基于磁流體包覆微納光纖布拉格光柵的磁場傳感特性研究*

聶力遠，吳 越，邵明臣，楊宇亮，羅海梅，王昌晶，祝遠鋒

(江西師范大學江西省光電子與通信重點實驗室，江西 南昌 330022)

光纖磁場傳感器因其具有安全性好、靈敏度高、響應快、體積小以及抗電磁干擾能力強等諸多優點而受到研究人員的廣泛關注[1-2]。磁流體是一種具有多種磁光效應的納米材料，比如其折射率可由磁場調節，其透射率以及雙折射隨磁場而變化，此外，還包括法拉第效應等[3-4]，這些效應在近年來都被應用于磁場測量的研究中[5-9]。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)作為一種基本光纖元件，在光通信和多波長光纖激光器中得到了廣泛的應用[10-12]。傳統的FBG在標準單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)中制作，其光能量被限制在光纖纖芯中且折射率調制深度在整個FBG的長度內是均勻的，這就使得其反射波長不易受到環境折射率的影響從而無法應用于高靈敏度的光纖傳感領域。2019年梁星等人提出了一種在5.0 mT~20.0 mT磁場范圍內靈敏度為34.9 pm/mT的磁流體包覆薄包層FBG的磁場傳感器[13]，但是這種傳感器的磁場測量范圍較小。微納光纖布拉格光柵(microfiber Bragg grating，MF-BG)是一種直徑在微米或納米量級的光波導器件，相比于普通的FBG，MF-BG具有倏逝場傳播易受環境折射率變化影響的特點[14]，從而可將外界折射率變化轉化為反射波長的漂移，因此被應用于液體乃至氣體的折射率傳感[15]。目前，MF-BG應用于不同環境折射率傳感的理論和技術已成為國內外光纖傳感研究領域的熱點[16]。本文在對MF-BG折射率傳感特性進行系統理論研究的基礎上，實驗制備了不同直徑的MF-BG，實現了基于磁流體包覆的MF-BG高靈敏度磁場環境實時在線測量，為MF-BG折射率傳感器的設計、優化以及應用提供了參考。

1 理論分析

根據布拉格光柵理論，布拉格波長λB可表示為[17]:

式中:neff和Λ分別表示MF-BG的有效折射率和周期。當Λ不變，λB將隨neff線性變化。單模光纖中基模的有效折射率可表示為[18]:

經過高斯場近似和有限元分析可將上式簡化得到U和V有如下關系[19-20]:

將式(4)代入到式(2)中，neff進一步可表示為:

實際上，式中的nco和k0為常數，所以neff成為r和ncl的函數。在我們這個模型中，r其實就是近似為MF-BG的半徑，而ncl為MF-BG外包層也就是磁流體包層的有效折射率。結合式(1)，我們可以知道λB隨著MF-BG的半徑和環境折射率改變而改變[21]，MF-BG的中心波長λB隨環境折射率(surrounding refractive index，SRI)變化的響應靈敏度可用下式表示:

為了概括不同尺寸MF-BG對于環境折射率的響應靈敏度，計算了工作波長為1 550 nm時，直徑為3μm~25μm的MF-BG其neff在環境折射率由1.30增加至1.45過程中的數值變化情況，結果如圖1所示。MF-BG的相關參數設置如下:微納光纖的折射率為1.450 5，布拉格光柵的周期Λ＝0.535 1μm，光柵區長度L＝5 mm，光柵為均勻光柵。從圖1我們可以看出，當折射率在1.30附近時，MF-BG中的導?；颈幌拗圃谖⒓{光纖中，因而受到外界環境折射率的影響非常小，隨著環境折射率的增大，光纖導模逐漸擺脫光纖區域的限制同時和外界介質的相互作用增強，從而使得MF-BG的折射率對環境折射率的響應靈敏度非線性增加。另外，隨著光纖直徑減小，導模模場與環境介質的相互作用逐漸增強，所以MF-BG的響應靈敏度也隨之增大。

圖1 不同直徑MF-BG有效折射率隨環境介質折射率的變化

根據式(6)，布拉格波長λB對環境折射率的變化和neff呈現同一變化規律。圖2描述了不同直徑MF-BG的有效折射率對SRI變化的響應靈敏度，圖中曲線證明當SRI趨近于微納光纖的有效折射率時，其響應靈敏度迅速增大。

圖2 不同直徑MF-BG的n eff對于SRI的響應靈敏度

2 傳感器制備和實驗測量

2.1 MF-BG的制備

利用氫氧焰加熱的方法制備了不同尺寸的基于標準單模光纖的微納光纖。首先，將標準單模光纖的涂覆層去掉后將其兩端分別固定在一對夾具上，這對夾具可由步進電機進行控制；然后，將單模光纖中剝去涂覆層的那一段放置在氫氧焰中進行加熱至熔融狀態；接著，啟動電機控制夾具以大約0.16 mm/s的速度對單模光纖進行緩慢拉伸。通過控制火焰高度以及拉伸的時長，我們獲得了直徑在10μm范圍內的不同粗細的微納光纖。

