基于并联法布里-珀罗干涉仪...标效应的增敏光纤湿度传感器_马行超.pdf

D O I:1 0.1 6 1 3 6/j.j o e l.2 0 2 3.0 2.0 2 9 4基于并联法布里-珀罗干涉仪游标效应的增敏光纤湿度传感器马行超,张熙梓,郭 允,吴玉纯,王东宁,徐 贲*(中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州3 1 0 0 1 8)摘要:为了提高光纤湿度传感器 的 灵 敏 度,提 出 了 一 种 基 于 并 联 光 纤 法 布 里-珀 罗 干 涉 仪(F a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r s,F P I s)游标效应的增敏型湿度传感 器,并 进 行 了 实 验 验 证。该 传 感 器 由 两 个基于内径4m石英毛细管的光纤F P I通过22耦 合 器 并 联 组 成,其 中 一 个F P I作 为 传 感F P I,其末端镀有湿敏特性的 琼 脂 糖 薄 膜,另 一 个 作 为 参 考F P I。论 文 分 析 了 器 件 的 湿 度 传 感 工 作 原理,实验结果论证了 该 理 论 分 析 的 正 确 性。实 验 显 示,并 联F P I游 标 效 应 器 件 在4 0%RH6 0%RH范围内其灵敏度高达0.8 4 3 9n m/%RH,较之单一F P I的灵敏度提高了9倍,是并联F P I反射谱直接波谷追踪波长解调 灵 敏 度 的4 4倍。增 加F P I末 端 湿 敏 膜 厚 度,其 灵 敏 度 进 一 步 提 高 至1.1 2n m/%RH。该传感器制备简单、尺寸小、灵敏度高,在湿度测试方面具有潜在的应用价值。关键词:光纤传感;法布里-珀罗干涉仪(F P I);游标效应;湿度中图分类号:T N 2 5 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-0 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 1 1 3-0 7S e n s i t i v i t y-e n h a n c e d f i b e r h u m i d i t y s e n s o r b a s e d o np a r a l l e l F a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r sw i t hV e r n i e r e f f e c tMAX i n g c h a o,Z H A N GX i z i,G U OY u n,WUY u c h u n,W A N G D o n g n i n g,X UB e n*(C o l l e g eo fO p t i c a l a n dE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y,C h i n a J i l i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u,Z h e j i a n g3 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:T oa t t a i nh i g hh u m i d i t y s e n s i t i v i t y,a s e n s i t i v i t y-e n h a n c e d s e n s o r b a s e d o np a r a l l e l f i b e rF a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r s(F P I s)w i t h t h eV e r n i e r e f f e c t i sp r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d.I t i sm a d eu p o f t w o o p t i c a l f i b e rF P I s,e a c ho fw h i c h i s b a s e d o n a s h o r t c a p i l l a r y s e c t i o nw i t h a n i n n e r d i a m-e t e ro f 4m.A2 2c o u p l e r c o n n e c t s t h e t w oF P I s i np a r a l l e l.T h e s e n s i n g e l e m e n t i s o n eF P I c o v e r e dw i t hh u m i d i t y-s e n s i t i v e a g a r o s e f i l ma t i t s e n d f a c e,w h e r e a s t h e r e f e r e n c e e l e m e n t i s t h e o t h e r.T h e t h e-o r e t i c a l s t u d yo f t h e s e n s o r so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h ee x p e r i m e n t a l f i n d i n g sa r e i ng o o da g r e e m e n t.W i t h i n t h e r a n g eo f4 0%R H6 0%R H,h i g hs e n s i t i v i t yo f0.8 4 3 9n m/%R Hi sa c h i e v e d.I t i s4 4t i m e sm o r e s e n s i t i v et h a nt h ed i r e c t t r a c i n go fas p e c i f i cr e s o n a n c ed i pi nt h es