鍍膜參數(shù)對長周期光纖光柵傳感特性的影響

周容卉

（上海電機學(xué)院，上海 201100）

鍍膜參數(shù)對長周期光纖光柵傳感特性的影響

周容卉

（上海電機學(xué)院，上海 201100）

基于嚴格的鍍膜長周期光纖光柵(LPFG)三包層模型，用Optigrating模擬了鍍膜與不鍍膜時LPFG透射譜，并結(jié)合MATLAB和Origin整理數(shù)據(jù)，給出LPFG透射譜變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在LPFG表面鍍適當厚度金屬薄膜時，將產(chǎn)生表面等離子體共振，使得溫度和折射率傳感靈敏度明顯提高，而對應(yīng)變傳感影響不大。

鍍膜長周期光纖光柵(LPFG)；Optigrating；透射譜；傳感特性

光纖光柵是二十世紀后半葉新出現(xiàn)的光纖器件，經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今已有大量光纖傳感器投入使用，其中使用最多的便是溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、折射率傳感器。相比傳統(tǒng)的光纖傳感器，長周期光纖光柵存在一些優(yōu)點，例如，抗電磁干擾、體積小、高靈敏度、可長距離傳輸、實時監(jiān)測幾個參數(shù)。長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，其諧振波長和幅值對外界環(huán)境的變化十分敏感，具有很好的溫度、應(yīng)變、折射率、彎曲靈敏度，因此，越來越多的人們投入對長周期光纖光柵的傳感研究，已被大量用于折射率傳感器、溫度傳感器、以及感測濕度、應(yīng)變等。近年，關(guān)壽華等通過實驗測量給出LPFG諧振波長隨溫度變化的擬合曲線，Sakata H等則通過實驗測量給出LPFG光強隨溫度變化的關(guān)系，給光纖光柵測溫又提供了便利，張自嘉等通過理論和實驗得出包層模在中等模序時，應(yīng)變靈敏度最高，歐啟標等從理論上分析了鍍膜長周期光纖光柵，發(fā)現(xiàn)膜厚為最優(yōu)厚度時，其折射率傳感靈敏度最高。但總體來說，相對國外鍍膜LPFG的研究熱度，國內(nèi)對鍍金屬薄膜長周期光纖光柵的研究還不多，而且制作廠家也較少。

文章主要以鍍金屬薄膜長周期光纖光柵為研究對象，利用三包層LPFG模型，通過Optigrating軟件模擬研究了LPFG諧振波長和幅值隨溫度、應(yīng)變、折射率的變化規(guī)律，并在光柵表面鍍金屬薄膜重復(fù)測量，以及不同金屬材料和厚度對傳感特性的影響。

1 鍍膜LPFG理論模型及傳感特性

在長周期光纖光柵的包層外鍍一層金屬薄膜的傳感器結(jié)構(gòu)視為三包層LPFG模型。金屬薄膜層和外界環(huán)境介質(zhì)分別視為第二包層和第三包層。圖1中(a)和(b)分別為表面鍍金屬薄膜層的LPFG傳感器結(jié)構(gòu)和折射率分布圖。芯層折射率為n1，半徑為a1；內(nèi)包層折射率為n2，半徑為a2；第二包層折射率為n3，半徑為a3；薄膜厚度h=a3-a2；第三包層環(huán)境折射率為n4。金和銀本身屬于惰性金屬，不易與別的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以較好的保證LPFG傳感器的靈敏度，給LPFG表面鍍金屬薄膜的方法很多，例如離子濺射鍍膜法，鍍膜前剝掉光纖的涂覆層，并清理干凈，將LPFG平行于靶材放置，利用小型濺射儀在LPFG的一邊鍍上金屬薄膜，再將LPFG旋轉(zhuǎn)180度后在另一邊鍍膜，在此過程中必須保持真空度良好、電流穩(wěn)定，可通過納米級光學(xué)顯微鏡查看鍍膜情況。

LPFG的模式耦合是將前向傳輸?shù)睦w芯導(dǎo)模耦合到同向傳輸?shù)膎階包層模，傳輸一段距離后，便會全部衰減，而LPFG的相位匹配條件如式（1）所示

其中，λL為諧振波長，neff，co、nemff,cl分別為纖芯導(dǎo)模和包層模有效折射率，Λ為光柵周期。當外界環(huán)境發(fā)生變化時，諸如溫度、應(yīng)變、環(huán)境折射率等，由于熱膨脹效應(yīng)及彈光效應(yīng)等系列反應(yīng)，將會引起光柵周期、長度以及光纖芯層、包層的折射率的變化，這些變化會改變LPFG模式耦合，從而引起光柵透射譜的變化，而由式（1）可知，最終將表現(xiàn)為諧振波長和損耗峰幅值的變化，這就是長周期光纖光柵的傳感特性，利用此特性可以制作各種功能的傳感器。

2 仿真結(jié)果分析

利用optigrating軟件實現(xiàn)長周期光纖光柵的仿真，optigrating是由OPTIWAVE公司制作的一套強大且具友善使用接口的設(shè)計仿真軟件，主要針對以光柵原理設(shè)計的光學(xué)組件進行設(shè)計。基礎(chǔ)傳輸譜的參數(shù)設(shè)置為：纖芯、包層、環(huán)境層半徑分別為a=4.2μm、b=58.35μm、無窮大；折射率分別為n1=1.44921、n2=1.44403、n4=1; 光 柵 長 度 L=50000μm， 周 期Λ=460μm，折射率調(diào)變量IM=0.0001，中心波長為1550nm。實驗中選用損耗峰光強最大的進行測量，不考慮材料色散。

