FP腔与MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器_彭敏.pdf

0106003-1研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报FP腔与 MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器彭敏，鲁志琪，刘昌宁*湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002摘要 制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器，并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成，并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感，实验结果表明应变灵敏度为 4.8 pm/。然而，该结构对温度与湿度均不敏感，在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后，温度和湿度的灵敏度明显提升，此时最大温度灵敏度为 20.4 pm/，最大相对湿度灵敏度最大为 14.6 pm/%。对 Dip1、Dip2、Dip3进行分析，再利用三阶矩阵消除交叉敏感，能够同时测量应变、温度和湿度。关键词 光纤光学；光纤传感器；应变；温度；相对湿度；石墨烯量子点；聚乙烯醇中图分类号 O439 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2211931引 言光纤传感器不仅具有重量轻、尺寸小和抗电磁干扰等优点，而且使用的光缆也比电子传感器的电缆有更低的热损耗或更高的数据带宽1-2。根据原理分类，光纤传感器有许多不同种类：光纤布拉格光栅（FBG）应用广泛但光栅刻写较为复杂；基于特种光纤的传感器价格较为昂贵，熔接程序复杂；干涉仪型光纤传感器，包括法布里-珀罗干涉仪（FPI）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和迈克耳孙干涉仪（MI）等，其中MZI 和 FPI 应用较为广泛3-4。MZI 有着耦合效率较高、易于对准和成本低的优点5-6，其中基于锥形结构的 MZI 传感器具有高灵敏度、低损耗、大倏逝场和快速响应等优点。光纤应变传感器在航空航天、纳米技术等领域中有广泛的应用7，如：Dong 等8提出了基于锥形空芯的高灵敏度应变光纤传感器，其应变灵敏度为 2.7 pm/；Dong 等9提出了基于全光纤MZI 的应变传感器，其灵敏度为-2.21 pm/。湿度与温度是环境测量的两个重要参数，而石英光纤对于温度与湿度通常是传而不感，对于敏感材料是感而不传。为了提高传感器的灵敏度，通常会在传感头上涂覆敏感材料，最终达到既能感又能传的效果。湿敏材料如聚乙烯醇（PVA）是高度亲水性材料，其厚度和折射率可通过水蒸气改变，并且易涂覆在光纤上10-12。另外，石墨烯以其优异的性能吸引了大量研究人员的关注，在光纤传感器中的应用变得异常丰富13-20。石墨烯量子点（GQDs）是一种由单层或多层石墨烯组成的新型碳纳米材料，同时具有石墨烯和量子点的特性，其优异的热光性能使其在传感器、生物医学领域的研究中受到了越来越多的关注21，如：Zhao 等22-23利用 GQDs 的光致发光特性制作了基于空芯光纤封装 GQDs 溶液的荧光温度传感器和基于空芯光纤填充的 GQDs-PVA 的相对湿度（RH）传感器；Wang 等24制作了 GQDs 填充 FPI 的光纤湿度传感器。在许多复杂的环境中，仅测量一个参数已经不能满足人们的需求，温度与折射率、温度与压力等双参量的测量越来越多25-29。本文主要利用飞秒激光划线和光纤熔接机放电的方法制作出了MZI 与 FPI 级联构成的光纤传感器件。传统的级联需要通过两段干涉仪或者光纤光栅进行拼接30-32，而本文中的传感器不需要额外的拼接过程，只需在光纤上利用飞秒激光刻线进行放电产生气泡，再拉锥形成器件，结构更加紧凑，整个传感区域长度不到400 m。