Z型SPS光纖折射率傳感器

高 朋, 鄭曉琳, 劉 瑩, 王子木

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034)

0 引 言

近年來,折射率的精準測量在食品、大氣污染、生物醫學等各個領域產生了重要的影響[1-3]。與傳統的電子或化學技術的折射率傳感器相比,基于光纖傳感器的折射率測量由于體積小、容易制作、抗干擾能力強等優點被廣泛關注[4]。截至目前,各種光纖折射率傳感器已經通過不同的方法實現,包括干涉儀、表面等離子體共振(SPR)、光纖布拉格光柵(FBGs)、共振耦合等。由于光子晶體光纖具有周期性排列的空氣孔,可以根據需求改變空氣孔結構,大大提高了設計靈活性,因而許多光纖折射率傳感器通過使用光子晶體光纖來實現傳感技術[5]。由于空間光路的傳感器檢測系統在實際應用中存在不足,人們提出了許多基于馬赫-曾德爾干涉儀的全光纖折射率傳感器[6]。

2018年,Tong等[7]提出了將一段PCF拼接在2段具有2個上錐的單模光纖(SMF)之間的MZI傳感結構,這2個上錐體分別作為分束器和耦合器。2019年,Gao等[8]提出了以熔融錐形技術形成的SMF-DWPCF-SMF傳感結構,2個腰作為MZI的分束器和耦合器。2021年,Wu等[9]提出了一種新型雙光子晶體光纖(DPCF)與2個單模光纖結構的MZI,并在2個光子晶體的融合點上增加一個突變錐度,提高傳感器的折射率靈敏度,2個光子晶體光纖空氣孔的折疊區域作為分束器和合成器。實驗分析表明,在1.330～1.383,其靈敏度為152.97 nm/RIU。雖然這些結果證明了基于PCF的MZI測量折射率的可能性,但也存在一些問題,如靈敏度低、重復性低、穩定性差等。

本文將單模光纖和光子晶體光纖分別錯位熔接,形成一個新的Z型SPS折射率傳感結構。錯位熔接提高了光耦合能力和分束效能。在此基礎上,設計了一個可控的流體通量控制器,該通量控制結構比起傳統的結構操作更加簡單且容易清潔。該流體通量控制器底座設有一個進口,上蓋設有一個出口。實驗時可以用注射器在下面的進口中注入不同濃度的液體來改變被測環境的折射率,測量一組值之后,再向入口中注入去離子水將之前的液體排到上蓋的出口處。待清洗干凈后,重復操作,并記錄對應的光譜圖。通過軟件作圖,可以發現波長漂移與折射率的關系,測試范圍在1.339～1.347,折射率靈敏度達到169.639 28 nm/RIU。

1 傳感結構與原理

本文設計的SPS型光纖折射率傳感器由單模光纖和光子晶體光纖分別錯位熔接構成,熔接點因高溫會產生塌陷,塌陷區域可作為該傳感器的耦合器和分束器[10]。由于是錯位熔接,單模光纖發出的光更容易進入到光子晶體的包層中,提高了傳感效率[11-12]。圖1為傳感器結構圖,寬帶光源發出的光由單模光纖的纖芯端進入,光經過第一個錯位熔接點時會被分為2個部分,一部分被激發成包層模式在光子晶體光纖的包層中向前傳輸,另一部分將沿著光子晶體光纖的纖芯向前傳播,這樣當2束光在第二個錯位熔接點處相遇時會發生耦合,形成Mach-Zehnder干涉[13-14]。

圖1 傳感器結構圖Fig.1 Sensor structure diagram

傳輸過程中纖芯和包層中2束光的干涉方程為

其中:I是輸出光的總強度;I1,I2分別為纖芯和包層模中的光強;φ代表相位差;λm是第m級干涉的中心波長;L是干涉長度;Δn代表了PCF包層與纖芯有效折射率的差值。

(3)

從式(3)可知,Δλm會受到L和Δn值的變化影響。在L保持不變時,Δλm與Δn的變化具備線性關系。外界RI發生變化時主要影響包層的折射率,纖芯的折射率基本不會變化。因此,當外界環境折射率變化時對應的干涉譜位移也會發生變化,所以可以通過漂移量來測量外界折射率[15]。

2 實驗系統與裝置

2.1 實驗系統

圖2為實驗用到的折射率傳感系統裝置,使用的主要設備有ASE-C型寬帶光源;光譜解調模塊;光纖熔接機;28E型單模光纖;5層空氣孔的非線性光子晶體光纖,如圖3所示。ASE-C型寬帶光源發出的寬譜光經由傳感結構后傳入光譜解調儀內,當向液體通量控制器中通入不同濃度的液體時,傳感結構周圍的折射率隨之變化。因此,當環境折射率改變時對應的干涉光譜會發生變化,可以利用這個特點來測量外界的折射率。

圖2 折射率傳感系統裝置圖Fig.2 Diagram of refractive index sensor system

圖3 PCF橫截面圖Fig.3 Cross-section of PCF

2.2 傳感器探頭的制作

實驗所用折射率傳感頭是由PCF與2根SMF分別錯位熔接制成。

第1步 取一段長度合適的SMF,先用剝纖鉗將SMF的涂覆層剝掉,剝好的SMF用酒精棉片擦拭干凈,再將它平直放入光纖切割刀中切一個平整的端面以便熔接。將端面平整的SMF放入熔接機一端固定好后等待熔接。

