帶有溫度補償的微流傳感器研究

李勇志，金東洋,黃文雪,胡久齡，景殿濤

(沈陽遼海裝備有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

多孔光纖是一種沿其軸向上含有空氣孔的光纖，包括微結構光纖(MSF)[1]和光子晶體光纖(PCF)[2]，其中微結構光纖又包括中空偏心光纖(HEF)[3]和邊孔光纖(SHF)[4]。多孔光纖多應用于化學傳感和實時測量。基于多孔光纖的緊湊型傳感器也被稱為微流控光纖傳感器，其具有易與通信系統結合的優點，也可被集成為芯片實驗室[5]。由于微流控技術具備響應時間快，控制精確，方便攜帶和自動化程度高等優勢，得到了人們的廣泛關注。

長周期光纖光柵(LPFG)[6]的周期長度為幾十微米到幾百微米，其工作原理是把光纖纖芯的基模和同方向傳輸的包層模式進行耦合，將處在共振波長的光耦合到包層里，在輸出光的光譜圖上產生缺陷。但單個光纖光柵傳感器不僅受一個物理量的影響，對溫度、折射率、應力、彎曲和壓力等參數均較敏感[7-9]，用于傳感時很難區分溫度和折射率分別引起的光譜變化，所以光纖光柵傳感器存在交叉敏感的問題，為了克服此阻礙，使光纖光柵傳感器從理論走向實際，實現多參數的同時測量將是必須攻克的難題。

2012年，Hu等[10]提出了一種由長周期光纖光柵和光子晶體光纖模態干涉儀組成的雙參數測量傳感器，該傳感器在長周期光纖光柵上的折射率靈敏度和溫度靈敏度分別為-30.82 nm/RIU和47.4 pm/℃，而在光子晶體光纖模態干涉儀上分別為171.96 nm/RIU和10.4 pm/℃；2018年，Zhang等[11]提出了一種基于無芯光纖的級聯長周期光纖光柵傳感器，該傳感器折射率靈敏度最高達到-580.269 dB/RIU，溫度靈敏度為27.2 pm/℃。本文設計了一種帶有溫度補償的微流傳感器，是一種波長調制型光纖傳感器，利用CO2激光器在邊孔光纖上刻寫兩段不同周期的LPFG，以達到折射率和溫度同時測量的目的。本文設計的傳感器折射率靈敏度的優勢在于光纖天然的內通道能集成到微流芯片中，體積小，質量小，能對折射率和溫度進行實時監測。

1 雙參數測量原理

LPFG周期長度為幾十微米到幾百微米，沿著光纖軸向折射率發生周期變化。當滿足相位匹配條件時，光纖的基模與同向傳輸的包層模發生耦合，由于在包層與空氣界面處發生散射損耗，這些模式沿光纖軸向傳輸時會發生衰減，在輸出光的光譜圖上形成共振峰。LPFG的相位匹配條件為

λi=(ncore-nclad(i))Λ

(1)

式中：λi為i階包層模與纖芯基模耦合的共振波長；ncore，nclad(i)分別為纖芯基模和i階包層模的有效折射率；Λ為周期長度。

由于λi對nclad(i)具有高度的依賴性，使得LPFG對包層附近的任何物理、化學或生物擾動引起的nclad(i)變化非常敏感，所以基于邊孔光纖的LPFG折射率靈敏度較高。

LPFG的共振波長與折射率和溫度都具有良好的線性關系，因此用2個LPFG的結合可實現折射率和溫度的同時測量，如圖1所示。該結構在光譜上會表現為W型雙共振峰。

圖1 雙光柵級聯示意圖

LPFG不同共振峰的共振波長的折射率或溫度靈敏度不同，當折射率和溫度同時作用在級聯LPFG時，不同共振峰的共振波長變化ΔλA和ΔλB可表示為

(2)

式中：KnA，KnB分別為折射率單獨作用在光柵A、B時共振波長λA和λB的折射率靈敏度；KTA，KTB分別為溫度單獨作用于光柵A、B時共振波長λA和λB的溫度靈敏度;Δn為折射率變化;ΔT為溫度變化。