另外，利用飞秒激光在任意位置划线均可精准地产生气泡，不需要额外加上液体进行熔接再产生 FP 腔。所设计的传感器的应变灵敏度最高可达 4.8 pm/，对温度、湿度均不敏感，在涂覆 GQDs-PVA 之后，温度灵敏度最高可达 20.4 pm/，相对湿度灵敏度最高为 14.6 pm/%，选取三个波谷 Dip1、Dip2、Dip3 进行分析，利用三阶矩阵消除交叉敏感后能够实现三参量同时测量。收稿日期：2022-05-24；修回日期：2022-06-20；录用日期：2022-07-04；网络首发日期：2022-07-14基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划（T2020014，T2021010）、湖北师范大学研究生创新科研基金（20220501）通信作者：*0106003-2研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报2光纤传感器结构制作与原理分析2.1传感器结构的制作本实验所用的光纤熔接机（FSM-100P+）由日本 Fujikura公司生产，单模光纤（SMF）由长飞光纤光缆 股 份 有 限 公 司 生 产，其 芯 径 和 包 层 直 径 分 别 为9 m 和 125 m。如图 1（a）所示，飞秒激光器由相干公司生产，重复频率为 1 kHz，脉冲宽度为 35 fs，实验所使用的激光能量为 1.2 J，用放大倍数为 50、数值孔径为 0.7 的 OLYMPUS 物镜聚焦飞秒激光到 SMF纤芯上，运行程序在轴向方向刻线，控制刻线长度为45 m，如图 1（b）所示。然后，用光纤熔接机对准刻线的中心位置进行放电，熔接机的放电电流和放电时间分别设置为 20 mA 和 1500 ms，瞬间放电使光纤内产生气泡，如图 1（c）所示，其宽度为 82 m、长度为129 m。如图 2（a）所示，将 SMF 拉锥得到 MZI，锥区直径越小，传感器倏逝场越强，此时传感器对周围环境越敏感，但锥部直径过小容易导致测量范围变小，锥部直径太大又会导致灵敏度不够，拉锥到 40 m左右是一个相对合理的直径，既能保持器件对环境敏感，又能保证较大的测量范围，此时 MZI的锥部区域被拉伸至 277 m，MZI与微气泡FP腔级联可构成所需的传感器件。如 图 2（b）所 示，镀 膜 之 后 锥 部 的 束 腰 直 径 为48 m，可知镀膜厚度为 4 m。实验所使用的 GQDs为苏州碳丰石墨烯科技有限公司生产，PVA 的生产厂家是国药集团化学试剂有限公司。取 GQDs约 5 mg，PVA 约 100 mg，混合均匀后加入 100 mL纯净水，再加热到 95，用磁力搅拌机作用 1 h，使之搅拌均匀，从而得到 GQDs-PVA 溶液。用注射器取 1.5 mL 溶液均匀涂覆在光纤锥部，将传感器放入真空干燥箱内，设置干燥箱参数为 80、30 min，GQDs-PVA 溶液中的溶剂蒸发后可以发现有一层薄膜附着在传感器锥部，其主要成分是 PVA 和 GQDs。将薄膜放在扫描电子显微镜（SEM）下观察，可知 PVA膜中 GQDs的尺寸与分布情况，如图 2（c）所示。图 3（a）为涂覆 GQDs-PVA 后传感器的初始光谱，后续实验将对波谷 Dip1、Dip2、Dip3 进行观察与分析。对初始光谱进行快速傅里叶变换后得到传感器的空间频谱，如图 3（b）所示，对干涉起主要作用的两个频率分别为 0.03418 nm-1和 0.06836 nm-1，它们是由 FPI与 MZI分别起作用而形成的不同频率。2.2传感原理简单分析图 4 为传感器光路的示意图，传感器由 MZI 和FPI 级联而成。MZI 是一段锥形光纤，光从锥形光纤一端输入，由于纤芯的直径在变小，故部分高阶模会在包层中传输，部分纤芯模会沿着纤芯传输。FPI 是一个气泡，经过 MZI后的输入光先后从气泡的两个反射面反射回来，再返回到 MZI 中，最终形成干涉的输出光。相位差是由不同模式之间的光程差形成的，MZI形成的相位差1和FPI形成的相位差2的计算公式为图 1FP微腔的制作。（a）飞秒激光加工示意图；（b）飞秒激光刻线的显微镜图；（c）FP微气泡Fig.1Fabrication of FP micro-cavity.