基于D型光纖探針的高靈敏折射率傳感器*

梁紅勤,劉 彬,劉 娟,張 平,胡金鳳,廖云程,蔡旭輝

(南昌航空大學,無損檢測與光電傳感技術及應用國家地方聯合工程實驗室,南昌 330063)

側面拋磨是光纖微加工的的主要方法之一,因其制作而成的D型光纖直徑較大,便于封裝,具有較高的強度以及獨特的光學特性使其廣泛應用于制作各類全光纖器件[1-4]。

目前對D型光纖的研究主要分為兩個方面,一種是研究D型光纖制造新方法,改進傳統的側邊拋磨工藝,提高D型光纖的光學性能,降低制作成本,改進批量生產工藝。第二種是利用D型光纖制作新型的全光纖器件。D型光纖的制作方法主要包括側邊弧型槽基塊拋磨法、側邊輪式拋磨法和激光加工法[5-7]。側邊輪式拋磨法是最經濟實用,如2005年暨南大學的陳哲等人發明一種光纖側邊拋磨裝置,包括對保偏光纖進行定軸和對普通光纖的側邊拋磨裝置[8],2017年馬來西亞大學Ahmad H設計了單模光纖的拋磨法[9],因此D型光纖的制作方法可根據需求改進,力求搭建出經濟實用性拋磨平臺。D型光纖的應用方面,因光纖倏逝波傳感器具有成本低、體積小、遠距離傳感、在線測量等特點,D型光纖倏逝波傳感器得到了重視和發展。2010年劉宏亮等人研究了倏逝場D型光纖氫氣傳感器,其靈敏度為441 nW/RIU[10]。2015年鄧旺等人研究了D型光纖傳感器的飛秒激光加工方法,其制作的D 型光纖傳感器靈敏度為37 dB/RIU[7]。目前D型光纖倏逝波傳感器最大的缺點是靈敏度和線性度不能同時達到一個很理想的結果。

本文研究了一種高靈敏度的D型光纖探針消逝場傳感器,通過自主搭建簡易的光纖側面拋磨裝置,得到D型光纖。對D形光纖消逝場傳感器的結構進行了改進,設計出了一種表面粗糙的D形光纖探針結構的消逝場傳感器,大大提高了傳感器的靈敏度和線性度。

1 傳感器的基本原理

光在光纖中傳播時,會在纖芯和包層的界面上形成消逝場。光纖的包層為非吸收介質,光在光纖中傳輸時不會引起能量的損失。當把光纖拋磨到接近纖芯,橫截面為D形后,消逝場會與被測物質發生作用而引起能量的吸收,反映在光纖輸出光強的減少,故被測物質溶液折射率的大小可通過檢測光纖輸出光強的大小來反推,這就是消逝場傳感器的作用機理。當光纖表面較粗糙時,由于光纖表面的瑞利散射,引起的損耗就大,傳感器的靈敏度也隨之提高[11]。

本文制作的消逝場型D型光纖傳感器是在光纖上通過側邊拋磨方法去掉一段光纖包層。當光在光纖中傳輸時,會在拋磨區的纖芯周圍產生一個大小隨徑向位置成指數衰減的消逝場,當拋磨表面接觸溶液時,影響到消逝場,通過檢測光強的變化就可檢測溶液折射率的變化。

2 傳感器的制作和結果分析

我們自主搭建輪式側邊拋磨系統制作D型光纖,如圖1(a)和圖1(b)所示,圖1(b)中的三維位移臺僅適用x方向,原理上和圖1(a)相同。磨輪是由粗糙度800目的砂紙包裝而成的。磨輪固定在精確的一維Y軸可調平移臺上,通過手動控制平移臺沿Y方向以充分利用拋磨紙。單模光纖(長飛G652D SPF)的纖芯/包層直徑為9/125 μm。首先將光纖的一端用光纖夾具夾住,再將光纖中間剝去2.5 cm左右,然后用沾酒精的擦鏡紙反復擦拭干凈,將剝去的不放在磨輪上。另一段在用光纖夾具夾住,最后將光纖兩端通過光纖適配器分別連接到光源和光功率計上。調整平移臺的x軸方向,在研磨過程中給光纖施加一定的應力。我們使用了ILX Lightwave公司的光功率計(OMM-6810B/OMH-6727B)和1 550 nm光纖激光器(STL 2000)在線監測SPF的透射功率。圖2為該光功率計穩定性的出廠測試指標,采用ILX Lightwave公司的高穩定性激光光源MPS-8033/01進行測試,功率穩定性優于±0.004 dB。通過顯微鏡觀察D形SPF的過渡區側視圖和橫截面圖,如圖1(c)和1(d)所示。

圖1 (a)、(b)自主搭建的輪式光纖側面拋磨系統; (c)拋磨光纖過渡區的側視圖片;(d)拋磨光纖橫截面

圖2 光功率計的功率穩定性測量

依據光纖的側邊拋磨實驗,發現拋磨初期功率是不變化的,只有拋磨深度接近光纖纖芯時,此時功率才會出現明顯的連續變化,說明有明顯的消逝波溢出。通過顯微鏡測量可知光纖拋磨損耗和拋磨平坦區剩余直徑的對應關系如表1所示。研究發現拋磨產生的最大損耗為25 dB,所以我們以5 dB的損耗大小為一個損耗梯度,制作5組不同能量損耗的D型光纖,其中拋磨區的長度測量約為4.5 mm,兩邊過渡區為2 mm,如圖3(a),將制作好的D型光纖封裝在凹形載玻片上。對制作好的5組D型光纖進行折射率傳感測試,其中不同折射率溶液由不同濃度的食鹽溶液實現。測試前,將待測D 型光纖的兩端通過適配器分別連接到光源和功率計上,如圖3(b)所示。測試過程中,將不同折射率的食鹽溶液依次滴入凹形載玻片里淹沒D 型光纖,分別記錄不同折射率溶液里對應的光功率計穩定時的值,且每次記錄數據后均用溫水把 D 型光纖清洗干凈。