利用紫外光穿過周期為535 nm的光柵掩模板對制備好的微納光纖進行照射。圖3所示為MF-BG的實驗制備和在線測量示意圖。波長為248 nm能量為15 mJ的KrF被用作照射的紫外光光源，在紫外光照射過程中微納光纖緊貼著光掩模版。紫外光照射時長大約10 min，掃描速度為1 mm/min。被照射的微納光纖一端通過一個1×2光纖耦合器連接到一個波長范圍為1 200 nm~1 700 nm的寬譜光源(Broadband Light Source，BBS)，光源經過MF-BG的反射光被耦合到光譜儀(optical spectrum analyzer，OSA)，從而可以測量MF-BG的反射光譜；被照射的微納光纖的另一端連接了一個光衰減器，用來防止光纖產生的端面反射。

圖3 MF-BG刻寫與在線測量實驗裝置示意圖

圖4(a)~(c)為掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)拍攝的直徑分別為3.94μm、6.47μm和9.24μm的MF-BG，從圖中可以看出三根MF-BG的布拉格光柵區域都顯示出均勻的直徑分布和光滑的光纖表層。圖4(d)為不同直徑MG-BG的反射譜，根據理論分析，隨著微納光纖直徑變小，光柵的布拉格波長將向短波長漂移。同時，我們發現隨著光纖直徑減小，光柵的反射峰強度也隨之減小，這種現象可以解釋為光纖拉伸區域和未拉伸區域的數值孔徑不相匹配而造成的。另外，光纖直徑變小還會導致光柵的反射光譜變得不規則，出現許多側峰，所以盡管MF-BG直徑越小對外界環境的折射率變化越敏感，我們還是選擇直徑為9.24μm的MF-BG進行后面的電磁場測量實驗。

圖4 MF-BG的SEM照片及反射譜曲線

2.2 磁流體包覆MF-BG磁場傳感器

本文基于磁流體的MF-BG磁場傳感器是利用磁流體的折射率會隨著外加磁場的變化而發生改變的光學特性，來實現對其包覆的MF-BG的前向傳輸纖芯模式與后向傳輸纖芯模式之間的耦合特性進行調諧，從而制作成布拉格波長隨外界磁場改變而漂移的磁場傳感器。該傳感器的結構示意圖如圖5所示，MF-BG的光柵區域用毛細管套住，采用針管注入的方法將磁流體注入到毛細管將MF-BG光柵部分全部包覆。磁流體包覆的MF-BG的一端依舊經過一個耦合器連接至BBS，其反射光譜通過OSA來進行觀察。外加磁場由一個電磁鐵提供，磁場強度H的方向垂直于MF-BG，磁場強度的變化范圍為0 mT到160 mT，由一個平行于MF-BG放置的高斯計來標定。

圖5 磁流體包覆MF-BG磁場傳感器結構示意圖

我們用Pu等人[22]提出的光纖端面后向反射法來測量磁流體在不同磁場強度下的折射率。利用一個3 dB的“X”型光纖耦合器將波長為1 550 nm的激光器產生的入射光耦合至平切的探測光纖端面，并將此探測光纖端面浸入到磁流體樣品中，端面的反射光經由耦合器被光功率計采集，該光功率計的讀數取決于磁流體樣品和探測光纖的折射率。當室溫為20℃，工作波長為1 550 nm，我們測得的密度為1.2 g/mL的水基磁流體樣品的折射率隨外加磁場強度的變化如圖6所示。隨著磁場強度由0 mT變化至160 mT，磁流體的折射率由1.447減小至1.425，最大變化量為0.022。

圖6 磁流體折射率與磁場強度的關系圖

2.3 實驗結果與分析

通過OSA觀察到的磁流體包覆MF-BG磁場傳感器隨外加磁場變化的反射譜如圖7所示:當外加磁場強度由0 mT開始逐漸增大至160 mT時，MF-BG的反射峰波長逐漸向短波長方向偏移。當磁場強度為0 mT時，其反射峰波長是1 550.17 nm，當磁場強度增加至40 mT，反射峰向短波長方向偏移到1 548.72 nm，當外加磁場強度達到最大值160 mT時，反射峰相較于無外加磁場時總共漂移了1.94 nm。

圖7 不同磁場強度下磁流體包覆MF-BG的反射譜曲線

為了更加直觀，根據實驗測得的在不同外加磁場作用下的反射峰波長繪制擬合曲線，如圖8所示。

由圖8可以看出，外加磁場在0 mT~40 mT的范圍內，其線性度為81.15%，在40 mT~160 mT的范圍內，其線性度為94.83%。因此，可以利用這種局部范圍內的高線性關系特性進行環境磁場強度傳感檢測，只不過對應的波長靈敏度不同，在0 mT~40 mT和40 mT~160 mT范圍內波長靈敏度分別為36.2 pm/mT和3.6 pm/mT。

圖8 不同磁場強度下磁流體包覆MF-BG的反射譜曲線

3 結論

本文提出并制備了一種基于磁流體包覆的MF-BG的全光纖磁場傳感器，最高靈敏度達到約36.2 pm/mT，可以應用于弱磁場的實時在線測量。實驗采用氫氧焰拉錐技術獲得表面光滑且均勻的微納光纖，并對紫外光刻寫前后、磁流體填充前后的反射譜變化進行分析，成功制備出一種靈敏度高、響應速度快、線性度好的磁場傳感器，在弱磁場調制、化學微檢測以及地質信息監測等方面具有良好的應用前景。