采用液体腔的全光纤Fabry-Perot结构温度传感特性研究

房一涛,何 巍,张 雯,祝连庆

(北京信息科技大学，光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192)

1 引 言

光纤传感器具有体积小,抗腐蚀,抗电磁干扰,灵敏度高,成本低,响应快等优点,在化学、生物、物理、医疗、航空等领域有很大的应用价值[1-6],能够对位移、温度、折射率、应变等参数进行高灵敏度与高稳定度的测量与监测[7-12],其中F-P传感器因结构简单灵活,传感结构稳定的优点已经成为在光纤传感领域的研究热点之一。

国内外在F-P传感器的制备上已经开展了长期的研究,采用化学腐蚀、毛细套管拼接、飞秒激光直接刻写[13-14]等方法能够实现F-P传感器的制备。2016年,Chen Shimeng[15]等人采用两端镀有金膜的毛细管,两端熔接多模光纤制备了F-P腔传感器；2017年,陈鹏[16]等人使用飞秒激光在多模光纤端面刻写出深度为60 μm的凹槽,通过与单模光纤熔接制备了F-P传感器,并对其应变传感特性进行了测试,应变灵敏度为4.66 pm/με；2018年,刘畅[17]等人使用光刻的方法在玻璃晶圆片表面腐蚀微腔,将反射膜镀在腔体底部,并使用硅薄片封住腔体,在腔底处熔接多模光纤的方法制备了F-P压力传感器,测量结果与标定过的压力值进行比较,得到了0.38 % F.S.的全程误差；2018年,高晓丹[18]等人,提出了一种在多模光纤端面使用物理气相沉积技术镀膜的F-P传感器,温度灵敏度为8.37 pm/℃,线性度达到99.7 %；2018年,Zou Hui[19]等人采用两根单模光纤与石英毛细管的结构制备了F-P腔传感器,并在后反射端面上镀金膜来增加器件灵敏度,并在30 ℃至55 ℃的范围内得到了0.249 nm/℃的温度灵敏度；2018年,Shi Fuquan[20]等人设计制备了一种在毛细管中填充磁流体,再此之上放置实心光纤并在另一端放置单模光纤制备了F-P腔长为128 μm的磁场传感器,灵敏度为281 pm/mT,线性度为96.8 %。

综上所述,经过化学腐蚀和端面镀膜处理后会增加熔接损耗并且结构脆弱,且端面镀膜工艺在操作上较为复杂且成本较高。通常制备的F-P传感器普遍具有较大的腔长尺寸,使得传感器灵敏度与稳定性较低。针对上述问题,提出了一种基于液体腔的全光纤F-P结构,通过将两端切平的单模光纤从玻璃毛细管两端插入构成F-P结构,并在毛细管中通过注入纯净水提高传感器灵敏度,使用相同方法制备了毛细管中为空气的空气腔结构F-P传感器。通过对两种传感器分别进行升温测试,对液体腔及空气腔结构F-P传感器的灵敏度进行了分析。最终实现了高灵敏度液体腔结构F-P传感器的制备。

2 Fabry-Perot传感器工作原理

设计的F-P传感器结构如图1所示。玻璃套管中的两段单模光纤左右端面构成了F-P结构的两个反射端 。当在纤芯中传输的入射光传输到第一个端面时,一部分光被反射,另外一部分光继续传播,该部分光传输到第二个端面时,再次发生反射进入F-P腔。在传输过程中产生了光程差,与第一个端面反射的光束发生干涉。

图1 F-P传感器结构图Fig.1 F-P structural image

根据多光束干涉原理可知,F-P腔反射输出强度为:

(1)

式(1)中,φ为光学相位:

(2)

其中,n0是腔内材料的折射率;R是两端光纤端面的反射率;θ是入射光与反射端面的夹角;λ为入射光波长;I0为入射光光强;L是F-P腔的腔长,附加相位π是光由于半波损耗引起的相位差。当两端面的反射率R很低时,可近似得到:

IR=2R(1-cosφ)I0

(3)