表1 拋磨損耗和拋磨平坦區剩余光纖直徑的關系

圖3

不同折射率溶液與相應傳輸損耗的對應關系如圖4所示。折射率傳感靈敏度公式為[12]:

式中:dP為損耗的變化,dn為折射率的變化。從圖4可知:隨著D型光纖拋磨損耗的增大,傳感器的折射率傳感靈敏度也隨之增大,拋磨損耗為5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、25 dB的D型光纖對應的折射率傳感靈敏度分別約為4.24 dB/RIU、12.31 dB/RIU、29.67 dB/RIU、55.50 dB/RIU、74.96 dB/RIU,對應傳輸損耗與折射率的擬合曲線的的相關系數分別為0.985 80、0.987 58、0.981 14、0.977 27、0.997 88。由此可知拋磨損耗為25 dB的D型光纖折射率傳感靈敏度最高,線性度也最好。實際制作中D型光纖拋磨損耗25 dB沒有20 dB成品率高、但拋磨損耗為20 dB的D型光纖的靈敏度和線性度都有待提高。

為了檢測D型光纖的重復性,我們制作拋磨損耗均為20 dB的3個D型光纖,將其在同樣的條件下進行折射率傳感測試,將測試結果進行對比,3個D型光纖樣品的傳感靈敏度分別為55.50 dB/RIU、52.98 dB/RIU、51.24 dB/RIU,其傳感靈敏度的誤差在4 dB/RIU左右,其靈敏度幾乎相同,如圖5所示。誤差主要原因存在于兩個方面:一方面實驗中存在的偶然誤差,如拋磨損耗的誤差、環境的影響等,另一方面是因為,因為每次拋磨施加拉力和拋磨速度的不同,導致拋磨加工的光纖表面的粗糙度并非完全一致,這樣容易造成光線的散射的不同。因此該D型光纖性能比較穩定,具有很好的可重復性。

圖4 不同拋磨損耗的D型光纖傳感器傳輸 損耗與折射率的關系

同時我們對D型光纖性能的穩定性也進行了檢測。首先將拋磨損耗為15 dB的D型光纖分別在酒精,去離子水、磷酸鹽溶液3種不同溶液中進行穩定性測量,測量時間為30 min,每隔一段時間記錄一下對應的功率計的顯示數值,測量結果如圖6所示,由圖可知D型光纖分別在3種溶液里浸泡30 min,D型光纖傳輸功率值均變化很小,其穩定性優于±0.03 dB。因此D型光纖具有很好的穩定性。

為使制作的傳感器更利于用于折射率傳感測量,我們將拋磨好的D型光纖在距離拋磨區1 cm左右的地方用光纖切割刀將其切割,得到平整的端面,然后通過鍍膜儀,在端面鍍上厚度為160 nm左右的銀膜,得到探針型D型光纖,如圖7(a)所示。圖7(b)為折射率傳感裝置示意圖,實驗過程中,由1 550 nm光纖激光器光源產生的入射光經過光環形器傳輸至D型光纖探針中。到達D型探針的拋磨區時,消逝場會與被測物質發生作用而引起能量的吸收,因為周圍環境折射率的不同,反映為光纖輸出光強的不同。經過端面的銀膜反射后,反射光沿著相反的方向再次通過傳感區域經環形器進入光功率計。

圖6 15 dB拋磨損耗的D型光纖在不同溶液中 的時間穩定性曲線

圖7 折射率傳感實驗裝置圖

以2.5 dB的損耗大小為一個損耗梯度,制作 6組不同能量損耗的探針型D型光纖。將其在同樣的條件下進行折射率傳感測試,將測試結果進行對比,如圖8所示:拋磨損耗為5 dB、7.5 dB、10 dB、12.5 dB、15 dB、17.5 dB的D型光纖探針對應的折射率傳感靈敏度分別約為7.00 dB/RIU、17.40 dB/RIU、21.06dB/RIU、25.43 dB/RIU、64.94 dB/RIU、40.63 dB/RIU,對應傳輸損耗與折射率的擬合曲線的的相關系數分別為0.930 13、0.989 16、0.996 05、0.991 03、0.995 27、0.992 23?？芍獟伳p耗大于5 dB的探針型D型光纖的線性相關系數都在0.99以上,與非探針型D型光纖相比,其線性度得到了很大提升。且拋磨損耗為15 dB的探針型D型光纖的靈敏度比文獻[12-13]的光纖傳感器靈敏度高出2倍。測量折射率精度的表達式為[14]

式中:dPmin為光功率計的最小分辨單位為0.004,計算可得該傳感器的折射率精度為0.000 06。

圖8 不同拋磨損耗的探針型D型光纖傳感器 折射率傳感曲線

3 結論

我們通過自主搭建簡易的光纖側面拋磨裝置,得到D型光纖。通過利用D型光纖表面粗糙度和探針型結構,提高了傳感器的折射率靈敏度和線性度。實驗結果表明實驗所得的探針型D型光纖傳感器穩定性強,線性度好。其中拋磨損耗為15 dB時,其靈敏度最高靈敏度為64.93 dB/RIU,線性相關系數高達99.53%。測量折射率精度可達0.000 06。該傳感器制作簡單、靈敏度高、高線性度、結構緊湊、可單端測量、制作和測量系統簡易以及穩定性好等優點,在生物化學傳感和環境污染監控等領域中具有良好的應用前景。