(a)Schematic diagram of femtosecond laser processing;(b)microscope diagram of femtosecond laser inscribed line;(c)FP microbubble图 2传感器实物图。（a）镀膜前的传感器；（b）镀膜后的传感器；（c）SEM 测得的 GQDs-PVAFig.2Physical diagram of sensor.(a)Sensor before coating;(b)sensor after coating;(c)GQDs-PVA measured by SEM0106003-3研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报1=2(neffco-neffcl)L1=2neffL1，（1）2=4L2nair，（2）式中：neffcl为包层模的有效折射率；neffco为纤芯的有效折射率；neff为纤芯模与包层模的有效折射率之差；nair为 FPI的腔内折射率；L1为 MZI的锥部长度；L2为 FPI的腔长；为波长。当 m、n取整数时，干涉仪的谐振峰波长分别为m=2L1neff2m+1，（3）n=4L2nair2n+1。（4）当应力=L/L（L为应变平台的移动距离，L为应变平台初始距离）作用于器件时，FPI的腔长 L2和MZI的锥部长度 L1均会发生变化，并且折射率也会产生变化，最终会导致谱线发生偏移，其中 FPI腔内空气折射率的变化可以忽略不计。当应力作用时，干涉光谱中谐振峰的波长灵敏度可以表示为SF=m+n=22m+1effdL1d+L1(dneffcod-dneffcld)+42n+1nairdL2d，（5）式中：m为 MZI 的干涉谱波长的变化量；n为 FPI的干涉谱波长的变化量；为应变的变化量；eff为有效折射率差。peffco和peffcl分别为纤芯和包层的有效弹光系数，且满足peffco=-1neffcodneffcodpeffcl=-1neffcldneffcld。（6）当应力发生变化时，灵敏度可以简化为SF=2L12m+1(eff+peffclneffcl-peffconeffco)+4L22n+1nair。（7）在温度实验中，由于石墨烯的热效应较强，故GQDs会导致光谱产生漂移。当传感器的温度发生变化时，MZI 的折射率和腔长均会产生变化，而 FPI 腔里面是空气，故对于 FPI腔只需要考虑热膨胀而引起的腔长变化。通过观察不同温度的漂移规律，可以测得对应的温度灵敏度，其公式可表示为S=STMZI+STFPI=mT+nT=m dL1L1dT+1neff()deffcodT-deffcldT+ndL2L2dT，（8）式中：STMZI为 MZI 的温度灵敏度；STFPI为 FPI 的温度灵敏度；T为温度变化量；effco为纤芯的有效折射率变化量；effcl为包层的有效折射率变化量；dL1L1dT和dL2L2dT为热膨胀系数，deffcodT和deffcldT为热光系数。热膨胀系数和 热 光 系 数 分 别 为 5.5107 m/（m）和 1.2810-5 RIU/(RIU为折射率单位)33。PVA 的折射率约为 1.52，纯净水的折射率约为图 3传感器初始反射光谱图与空间频谱图。（a）初始反射光谱图；（b）空间频谱图Fig.3Initial reflectance spectrum and spatial spectrum of sensor.(a)Initial reflectance spectrogram;(b)spatial spectrum图 4传感器光路示意图Fig.4Schematic diagram of sensor optical path0106003-4研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报1.33，在 MZI 的锥部涂覆 GQDs-PVA 之后，相对湿度（VRH）发生变化，GQDs-PVA 的折射率也会发生变化，这会导致两束干涉光的有效折射率之差发生变化。FPI 是一个封闭的结构，湿度的变化并不会改变腔内折射率，腔长也不会改变。FPI的灵敏度可表示为SRH=mVRH=mL1eff effdL1+L1dVRH(deffco-deffcl)，