Z型SPS光纤折射率传感器

高 朋, 郑晓琳, 刘 莹, 王子木

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

近年来,折射率的精准测量在食品、大气污染、生物医学等各个领域产生了重要的影响[1-3]。与传统的电子或化学技术的折射率传感器相比,基于光纤传感器的折射率测量由于体积小、容易制作、抗干扰能力强等优点被广泛关注[4]。截至目前,各种光纤折射率传感器已经通过不同的方法实现,包括干涉仪、表面等离子体共振(SPR)、光纤布拉格光栅(FBGs)、共振耦合等。由于光子晶体光纤具有周期性排列的空气孔,可以根据需求改变空气孔结构,大大提高了设计灵活性,因而许多光纤折射率传感器通过使用光子晶体光纤来实现传感技术[5]。由于空间光路的传感器检测系统在实际应用中存在不足,人们提出了许多基于马赫-曾德尔干涉仪的全光纤折射率传感器[6]。

2018年,Tong等[7]提出了将一段PCF拼接在2段具有2个上锥的单模光纤(SMF)之间的MZI传感结构,这2个上锥体分别作为分束器和耦合器。2019年,Gao等[8]提出了以熔融锥形技术形成的SMF-DWPCF-SMF传感结构,2个腰作为MZI的分束器和耦合器。2021年,Wu等[9]提出了一种新型双光子晶体光纤(DPCF)与2个单模光纤结构的MZI,并在2个光子晶体的融合点上增加一个突变锥度,提高传感器的折射率灵敏度,2个光子晶体光纤空气孔的折叠区域作为分束器和合成器。实验分析表明,在1.330～1.383,其灵敏度为152.97 nm/RIU。虽然这些结果证明了基于PCF的MZI测量折射率的可能性,但也存在一些问题,如灵敏度低、重复性低、稳定性差等。

本文将单模光纤和光子晶体光纤分别错位熔接,形成一个新的Z型SPS折射率传感结构。错位熔接提高了光耦合能力和分束效能。在此基础上,设计了一个可控的流体通量控制器,该通量控制结构比起传统的结构操作更加简单且容易清洁。该流体通量控制器底座设有一个进口,上盖设有一个出口。实验时可以用注射器在下面的进口中注入不同浓度的液体来改变被测环境的折射率,测量一组值之后,再向入口中注入去离子水将之前的液体排到上盖的出口处。待清洗干净后,重复操作,并记录对应的光谱图。通过软件作图,可以发现波长漂移与折射率的关系,测试范围在1.339～1.347,折射率灵敏度达到169.639 28 nm/RIU。

本文设计的SPS型光纤折射率传感器由单模光纤和光子晶体光纤分别错位熔接构成,熔接点因高温会产生塌陷,塌陷区域可作为该传感器的耦合器和分束器[10]。由于是错位熔接,单模光纤发出的光更容易进入到光子晶体的包层中,提高了传感效率[11-12]。图1为传感器结构图,宽带光源发出的光由单模光纤的纤芯端进入,光经过第一个错位熔接点时会被分为2个部分,一部分被激发成包层模式在光子晶体光纤的包层中向前传输,另一部分将沿着光子晶体光纤的纤芯向前传播,这样当2束光在第二个错位熔接点处相遇时会发生耦合,形成Mach-Zehnder干涉[13-14]。

图1 传感器结构图Fig.1 Sensor structure diagram

传输过程中纤芯和包层中2束光的干涉方程为

其中:I是输出光的总强度;I1,I2分别为纤芯和包层模中的光强;φ代表相位差;λm是第m级干涉的中心波长;L是干涉长度;Δn代表了PCF包层与纤芯有效折射率的差值。

(3)

从式(3)可知,Δλm会受到L和Δn值的变化影响。在L保持不变时,Δλm与Δn的变化具备线性关系。外界RI发生变化时主要影响包层的折射率,纤芯的折射率基本不会变化。因此,当外界环境折射率变化时对应的干涉谱位移也会发生变化,所以可以通过漂移量来测量外界折射率[15]。

2.1 实验系统

图2为实验用到的折射率传感系统装置,使用的主要设备有ASE-C型宽带光源;光谱解调模块;光纤熔接机;28E型单模光纤;5层空气孔的非线性光子晶体光纤,如图3所示。ASE-C型宽带光源发出的宽谱光经由传感结构后传入光谱解调仪内,当向液体通量控制器中通入不同浓度的液体时,传感结构周围的折射率随之变化。因此,当环境折射率改变时对应的干涉光谱会发生变化,可以利用这个特点来测量外界的折射率。

图2 折射率传感系统装置图Fig.2 Diagram of refractive index sensor system

图3 PCF横截面图Fig.3 Cross-section of PCF

2.2 传感器探头的制作

实验所用折射率传感头是由PCF与2根SMF分别错位熔接制成。

第1步 取一段长度合适的SMF,先用剥纤钳将SMF的涂覆层剥掉,剥好的SMF用酒精棉片擦拭干净,再将它平直放入光纤切割刀中切一个平整的端面以便熔接。将端面平整的SMF放入熔接机一端固定好后等待熔接。

