基于石英光纖材料的微腔電流傳感應(yīng)用

陳冀景

摘 要：基于光纖傳感的蓬勃發(fā)展，各種光纖傳感器已經(jīng)競(jìng)相應(yīng)運(yùn)而生。以石英光纖材料為基礎(chǔ)的傳感器不勝枚舉：光纖位移傳感器、光線壓力傳感器（快門式、微彎式、動(dòng)光柵式光纖水聲、偏振調(diào)制光線壓力與水聲）、光纖角速度傳感器、光纖加速度傳感器、光纖溫度傳感器、分布式光纖傳感器等。其中作者就從事光纖電流傳感做了描述：包括微腔傳感原理——WGM（whispering gallery mode）的介紹，光學(xué)微腔的介紹以及最后關(guān)于光學(xué)微腔的應(yīng)用——光纖電流傳感器的詳細(xì)敘述。文中就一些新型的傳感結(jié)構(gòu)也做了簡(jiǎn)要的分析，便于對(duì)比現(xiàn)階段作者所從事的課題。

關(guān)鍵詞：WGM；光纖電流傳感器；光學(xué)微腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.125

1 基于WGM的光學(xué)微腔的應(yīng)用

WGM最早是基于聲學(xué)現(xiàn)象的描述，在圣保羅大教堂的環(huán)形走廊上，對(duì)著墻壁輕聲說話會(huì)有回音從背后傳來。基于這種聲學(xué)現(xiàn)象，即聲波在內(nèi)徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的光滑壁上傳播時(shí)，能夠以十分微小的衰減不斷發(fā)生反射，從而能夠傳播很遠(yuǎn)的距離。基于WGM光學(xué)微腔，即以石英材料為基本組成，通過不同工藝以實(shí)現(xiàn)不同的微腔形式從而實(shí)現(xiàn)不同的傳感特性。

1.1 高靈敏度光學(xué)微腔傳感器

WGM光學(xué)微腔的高Q值、高集成度特點(diǎn)可構(gòu)建小型、高靈敏度、低探測(cè)限的生物化學(xué)傳感器[1]。

1.2 非對(duì)稱垂直耦合的光子分子微盤激光器

在垂直方向?qū)-P模式進(jìn)行有效地抑制，同時(shí)增加了回音壁模式自發(fā)輻射耦合效率，降低了激光閾值。三個(gè)相同的垂直耦合半導(dǎo)體激光器由于垂直方向的耦合周期增多，導(dǎo)致F-P模式更有效的被抑制，從而增大了自發(fā)輻射耦合因子。不同模式的強(qiáng)耦合導(dǎo)致的模式劈裂，比量子與腔模的耦合強(qiáng)度高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。

1.3 電流電壓傳感器

光學(xué)傳感器解決了原始的繼電保護(hù)裝置磁飽和、勵(lì)磁等情況。由于高壓側(cè)信息是通過有絕緣材料做成的玻璃光纖傳輸?shù)降碗娢坏模虼似浣^緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且由于高低壓之間只存在光纖聯(lián)系，消除了電磁干擾對(duì)互感器性能的影響[3]。

2 光學(xué)微腔與電流傳感

不同的光學(xué)微腔其結(jié)構(gòu)與特性不同。在此，僅對(duì)有關(guān)電流傳感微腔應(yīng)用作說明。

2.1 微腔電流傳感的發(fā)展

電流傳感是微腔作為傳感器的一個(gè)最直接的應(yīng)用。國(guó)外光電電流互感器的研究始于20世紀(jì)60年代末至70年代初。到80年代和90年代初，OCT已經(jīng)開始了產(chǎn)品化研究，目前許多大公司已經(jīng)形成了成套產(chǎn)品。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，到1999年底，大約有2000多臺(tái)OCT掛網(wǎng)試運(yùn)行。但是，傳統(tǒng)電磁式電流傳感器的缺陷以如前所述。基于上述原因，微腔電流傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其尺寸小、無(wú)標(biāo)記探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)在電流電壓的測(cè)量上體現(xiàn)了它前所未有的優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2 基于石英光纖材料的電流傳感器件——光學(xué)微腔的制備工藝[4]

