合為各種新型傳感器提供了巨大的潛能［2～4］。在薄膜干涉型光纖傳感器中，納米薄膜作為傳感器的敏感元件，可以從待測環(huán)境中獲得相應(yīng)的反饋和響應(yīng)，而光纖作為反饋信號的載體，開拓了光纖傳感器新的應(yīng)用領(lǐng)域?；诒∧じ缮娴墓饫w傳感器具有測量參數(shù)多樣性的優(yōu)勢［5］。通過適當(dāng)?shù)谋∧ぴO(shè)計(jì)，不僅可以檢測基于特征波長漂移原理的溫度或應(yīng)變等物理參數(shù)，還可以檢測化學(xué)和生物參數(shù)。Dai J X等人通過在高低反射率配對的2 個(gè)布拉格光柵的光纖端面沉積WO3-Pd2Pt-Pt復(fù)合薄膜制備氫（H2）傳感探針。在25 ℃室溫下，H2傳感器對氮（N2）氣氛中10 ×10-6的H2有明顯的響應(yīng)［6］。Peng J K等人利用物理氣相沉積技術(shù)沉積ZrO2和SiO2多孔薄膜制作了光纖濕度傳感探頭，所制備的傳感器濕度檢測范圍為0.06%～70%RH［7］。Huang C J 等人在藍(lán)寶石光纖端面沉積介質(zhì)薄膜，提出了一種基于法布里—珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）結(jié)構(gòu)原理的光纖高溫傳感器［8］。當(dāng)環(huán)境溫度從100.9 ℃變化到1111.0 ℃時(shí)，溫度靈敏度達(dá)到1.8 ×10-5／℃。

薄膜干涉型光纖傳感器通過在光纖端面鍍制納米級薄膜，利用薄膜的干涉實(shí)現(xiàn)光纖傳感。傳感探頭尺寸即為光纖自身的尺寸，具有微型化、易彎曲的特點(diǎn)，同時(shí)兼具光纖傳感器耐高溫高壓、抗腐蝕、抗輻射以及易于組網(wǎng)的特點(diǎn)，尤其適用于環(huán)境復(fù)雜、惡劣的測試場合［9，10］。

薄膜干涉型光纖傳感器的核心是敏感元件—薄膜。敏感薄膜的鍍制具有較高的工藝要求，重復(fù)性和可靠性依然是制約其工業(yè)應(yīng)用的棘手問題。理論上，在光纖傳感器中，光經(jīng)光纖垂直入射敏感薄膜（即薄膜的光入射角為0°）；然而，在實(shí)際制作過程中，由于光纖的切割與磨平、光纖的裝夾、鍍膜機(jī)的均勻性等各種原因，傳感器中敏感薄膜的實(shí)際光入射角可能偏離0°；而且光纖非常纖細(xì)，偏差不易被察覺，甚至可能存在較大的光入射角偏差。當(dāng)光傾斜入射時(shí)，薄膜的有效厚度和折射率隨之發(fā)生變化，電矢量垂直于入射面的振動分量（s—分量）和平行于入射面的振動分量（p—分量）會發(fā)生分離，從而產(chǎn)生偏振效應(yīng)［11，12］，限制傳感器的性能，甚至可能導(dǎo)致其無法正常應(yīng)用。

本文以光纖溫度傳感器為例，研究偏振對于薄膜干涉型光纖傳感器溫度特性的影響。這對于鍍膜前光纖的預(yù)處理，光纖夾具的設(shè)計(jì)安裝以及鍍制工藝的制定等具有指導(dǎo)意義。

1 理論模型

納米薄膜干涉型光纖溫度傳感器的原理如圖1 所示。從光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸?shù)矫舾斜∧有纬煞瓷涓缮婀庾V。

圖1 薄膜干涉光纖溫度傳感器原理

當(dāng)光傾斜入射光學(xué)薄膜時(shí)，每層薄膜p 偏振光和s 偏振光的導(dǎo)納均有不同

式中 nj為第j 層膜的初始折射率，θj由斯涅爾定律n0sin θ0＝nfsin θf＝njsin θj得出。這里nf，n0分別為光纖和出射介質(zhì)的折射率；θf，θ0分別為入射角、折射角。膜層材料的熱光系數(shù)αn受溫度T變化量ΔT的影響。

第j層膜的溫度特征矩陣為

式中 δj（T）為第j層膜的相位厚度，dj為第j層膜的物理膜厚，λ為波長，膜層材料的熱膨脹系數(shù)αd與溫度T有關(guān)

m層膜的膜系特征矩陣

多層膜的p偏振反射率Rp和s偏振反射率Rs的溫度特性

其中，多層膜和光纖基底組合的導(dǎo)納Y ＝C／B，而

多層膜的反射率

薄膜干涉型光纖溫度傳感器是通過對反射光譜干涉條紋的波長漂移量進(jìn)行標(biāo)定而獲得相對應(yīng)的溫度［13］。當(dāng)溫度從T0變化到T時(shí)，特征波長λm的相對變化量

當(dāng)光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，s 偏振光和p 偏振光發(fā)生分離，勢必會影響傳感器的溫度傳感特性。