由矩陣論可知，只要系數矩陣滿足KnAKTB≠KnBKTA，則式(2)有解。當折射率和溫度同時作用于級聯LPFG，只要測出級聯LPFG的共振峰A、B對應的共振波長的變化ΔλA和ΔλB，即可由式(2)解出Δn和ΔT，從而用級聯LPFG實現折射率和溫度的同時測量。

2 傳感器設計與制作

圖2為邊孔光纖橫截面示意圖。該光纖是由兩個對稱的空氣孔、橢圓形纖芯和包層組成，其直徑為?125 μm，纖芯為橢圓形，長軸長為10.4 μm，短軸長為5.7 μm，兩個空氣孔的直徑為?43 μm，空氣孔到纖芯的距離即內包層厚度為10.3 μm，外包層厚度為9.2 μm。利用CO2激光器在邊孔正上方刻寫兩段LPFG。

圖2 邊孔光纖截面圖

采用CO2激光寫入方法制作LPFG。圖3為在邊孔光纖上寫入兩個LPFG的實驗裝置和方法的示意圖。邊孔光纖兩端分別連接超連續譜光源(Superk Compact，NKT Photonics，光譜范圍600～1 700 nm)和光譜儀(OSA，AQ6317B，ANDO)。利用兩個可調夾具C1、C2來固定邊孔光纖，調節邊孔光纖的角度，確保邊孔在CO2激光器(CO2-H10，Han’s Laser)的正下方，并寫入光柵A。然后調節位移臺，與光柵A相距2 cm的地方寫入光柵B。光柵A周期為480 μm，長度為24 mm，光柵B周期為500 μm，長度為25 mm。

圖3 雙光柵傳感器制作示意圖

圖4為雙LPFG光譜。在制作完第一段LPFG時，用光譜儀記錄透射光譜(黑線)，光柵A共振波長為1 268.7 nm，消光比達到16 dB。制作完第二段LPFG時，再次記錄其透射譜(紅線)，光柵B共振波長為1 385.8 nm，消光比達到18 dB。

圖4 光柵A和雙LPFG(光柵A和光柵B)光譜

3 溫度補償

圖5為樣品溶液折射率測量裝置。LPFG制作完成后，先對兩段LPFG間的光纖微通道進行熔融塌縮操作，以防止溶液串流。用毛細管套在光柵A區域，在毛細管中插入毛細管光纖(外徑?125 μm，內徑?20 μm)，然后在毛細管兩端用紫外固化膠封死，這一端用作樣品溶液注入口。將單模光纖一端磨成圓臺，研磨角度為30°，研磨深度為40 μm，并與邊孔光纖光柵A端焊接，用作樣品溶液流出口。

圖5 樣品溶液折射率測量裝置

圖6(a)、(b)為光柵A、B折射率響應曲線。當注液泵注入樣品溶液的折射率為1.335～1.395，步長為0.01時，隨著樣品溶液折射率的增加，光柵A、B的共振波長向短波方向偏移，光柵A的折射率靈敏度為-88.724 nm/RIU，光柵B的折射率靈敏度為-79.474 nm/RIU。圖6(c)、(d)為光柵A、B溫度響應曲線。用恒溫加熱臺對其溫度靈敏度進行測量，測量范圍為20～100 ℃，步長為10 ℃，隨著溫度的增加，光柵A、B的共振波長向長波方向偏移，光柵A的溫度靈敏度為52.0 pm/℃，光柵B的溫度靈敏度為55.7 pm/℃。

圖6 光柵A、B折射率及溫度響應曲線

將光柵A、B的折射率靈敏度與溫度靈敏度代入式(2)中，得到溫度補償傳感矩陣為

(3)

4 結束語

本文提出一種帶有溫度補償的光纖光柵傳感器，兩個LPFG共振峰的折射率靈敏度分別為-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU，溫度靈敏度分別為52.0 pm/℃和55.7 pm/℃。通過實驗結果推導出溫度補償的傳感矩陣，能實現液體折射率和溫度的測量。該傳感器靈敏度和一些其他的傳感器相比不具備優勢，該缺點可通過對邊孔光纖熔融拉錐解決，通過減小纖芯直徑以增加低階模式與外界環境接觸的機會。因此，通過熔融拉錐后制作的LPFG，其折射率靈敏度可得到提高。