第2步 取一段长度合适的PCF,将光子晶体光纤的涂覆层剥开后用酒精棉片擦拭干净,再将它平直放入光纤切割刀中切割一个平整的端面,然后放入熔接机另一端夹持器上盖好盖子。通过手动调节左右马达使SMF和PCF之间有一定的横向偏移。在熔接过程中,控制放电电流为110 mA,预放电时间为50 ms,放电时间为2 000 ms。熔接好后,将PCF的另一端放入夹持器上,重复第1步在夹持器另一端放上SMF,调制好同样的参数后进行错位熔接。最终的熔接点在电子显微镜下的图像如图4所示,从图4中可以看出右侧错位为36.38 μm,左侧错位为41.57 μm,PCF的长度为4.32 cm。

图4 左右错位熔接图Fig.4 Left and right dislocation weld diagram

第3步 将熔接好的Z型SPS传感结构连接光源和光谱仪后放入新型的NaCl溶液流量控制设备的凹槽内固定好,然后用注射器注入不同浓度的NaCl溶液,并记录各组干涉图谱的数据。实验时,控制通入液体的速度,尽量让液体缓慢流入,避免流体的应力影响。此外,还应保证液体容量能够完全改变传感器外部的折射率。每次RI测量后,用去离子水彻底冲洗玻片和传感元件,确保进行下一次测量前能够恢复传感元件原始的光谱模式。整个试验是在20±0.1 ℃的环境温度下进行的,以确保外部环境中没有温度引起的干扰,从而不会以任何方式影响RI测量。

2.3 折射率测量装置

本文设计的新型NaCl溶液流量控制设备如图5所示。该结构由底座和上盖组成,底座上面有凹槽,不同浓度的盐水可以通过底座进入到凹槽中,每次实验后,向凹槽中通入去离子水让盐水从上盖管子中流出。实验时,注意通入液体的速度,避免速度太快对传感结构造成形变。此外,通入液体时,控制好液体的容量能将传感结构完全浸入,从而更好地改变传感结构外部环境的折射率。该溶液流量控制结构比起传统的结构操作更加简便,且容易清洗。

图5 可搭载光纤微流控制装置实物图Fig.5 Physical picture of fiber microflow control device

在温度为20 ℃的条件下配置了浓度分别为3%,4%,5%,6%,7%,8%的NaCl溶液,利用阿贝折射计测量这些溶液的折射率,得出数据见表1。实验应保证每做完一次实验后都对流量控制装置和传感探头进行清洁,干燥处理后再进行下一组实验。

表1 NaCl溶液浓度与折射率的关系Table 1 Relationship between NaCl solution concentration and refractive index

在20 ℃下,经过阿贝折射仪的测量,3%,4%,5%,6%,7%,8%浓度的待测盐水所对应的折射率分别为1.339 1, 1.341 0, 1.342 5, 1.343 9, 1.345 8, 1.346 9。将NaCl溶液通入流量控制装置的凹槽内,并记录下对应的光谱图,如图6所示。

图6 不同浓度的干涉光谱图Fig.6 Interference spectra of different concentrations

为了方便观察,将波长1 550 nm左右的光谱放大,如图7所示。由光谱解调仪采集到的数据,可以找到谐振谷波长与NaCl溶液浓度的关系。在中心波长1 550 nm左右找到了3%,4%,5%,6%,7%,8%浓度的NaCl对应的谐振谷波长分别为1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根据这些对应关系得到了谐振谷波长与溶液浓度之间的关系,可以看出随着浓度的增加对应的波谷有明显的红移。

图7 波长1 550 nm处放大的光谱图Fig.7 Magnified spectra at wavelength 1 550 nm

通过之前测量的溶液浓度和折射率的关系,同样可以找到谐振谷波长与外界折射率之间的关系。在中心波长1 550 nm左右找到了折射率为1.339 1,1.341 0,1.342 5,1.343 9,1.345 8,1.346 9对应的谐振谷波长分别为1 549.058,1 549.259,1 549.460,1 545.829,1 550.030,1 550.400 nm。根据这些对应关系,利用软件进行拟合可以得到谐振谷波长与外界折射率的关系,如图8所示。线性拟合度达到0.986。当折射率在1.339～1.347变化时,折射率灵敏度为169.6392 8 nm/RIU。

图8 谐振谷波长和折射率之间的关系Fig.8 Relation between the wavelength of resonant valley and refractive index

为了提高光纤折射率传感器的灵敏度和可操作性,本文设计了一种Z型SPS光纤折射率传感结构,将单模光纤与光子晶体光纤分别错位熔接,左侧和右侧错位分别为41.57和36.38 μm,提高了光耦合和分束效果。实验中使用新型NaCl溶液通量控制装置来改变周围环境的折射率,用光谱解调仪观察光谱随外界折射率的变化并进一步拟合。实验结果表明,当折射率在1.339～1.347变化时,折射率灵敏度为169.639 28 nm/RIU。