由于一束反射光在F-P腔内产生了额外的相位,导致两束反射光产生了相位差,在纤芯中发生耦合后产生不同的干涉强度,形成干涉光谱,干涉强度I为:

(4)

式中,I1和I2表示两端光纤端面的反射光强;L是F-P腔长,n为所选用光纤的纤芯有效折射率;φ0两束反射光初始的相位差;λF-P为光纤F-P的干涉光谱中波谷所对应的波长。当温度T改变时,会因所用光纤的热膨胀系数αf和热光系数ζf,腔内介质的热膨胀系数αn以及玻璃套管的热膨胀系数αG的影响,导致F-P腔长发生变化,使光程差发生改变。

Δ(nL)=nL(αG-αf+ζf+αn)ΔT

(5)

光程差导致的光纤F-P腔干涉谱波谷变化为:

(6)

式中,n为F-P内介质的折射率；αG为毛细管热膨胀系数；αf为所用光纤的热膨胀系数；ζf为所用光纤的热光系数；αn为腔内填充物的热膨胀系数。因此,通过在F-P腔中填充介质改变腔内热膨胀系数,温度变化时导致F-P腔长尺寸发生改变,干涉谱发生漂移,能够实现温度传感测量目的。

3 Fabry-Perot传感器制备与测试系统

首先,将康宁公司单模光纤(SMF-28),使用光纤剥线钳去除涂覆层,之后使用切割刀将包层和纤芯切平,将内径为0.3 mm的玻璃毛细管长度切割至10 mm。将切割好的单模光纤从毛细管一端放入,将光纤端面放置到毛细管中心处,控制502胶的用量使其尽量填充并粘合光纤与毛细管空隙并不覆盖光纤端面,待其固化完成后,将毛细管另一端放入水中,利用毛细管的虹吸效应将水吸入其中,并把另一段相同制备方法的光纤放入毛细管,并将该段光纤尾端切平,人工控制两个光纤端面之间的距离,使用502胶将光纤与毛细管粘合固定,待其固化完成。在此之后作为对照又用相同方法制备了F-P腔内介质为空气的传感器。在制备中将两光纤端面距离控制在为120 μm左右,使其在1520 ～1610 nm波段的干涉谱拥有6个周期,干涉谱对比度明显,便于观察波长漂移,并且相同的端面距离有利于排除温度以外的因素对空气腔结构F-P和液体腔结构F-P温度传感特性的影响。将制备的传感器一端与光纤环行器(LightComm Co.)2端相连,并将环行器的1端连接C+L波段宽带光源,3端连接光谱分析仪(Yokogawa Co.AQ6375),分别观察空气腔F-P结构传感器和液体腔F-P结构传感器的反射光谱。

使用光学显微镜(WDK2010-Z)对制备的空气腔及液体腔结构F-P传感进行观测,影像图如图2所示,其中图2(a)为空气腔结构F-P在20倍物镜下的影像图,图2(b)为液体腔结构F-P在20倍物镜下的显微影像图,使用标尺测量包层直径以及两端面间距,根据两者比例计算可以得出空气腔F-P结构两光纤端面之间距离为119 μm,液体腔F-P结构两光纤端面之间距离为123 μm。两者长度差距很小,保证了F-P腔内介质对传感器灵敏度影响的单一性,增加了结果的可信度与对比度。

图2 F-P传感结构影像图Fig.2 F-P structural images

F-P传感器温度特性测试系统如图3所示。将光纤环行器的1、3端分别与宽带光源和光谱分析仪相连,2端与F-P传感器一端相连,将传感器使用光纤夹具固定在加热平台两侧,并调节夹具高度使F-P结构拉直并紧贴加热平台。设置加热平台从30 ℃逐渐升温达到50 ℃,期间每2 ℃对F-P传感器反射光谱进行一次采集。