2 溫度敏感薄膜的偏振特性

在光纖傳感器中，光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，會產(chǎn)生偏振效應(yīng)。以文獻(xiàn)［13］所設(shè)計(jì)的溫度敏感薄膜的膜系Fiber｜ZrO2—68 nm／SiO2—1432 nm／ZrO2—68 nm｜AiR為例，光纖為藍(lán)寶石光纖，設(shè)計(jì)入射角是0°入射。根據(jù)上述理論模型，采用MATLAB編程，模擬分析該設(shè)計(jì)薄膜的偏振特性。常溫下，光以20°入射角傾斜入射時(shí)，敏感薄膜的偏振特性如圖2所示。

圖2 常溫下敏感薄膜的偏振分離（20°入射角）

當(dāng)光以不同的入射角入射敏感薄膜，由于偏振效應(yīng)的影響，常溫下0°和15°入射時(shí)設(shè)計(jì)薄膜的干涉光譜如圖3所示。當(dāng)光以15°角傾斜入射敏感薄膜時(shí)，相較于0°垂直入射，干涉光譜向短波方向漂移。主要是因?yàn)楣鈨A斜入射敏感薄膜時(shí)，薄膜的有效光學(xué)厚度受到膜層折射角θj的影響變?yōu)閚jdjcos θj。可見，當(dāng)敏感薄膜傾斜入射時(shí)，隨著入射角度的增加，干涉光譜會向短波方向漂移。

圖3 常溫下0°和15°入射角時(shí)干涉光譜

以干涉光譜峰值波長的平均值作為特征波長λm，分別研究25，500，1 000 ℃時(shí)干涉光譜的特征波長相對變化量隨入射角的變化情況如圖4所示。

圖4 不同溫度下，干涉光譜特征波長的相對變化量隨入射角變化情況

考慮到敏感薄膜的偏振效應(yīng)是光纖端面預(yù)處理、夾具安裝及鍍制工藝誤差等因素導(dǎo)致，所以分析時(shí)只考慮了0°～30°的入射角范圍，且以光譜向長波方向漂移為正。由圖4可以看出，敏感薄膜干涉光譜的波長漂移量受光入射角度的影響較大。隨著入射角度的增加，光譜呈現(xiàn)出較明顯的向短波方向漂移的特征。光入射角度越大，波長漂移量越大。在常溫（25 ℃）條件下，0°～30°的入射角范圍內(nèi)，干涉光譜向短波方向漂移的波長相對變化量達(dá)到0.53。對比500 ℃和1000 ℃的波長漂移情況，隨著溫度的升高，波長相對變化量略有減小的趨勢。在1 000 ℃時(shí)，干涉光譜向短波方向漂移的波長相對變化量為0.38。這主要是因?yàn)楣饫w溫度傳感器的感測原理，溫度升高，膜層材料的折射率和厚度發(fā)生變化，干涉光譜向長波方向漂移，通過對反射光譜干涉條紋的波長漂移量進(jìn)行標(biāo)定來確定溫度信息。也就是說，溫度升高所引起的波長漂移方向與偏振效應(yīng)所引起的漂移方向相反，從而抵消了少量偏振效應(yīng)的影響。

3 偏振對傳感特性的影響

在薄膜干涉型光纖傳感器中，當(dāng)光垂直入射敏感薄膜時(shí)，反射光譜干涉條紋的波長漂移量只取決于溫度。而當(dāng)光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，干涉條紋的波長漂移量同時(shí)受偏振效應(yīng)和溫度的影響。

0°垂直入射時(shí)，傳感器的溫度特性如圖5 中黑色細(xì)實(shí)線所示?？梢姡硐肭闆r下，反射光譜的干涉條紋隨溫度的升高向長波方向漂移，當(dāng)溫度變化范圍為0～1 200 ℃時(shí)，其干涉條紋的波長相對變化量為0.035，對比圖4 中光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，反射光譜的干涉條紋向短波方向漂移，波長漂移的相對變化量達(dá)到0.5 左右。可見，相較于溫度而言，干涉條紋的波長漂移特性對偏振效應(yīng)更加敏感。

圖5 光入射角對傳感器溫度特性的影響

考慮到實(shí)際測試應(yīng)用情況。在光傾斜入射的偏振條件下，以常溫25℃時(shí)測試光譜的特征波長為參考波長，隨著溫度的升高，分析不同角度入射時(shí)干涉光譜的溫度特性。圖5中對比0°，10°，20°，30°不同入射角下，光纖傳感器在各自偏振效應(yīng)下的溫度特性。定義光纖溫度傳感器的靈敏度為k，由于光入射角度的變化，產(chǎn)生靈敏度誤差ξ

k ＝（Δλ／λ）／ΔT，ξ ＝｜Δk｜／k×100% （10）

隨著入射角度的增加，傳感器的靈敏度逐漸降低。靈敏度及其誤差如表1所示。

表1 不同入射角度下的傳感器靈敏度及靈敏度誤差

4 結(jié) 論

通過對薄膜干涉型光纖溫度傳感器的偏振特性分析。可以發(fā)現(xiàn)，在光纖傳感器中，光傾斜入射敏感薄膜時(shí)，所引起的偏振效應(yīng)會導(dǎo)致薄膜的反射光譜干涉條紋向短波方向漂移，與溫度升高所引起的干涉條紋的漂移方向相反，且干涉條紋的波長漂移特性對偏振更加敏感。因此，對于以光譜干涉條紋的波長漂移特性來進(jìn)行物理感測的薄膜干涉型光纖傳感器，如溫度、濕度、折射率等光纖傳感器，都有必要考慮偏振對傳感器傳感特性的影響。