第2步 取一段長度合適的PCF,將光子晶體光纖的涂覆層剝開后用酒精棉片擦拭干凈,再將它平直放入光纖切割刀中切割一個平整的端面,然后放入熔接機另一端夾持器上蓋好蓋子。通過手動調節左右馬達使SMF和PCF之間有一定的橫向偏移。在熔接過程中,控制放電電流為110 mA,預放電時間為50 ms,放電時間為2 000 ms。熔接好后,將PCF的另一端放入夾持器上,重復第1步在夾持器另一端放上SMF,調制好同樣的參數后進行錯位熔接。最終的熔接點在電子顯微鏡下的圖像如圖4所示,從圖4中可以看出右側錯位為36.38 μm,左側錯位為41.57 μm,PCF的長度為4.32 cm。

圖4 左右錯位熔接圖Fig.4 Left and right dislocation weld diagram

第3步 將熔接好的Z型SPS傳感結構連接光源和光譜儀后放入新型的NaCl溶液流量控制設備的凹槽內固定好,然后用注射器注入不同濃度的NaCl溶液,并記錄各組干涉圖譜的數據。實驗時,控制通入液體的速度,盡量讓液體緩慢流入,避免流體的應力影響。此外,還應保證液體容量能夠完全改變傳感器外部的折射率。每次RI測量后,用去離子水徹底沖洗玻片和傳感元件,確保進行下一次測量前能夠恢復傳感元件原始的光譜模式。整個試驗是在20±0.1 ℃的環境溫度下進行的,以確保外部環境中沒有溫度引起的干擾,從而不會以任何方式影響RI測量。

2.3 折射率測量裝置

本文設計的新型NaCl溶液流量控制設備如圖5所示。該結構由底座和上蓋組成,底座上面有凹槽,不同濃度的鹽水可以通過底座進入到凹槽中,每次實驗后,向凹槽中通入去離子水讓鹽水從上蓋管子中流出。實驗時,注意通入液體的速度,避免速度太快對傳感結構造成形變。此外,通入液體時,控制好液體的容量能將傳感結構完全浸入,從而更好地改變傳感結構外部環境的折射率。該溶液流量控制結構比起傳統的結構操作更加簡便,且容易清洗。

圖5 可搭載光纖微流控制裝置實物圖Fig.5 Physical picture of fiber microflow control device

3 實驗結果與分析

在溫度為20 ℃的條件下配置了濃度分別為3%,4%,5%,6%,7%,8%的NaCl溶液,利用阿貝折射計測量這些溶液的折射率,得出數據見表1。實驗應保證每做完一次實驗后都對流量控制裝置和傳感探頭進行清潔,干燥處理后再進行下一組實驗。

表1 NaCl溶液濃度與折射率的關系Table 1 Relationship between NaCl solution concentration and refractive index

在20 ℃下,經過阿貝折射儀的測量,3%,4%,5%,6%,7%,8%濃度的待測鹽水所對應的折射率分別為1.339 1, 1.341 0, 1.342 5, 1.343 9, 1.345 8, 1.346 9。將NaCl溶液通入流量控制裝置的凹槽內,并記錄下對應的光譜圖,如圖6所示。

圖6 不同濃度的干涉光譜圖Fig.6 Interference spectra of different concentrations

為了方便觀察,將波長1 550 nm左右的光譜放大,如圖7所示。由光譜解調儀采集到的數據,可以找到諧振谷波長與NaCl溶液濃度的關系。在中心波長1 550 nm左右找到了3%,4%,5%,6%,7%,8%濃度的NaCl對應的諧振谷波長分別為1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根據這些對應關系得到了諧振谷波長與溶液濃度之間的關系,可以看出隨著濃度的增加對應的波谷有明顯的紅移。

圖7 波長1 550 nm處放大的光譜圖Fig.7 Magnified spectra at wavelength 1 550 nm

通過之前測量的溶液濃度和折射率的關系,同樣可以找到諧振谷波長與外界折射率之間的關系。在中心波長1 550 nm左右找到了折射率為1.339 1,1.341 0,1.342 5,1.343 9,1.345 8,1.346 9對應的諧振谷波長分別為1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根據這些對應關系,利用軟件進行擬合可以得到諧振谷波長與外界折射率的關系,如圖8所示。線性擬合度達到0.986。當折射率在1.339～1.347變化時,折射率靈敏度為169.6392 8 nm/RIU。

圖8 諧振谷波長和折射率之間的關系Fig.8 Relation between the wavelength of resonant valley and refractive index

4 結 論

為了提高光纖折射率傳感器的靈敏度和可操作性,本文設計了一種Z型SPS光纖折射率傳感結構,將單模光纖與光子晶體光纖分別錯位熔接,左側和右側錯位分別為41.57和36.38 μm,提高了光耦合和分束效果。實驗中使用新型NaCl溶液通量控制裝置來改變周圍環境的折射率,用光譜解調儀觀察光譜隨外界折射率的變化并進一步擬合。實驗結果表明,當折射率在1.339～1.347變化時,折射率靈敏度為169.639 28 nm/RIU。