u p e r i m p o s e dr e f l e c t i o ns p e c t r u ma n d i s 9t i m e sm o r e s e n s i t i v e t h a n a s i n g l eF P I.T h e t h i c k n e s s o f t h eh u m i d i t y-s e n s i t i v e f i l mi st h e n i n c r e a s e d,s i g n i f i c a n t l y i m p r o v i n g t h eh u m i d i t y s e n s i t i v i t yu p t o 1.1 2n m/%R H.T h e e a s y f a b r i c a-t i o n,c o m p a c t s i z e,a n dh i g hs e n s i t i v i t yo f t h ep r o p o s e ds e n s o r i n d i c a t e t h a t i th a sap r o m i s i n g f u t u r e i nh u m i d i t yd e t e c t i o n.K e yw o r d s:o p t i c a l f i b e r s e n s i n g;F a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r(F P I);V e r n i e r e f f e c t;h u m i d i t y0 引 言 光纤湿度传感器具有抗腐蚀,抗电磁干扰,适用于恶劣环境,同时体积小、质量轻,更适 合狭小空间工作等优点,得到广泛 的关注。其传 感结构包 括 光 纤 光 栅1,2、马 赫-曾 德 干 涉 仪(M a c h-Z e-光 电 子 激 光第3 4卷 第2期 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o fO p t o e l e c t r o n i c sL a s e r V o l.3 4N o.2 F e b r u a r y2 0 2 3*E-m a i l:x u b e n c j l u.e d u.c n收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 3 修订日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:浙江省自然科学基金(L Y 1 9 F 0 5 0 0 1 0)和微光机电系统技术教育部重点实验室(天津大学)开放基金(M OM S T2 0 1 6-1)资助项目h n d e r i n t e r f e r o m e t e r,MZ I)3,4、法 布 里-珀 罗 干 涉仪(F a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r,F P I)5,6和 萨 格 纳克(S a g n a c)干涉仪7等。其中基于光纤F P I的湿度传感器因分辨率高、结构紧凑等诸多优 点尤其受到大众的青睐。在测量湿度的过程中,将F P I与湿敏 材料相结合,通过湿敏薄膜吸收空气中的水分,其体积或折射率发生改变,从而使干涉腔长改变,追踪谐振波谷的漂移而实现光纤传感器的湿敏测量8。如CHE N等9将单模光纤与空芯 光纤熔接,在空芯光纤的末端涂敷壳聚糖薄 膜,形成空气 腔F P I结构,该 器 件 的 灵 敏 度 约0.1 3n m/%RH(r e l a t i v eh u m i d i t y)。壳 聚 糖 的 浓 度 对 器 件 的 性 能 影 响 明显,浓度过高会使涂敷面厚薄不平,浓度过低会难以维持 壳 聚 糖 的 亲 湿 优 势。Z HAO等1 0直 接 将聚酰亚胺涂敷在光纤的端 面形成F P I结构,聚酰亚胺分子孔吸收液态水,其灵敏度约0.1 6 4n m/%RH。为提 高 湿 度 测 量 灵 敏 度,HUANG等1 1将单模光纤末端涂敷多孔阳极氧化铝,多孔 结构吸收环境中的水分子折射率发生变化,湿度 灵敏度达0.3 1n m/%RH,但 此 结 构 响 应 和 恢 复 时 间 较长。YANG等1 2通过电子蒸发开发了多孔T i O2-S i O2-T i O2的F P I,灵 敏 度 进 一 步 提 高 到0.4 3n m/%RH,但制备多孔传感所需的技术方法结构复杂且昂贵1 3。因此,选择“吸水”性能好且制备简单的湿敏材料是改善湿度传感器的 关键。琼脂糖不易 溶于水,对S i O2的 附 着 力 强,折 射 率随环境湿度改变而呈线性变化,作为湿敏 材料具有良好的应用前景1 4,1 5。近年来对光学游标效应3-7,1 6-2 0的研究为提高传感器的灵敏度创造了空间。利用串联的两个干涉仪干涉 光 谱 自 由 光 谱 范 围(f r e es p e c t r a l r a n g e,F S R)相近的特点从而形成游标效应,如通过级联MZ I3,4、F P I5,6或S a g n a c7等构成串联干涉仪结构,实现了较之单个干涉仪的灵敏度高数 倍或数十倍的气压、折射率或温度等物理量的传感测量。本文采用性能良好的湿敏材料琼脂糖,结合光学游标 效 应 增 敏 技 术,提 出 基 于 并 联 光 纤F P I游标效应的增敏型湿度传感器。实验结果显示该传感器的最大湿度灵敏度高达1.1 2n m/%RH,较之单一F P I其灵敏度提高了一个数量级。1 传感器的结构和工作原理 图1给出了基于游标效应的并联光纤F P I湿度传感器的结构示意图。每个F P I均由单模光纤末端熔接一小段内径4m的毛细管组成。由于毛细管的内径小于单模光纤的模场直径(1 0m),因此在单模光纤与毛细管的熔接处M 1,来自宽带光源的光在此处一部分产生反射回单模光纤,一部分光泄露到毛细管壁内继续向前传输直至毛细管末端端面M 2发生反射再次耦合进单模光纤中,从而构成毛细管壁充当固态腔的F P I。其中一个F P I的毛细管末端端面涂敷湿敏材料琼脂糖薄膜,充当传感器件,另一个F