（1）以PDMS基體液作為外層傳感介質(zhì)，將PDMS與固化劑按60：1的體積比混合。

（2）取一段石英光纖，用米勒鉗剝?nèi)テ浔砻娴耐扛矊哟蠹s2cm長(zhǎng)度。

（3）加熱光纖的一端然后拉伸使其形成一個(gè)在末端具有幾何尖端的纖莖，其尖端直徑25-50μm。

（4）將尖端浸入第一步配好的PDMS溶液大約2-4mm然后拉出。

（5）由于表面的張力和重力PDMS混合物會(huì)在光纖的尖端形成一個(gè)球，其直徑取決于浸入的深度以及拉出的速度。范圍為100μm-1000μm。

（6）將制備好的纖莖-球結(jié)構(gòu)放到90℃爐中4小時(shí)使得PDMS通過交聯(lián)反應(yīng)固化。

2.3 電流傳感結(jié)構(gòu)的搭建

作者采用了一種比較經(jīng)典的電流傳感結(jié)構(gòu)[4]。用兩片黃銅板（2mm*2mm*1mm），間隔由實(shí)驗(yàn)時(shí)自行確定。確定的方法是根據(jù)平行板電容模型結(jié)合已有的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電壓范圍計(jì)算所需場(chǎng)強(qiáng)。同時(shí)與一塊黃銅板上打孔，將上述工藝制備的微腔結(jié)構(gòu)固定于孔中。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來作為驅(qū)動(dòng)電路。在經(jīng)典的電流傳感實(shí)驗(yàn)中采用了近MV的極化電場(chǎng)對(duì)微腔進(jìn)行極化以增加其靈敏度。出于安全因素，本文不予采用。總體結(jié)構(gòu)如圖1示。

3 結(jié)論

繼第五代光纖系統(tǒng)的問世，光纖材料的發(fā)展勢(shì)必要迎合長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模的要求。隨著新一代光源的問世，如摻鉺光纖激光器[5]，多量子阱結(jié)構(gòu)激光器等，基本的石英光纖材料中更要具有不同的摻雜成分來滿足與光源耦合的需要。

在其他傳感方面，光柵傳感也應(yīng)運(yùn)而生[6]；除此，非線性光學(xué)傳感[7]逐漸進(jìn)入了研究的視野為光纖的結(jié)構(gòu)與發(fā)展另辟蹊徑；而WGM微腔傳感也成為了石英光纖材料發(fā)展歷程中的一個(gè)里程碑。基于微腔傳感的應(yīng)用前述甚詳，而研究的腳步卻從未停止：在生物傳感、電流傳感的進(jìn)程中，微腔的種種制備技術(shù)顯示了WGM蓬勃的潛力；在電流傳感中，以PDMS作為組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模型已經(jīng)成為了電流傳感的一大特色；黃銅板電極/微球結(jié)構(gòu)[4]成為了各個(gè)傳感團(tuán)隊(duì)競(jìng)相改良與探索的主題。在此，作者對(duì)自己的老師與合作搭檔們深表謝意。

參考文獻(xiàn)：

[1]高嚴(yán).薄壁柱對(duì)稱微腔耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[2]ArmaniAM，KulkarniRP，F(xiàn)raserSE，etal.Label-free，single-moleculedetectionwithopticalmicrocavities[J].science，2007，317

（5839）：783-787.

[3]高陽(yáng)，張海燕，張旭鵬.光電傳感器在繼電保護(hù)中的應(yīng)用研究[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院院報(bào)，2006.

[4]Tindaro Ioppolo，Volkan ?tügen，Ulas Ayaz.Developmen tof Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical ElectricField Sensors[J].VisExp，2013.

[5]張晨芳.多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器和稀土摻雜光纖的研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[6] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[7]胡君輝.基于瑞利和布里淵散射效應(yīng)的光纖傳感系統(tǒng)的研究[D]. 南京大學(xué)，2013.