（1）長周期光纖光柵的溫度特性。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由熱膨脹效應(yīng)引起一系列參數(shù)變化，即其中 a 為熱膨脹系數(shù)為溫度靈敏度因子。這表示，只要測出LPFG損耗峰變化數(shù)值便可測算出當時環(huán)境溫度。

圖2 未鍍膜時光強—溫度數(shù)據(jù)擬合圖

圖3 波長—溫度數(shù)據(jù)擬合圖

由圖2可見，LPFG未鍍膜時，光強隨著溫度的升高在逐漸增大，且近似成線性關(guān)系，擬合曲線為：y=0.0381*T-6.2477；圖3是LPFG諧振波長與溫度變化關(guān)系，其數(shù)據(jù)線性較光強與溫度關(guān)系更好，擬合曲線為λ=5.52*T+1362，即LPFG溫度靈敏度為5.52nm/℃。

圖4中（a）和（b）是分別鍍1～10μm 金膜和銀膜的光強隨溫度變化關(guān)系，對比（a）和（a）中擬合曲線可知，所鍍金屬薄膜在1～10μm內(nèi)，薄膜厚度越小，溫度靈敏度越高。且鍍1μm金屬薄膜要比不鍍膜時的靈敏度高，這是因為鍍很薄的金屬薄膜后LPFG發(fā)生了表面等離子體共振，提高了其靈敏度，而鍍10μm金屬薄膜比不鍍膜時靈敏度低，因此制作鍍金屬薄膜的長周期光纖光柵傳感器時，需要先控制和優(yōu)化薄膜厚度，從而使傳感器靈敏度更高。

圖5 不同溫度下鍍1um金屬薄膜的透射譜

隨著溫度的升高，空氣中不同溫度下鍍1μm金膜和銀膜的LPFG透射譜的諧振波長向右漂移，且損耗峰幅度也在逐漸減小，如圖5所示。

（2）長周期光纖光柵的應(yīng)變特性。當LPFG受到軸向應(yīng)變時，由彈光效應(yīng)引起一系列參數(shù)變化，即其中Γεm為應(yīng)變靈敏度因子。這表示，可通過LPFG諧振波長測算出施加在光柵上的應(yīng)變大小。

圖6 不鍍膜時波長—應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合圖

圖7 鍍1μm銀膜時波長—應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合圖

圖6和圖7分別是不鍍膜和鍍1μm銀膜時，對LPFG仿真所得的波長隨應(yīng)變變化的數(shù)據(jù)擬合圖，兩圖諧振波長隨著應(yīng)變的增大向短波方向漂移，線性較好，擬合方程都為：y=-0.1045*x+1499.5，即LPFG的應(yīng)變靈敏度為-0.1045nm/με。對比圖6和圖7，可知鍍金屬薄膜對LPFG的應(yīng)變特性影響不大。

（3）長周期光纖光柵的折射率傳感特性。當LPFG所處環(huán)境折射率發(fā)生變化時，將引起包層模場分布和傳輸常數(shù)發(fā)生變化，這將改變包層有效折射率，由式（1）可知，諧振波長將會隨之改變，這表示，可通過LPFG諧振波長測算出環(huán)境折射率。當環(huán)境折射率增大至包層折射率時，LPFG諧振峰逐漸消失，當環(huán)境這折射率大于包層折射率時，這時不存在離散的包層模式，因此模擬過程中只取小于包層折射率的值分析。

分別取10個點對不鍍膜和鍍0.01μm銀膜的LPFG進行仿真實驗，當鍍金屬薄膜厚度適當較小時，與介質(zhì)界面之間將引發(fā)表面等離子體共振(SPR)效應(yīng)，SPR效應(yīng)對金屬薄膜表面附近的折射率變化非常敏感，當LPFG所鍍金屬薄膜表面的環(huán)境折射率發(fā)生改變時，此時LPFG諧振峰的位置也將發(fā)生變化。基于SPR效應(yīng)的LPFG傳感器靈敏度更高、響應(yīng)更快。

圖8中圓點是仿真數(shù)據(jù)點，從圖中可以看出，環(huán)境折射率小于包層模折射率1.44403時，諧振波長隨著折射率的增加向短波方向漂移，且越接近包層折射率時，圖中曲線下降特別陡，變化幅度大，這時LPFG對環(huán)境折射率更加敏感。

對比（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，鍍膜后諧振波長隨環(huán)境折射率變化曲線更加平滑，即靈敏度比不鍍膜時更高。

圖8 諧振波長隨環(huán)境折射率變化曲線

圖9是LPFG在環(huán)境折射率分別為1.1、1.2、1.3、1.4時仿真所得的光譜，折射率從1.1到1.2時，諧振波長漂移0.6nm；從1.2到1.3時；諧振波長漂移1.2nm；從1.3到1.4時，諧振波長漂移3nm，隨著環(huán)境折射率的均勻增大，諧振波長漂移的幅度在逐漸增大，即環(huán)境折射率越接近包層模折射率時，LPFG的折射率敏感度更高。

圖9 環(huán)境折射率改變時的透射譜

3 結(jié)語

文章介紹了鍍金屬薄膜LPFG理論模型及傳感特性，通過仿真實驗分析了長周期光纖光柵的透射譜，并詳細研究鍍膜與不鍍膜時的溫度、應(yīng)變、折射率傳感特性。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，諧振波長向長波方向漂移；隨著應(yīng)變的增大，諧振波長向短波方向漂移；隨著環(huán)境折射率的增大，諧振波長向短波方向漂移；當在LPFG表面鍍適當厚度金屬薄膜時，將會產(chǎn)生表面等離子體共振，使得溫度和折射率傳感靈敏度明顯提高，對應(yīng)變傳感影響不大。

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周容卉（1989-），女，安徽人，助教，主要研究方向：電力電子技術(shù)。