基于S锥结构光纤传感器的研究

来源:用户上传      作者:杨帆　曹晔　李美琪　鞠慧

　　文章编号：10069798（2022）02000106;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.001
　　摘要：对传统基于S锥结构的光纤传感器存在制作工艺复杂、灵敏度低和温度交叉敏感等问题，本文设计并验证了一种同时测量折射率（refractiveindex，RI）和温度的新型光纤传感器。传感结构由细芯光纤（thin-corefiber，TCF）上制作的S锥结构和单模光纤（single-modefiber，SMF）上制作的球形结构组成，并对光谱特性进行理论和实验研究。实验结果表明，在1.3384～1.3527的折射率范围内，折射率灵敏度最大可达到201.19074nm/RIU，折射率灵敏度是现有的基于单模S锥结构光纤传感器的4倍。在30℃～70℃变化范围中，温度灵敏度最大可达到0.0717nm/℃。通过将灵敏度系数代入灵敏度矩阵中，可实现折射率和温度的双参量测量，温度交叉敏感问题得以解决，具有制作成本低、结构简单、实验稳定性好等特点。该研究应用前景广阔。
　　关键词：S锥;细芯光纤;球形结构;折射率;温度
　　中图分类号：TN253;TP212.14文献标识码：A
　　由于光纤传感器具有低传输损耗、尺寸小、制作简单等优点，被广泛应用于物理、化学、生物研究等领域[1]。目前，常见的干涉型光纤传感器结构有SMS结构[2]、偏芯结构[3]、锥形结构[4]和光纤光栅[5]等，可通过使用这些结构制成的传感器来监测温度[67]、湿度[89]、应变[1011]、磁场[1213]和折射率[1415]等参数。近年来，由于形状近似英文字母S而命名的S锥结构，因其成本低、结构紧凑、光纤稳定性好而引起了广泛研究。2015年，LIUHF等人[16]提出了一种光纤湿度传感器，该传感器基于涂有SiO2纳米颗粒的S锥光纤结构，分别根据波长和强度求出湿度灵敏度，但是SiO2纳米颗粒成本较高，且该传感器制作过程较为复杂;2018年，ZHAOJF等人[17]提出了一种S锥级联光纤布拉格光栅传感器，得到了较高的射率灵敏度，但是该传感器的温度交叉敏感问题没有解决;2019年，ZHAOWM等人[18]提出了一种基于多梯度S锥的折射率传感器，灵敏度为51.17nm/RIU，该传感器求得的折射率灵敏度较低;2020年，LIMQ等人[19]制造一种基于嵌入长周期光栅中S锥的光纤传感器，用于测量应变，该传感器同样存在制作过程复杂的问题。为简化制作步骤、提高灵敏度和解决温度交叉敏感问题，本文提出了一种同时测量温度和折射率的光纤传感器，传感结构包括细芯光纤上制作一个S锥和一个球形结构。与传统单模光纤上制作的S锥结构相比，该传感器集合了细芯光纤对光的束缚能力弱、更易激发高阶包层模以及S锥结构本身的优势，其中细芯S锥和球形结构分别充当激发器和耦合器的功能，模式干涉将出现在级联光纤结构的输出端，输出端的干涉光谱会随着温度和折射率的变化发生不同的偏移。基于光谱的偏移可分别求出折射率和温度灵敏度，通过灵敏度矩阵可实现折射率和温度的同时测量。该研究实现了双参量同时测量，解决了温度交叉敏感问题，提高了灵敏度，具有一定的研究价值和应用前景。
　　1光纤传感器制作和实验原理
　　1.1传感器结构
　　光纤传感器示意图如图1所示。光纤传感器的结构由细芯S锥和球形结构组成。在这种结构中，由于细芯光纤对光的束缚能力弱，位于细芯光纤的S锥结构更容易激发包层模，单模光纤上的球型结构将包层模部分耦合回纤芯模，模式干涉将出现在级联光纤结构的输出端。
　　1.2制作方式
　　球形结构的制造方法采用电弧放电，将一段单模光纤的末端去除涂覆层固定在熔接机中心放电部位，将放电强度设置为200，放电模式设置为“电弧”。放电1次即得到球形结构。细芯S锥的制作过程与球形结构相比较为复杂，首先开启熔接机的手动模式，手动调节熔接机中左右马达之间的距离到最小。将一段直径为5μm，包层直径为125μm的细芯光纤去除涂覆层，用无水酒精擦拭干净，放置在熔接机中，并通过手动操作引入x方向的横向偏移，以精确控制x方向上光纤的移动，将放电模式设置为“清洁模式”，放电强度设置为85，对细芯光纤进行放电操作。放电1次后，通过手动控制熔接机的左右马达，使细芯光纤再次处于伸直状态。反复进行上述操作，直至细芯S锥结构可以获得理想的几何参数。最后用光纤切割刀将制作好的两种结构一端进行切割，使切面干净光滑，用熔接机将细芯S锥和球锥拼接在一起。实验中，W1是细芯S锥腰部直径，W1=98.7μm;L1是锥区长度，L1=441.3μm;Δd是错位量，Δd=27.9μm;W2是球形直径，W2=149.7μm;L是级联结构之间的距离，L=1.5cm。显微镜图片如图2所示。
　　1.3传感原理
　　传感器的输出光强为
　　其中，Icore和Iclab分别表示纤芯模式和包层模式的光强;Δφ为纤芯模式和m阶包层模式的相位差，即
　　其中，ncore和nclab分别表示纤芯模式的有效折射率和m阶包层模式的有效折射率;Δneff表示纤芯模式和包层模式之间有效折射率的差;λ为波长;L是干涉臂的长度。
　　当透射波谷满足Δφ=2k+1π方程时（其中k是随机整数），透射波谷波长λD可以表示为
　　当传感器周围环境发生变化时，Δneff和L会发生相应变化，导致包层模和纤芯导模之间的干涉发生变化。当干涉仪周围环境的折射率增加时，包层模式的有效折射率随之变化，由于纤芯不与外界环境接触，所以纤芯模式的有效折射率几乎没有变化。因此，Δneff发生变化，根据式（3），透射光谱的波谷波长λD将会发生偏移。由于热光效应和热膨胀效应，透射光谱特性也可能对环境温度的变化敏感。当环境温度变化时，由于热光效应的影响，ncore和nclab都会增加。纤芯和包层的组成分别为掺锗石英和熔融石英，掺锗石英芯的热光系数远高于熔融石英包层[20]，ncore则会变化得更大。此外，由于光纤的热膨胀效应，光纤长度也会增加。因此L和Δneff都会增加，根据式（3），透射光谱的波谷波长λD将会向长波方向偏移，即红移。因此，可以通过监测干涉仪的波谷波长偏移来测量温度和折射率的变化值。

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