图3 F-P腔结构温度传感特性测试系统Fig.3 F-P tempercrture characrristic test system

测试在20 ℃恒温恒湿环境中,使用光谱分析仪分辨率为0.05 nm,分别对空气腔以及液体腔结构F-P传感器反射光谱进行了测试。图4(a)为空气腔F-P传感器在室温下的反射光谱,得到其在1520～1610 nm波段反射光谱周期为15.15nm。对比度为11.17 dBm；图4(b)为液体腔F-P传感器在室温下的反射光谱,得到其在1520～1610 nm波段的周期为14.13 nm,对比度为11.83 dBm。

图4 Fabry-Perot传感器反射光谱图Fig.4 Air carity and water cavity F-P reflection spectrum

4 Fabry-Perot传感器温度传感特性

实验中,分别对制备的空气腔及液体腔F-P结构的温度特性进行了测试与验证,温度变化设定为30 ℃ ～50 ℃,温度每上升2 ℃对传感器的反射光谱进行一次采集,并采集特征波谷波长漂移光谱。首先,对空气腔结构F-P进行测试,图5(a)为空气腔结构F-P传感器在30 ℃和50 ℃时的1520 ～1610 nm波段反射光谱漂移图,在此区间内,随着温度升高整个光谱发生红移,并且特征波谷波长漂移量为2.39 nm；图5(b)为空气腔结构F-P传感器特征波谷随温度升高波长漂移细节图,得到特征波谷波长由1540.75 nm漂移到了1543.14 nm,并呈现良好的红移情况；图5(c)为根据特征波谷波长随温度的变化得到的线性拟合曲线,空气腔结构F-P温度灵敏度为121 pm/℃,线性度为0.94；图5(d)为空气腔结构F-P在测试过程中特征波谷功率漂移情况,由图中可以得知30～50 ℃区间内最大功率漂移量为1.17 dBm,功率稳定性较好。

之后,对液体腔结构F-P传感器进行测试,图6(a)为液体腔结构F-P传感器在30 ℃和50 ℃时的1520 ～1610 nm波段完整反射光谱图,随着温度升高整个光谱发生红移,并且特征波谷波长漂移量为5.31 nm；图6(b)为液体腔结构F-P传感器特征波谷随温度升高波长漂移细节图,得到特征波谷波长由1546.06 nm漂移到了1551.37 nm,并呈现良好的红移趋势；图6(c)为根据特征波谷波长随温度的变化得到的线性拟合曲线,液体腔结构F-P温度灵敏度为243 pm/℃,线性度为0.98；图6(d)为空气腔结构F-P传感器在测试过程中特征波谷功率漂移情况,由图中可以得知30～50 ℃区间内最大功率漂移量为4.07 dBm,功率稳定性明显低于空气腔结构F-P传感器。

图5 空气腔结构F-P传感器温度特性Fig.5 Air cavity F-P temperature characteristic

图6 液体腔结构F-P传感器温度特性Fig.6 Water cavity F-P temperature characteristic

通过实验得到,液体腔F-P传感器的温度灵敏度大于空气腔F-P传感器,考虑到气体分子间距远大于水分子之间的间距,故其在升温膨胀时对于腔长的改变作用小于液体,通过分析可以得知腔长的改变量越大,其特征波谷波长变化量越大,验证了液体腔F-P传感器较空气腔F-P传感器有更高的灵敏度。

5 结 论

论文设计并采用玻璃毛细管与两根SMF-28单模光纤,并向毛细管中注入纯净水的方法,制备了空气腔及液体腔结构F-P传感器,并对其温度传感特性进行了测试及分析。在30～50℃范围内,传感器的特征波谷波长随着温度升高均发生红移,其中空气腔F-P传感器反射谱周期为15.15 nm,条纹对比度为11.17 dBm,温度灵敏度为121 pm/℃,线性度为0.94,测试过程中最大功率漂移量为1.17 dBm；液体腔F-P传感器反射谱周期为14.13 nm,条纹对比度为11.83 dBm,温度灵敏度为243 pm/℃,线性度为0.98,测试过程中最大功率漂移量为4.07 dBm。论文设计的传感器具有温度灵敏度高、结构紧凑、对比度高的特点,在温度传感领域具有一定的应用价值。