（光学工程专业论文）光纤珐珀折射率传感器新结构研究.pdf

摘要 摘要 折射率是一个与温度、浓度等密切相关的物理参数，在生物、化学、医学、 食品安全等领域中，通常需要精度高、稳定性高、耐腐蚀、响应快的微型化折射 率探针。而光纤折射率传感器正是具备上述优良特性而得到了快速发展，其中光 纤珐珀传感器以其分辨率高、测量范围广等优点成为目前的研究热点之一。 针对目前光纤折射率传感器结构复杂、尺寸大、寿命短、稳定性差等问题， 本文研究微型化的光纤珐珀折射率探针并总结研究成果如下： 1 基于干涉条纹对比度解调的微光纤珐珀折射率传感器。该传感器可以测量任 何大于1 的折射率，较大的传输损耗和腔内损耗对传感器的灵敏度影响很大。 实验表明，在常温下，n d 在1 3 3 3 3 1 4 7 1 2 范围内，传感器的分辨率为一4 1 0 巧， 并具有高线性度，同时，利用化学腐蚀方法制作微珐珀腔损耗较大，相对于 激光制作，虽然对尺寸控制不够灵活，但是成本低，操作简单。 2 基于波长解调的双珐珀腔结构微光纤传感器。将珐珀腔长度减小，基于干涉 条纹对比度解调的传感器的解调方式转化为波长型，计算得出最高灵敏度可 达1 2 7n m r 1 u ，折射率分辨率达到1 0 击；实验表明n d 从1 3 3 3 3 增加到1 4 7 1 9 时，平均灵敏度为4 5 2 6n m r i u ( r i u ，r e f r a c t i v ei n d e xu n i t ) ，分辨率为2 2 1 x1 0 - 5r i u 。该传感器测试性能主要受腔长影响，通过优化可实现任何线性折 射率范围内的高精度测量。 3 带微通道的微光纤珐珀折射率传感器。该结构利用研磨工艺在珐珀腔的一个 反射面加工一个微孔作为液体通道，利用干涉谱波谷波长来解调待测折射率； 测试折射率在1 3 3 3 3 1 3 8 9 9 时，传感器的灵敏度为1 0 6 8n m r i u ，光谱分辨 率为1p m 的解调系统获得了1 4 8 8 l o - 7 的分辨率，并使用该传感器检测了 2 9 6 1 范围内水的折射率随温度变化的情况；该结构解决了传统珐珀干涉型 折射率传感器体积大、稳定性差的问题。微通道直径的影响有待于进一步研 究。 这些传感器都具有结构简单、尺寸小、稳定性好、分辨率高等特点，采用腐 蚀和研磨工艺，制作成本低，但这种工艺制作的微珐珀腔表面比较粗糙；采用高 精度的微腔制作技术可大大提高传感器的性能。 关键字：光纤传感器，微光纤珐珀腔，腐蚀，折射率测量 a b s t r a c t a b s t r a c t r e f r a c t i v ei n d e x ( r i ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rc l o s e l yr e l a t e dt ot e m p e r a t u r e ， c o n c e n t r a t i o ne t c m i c r or ip r o b e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d ss u c ha s b i o c h e m i s t r y , i a t r o l o g y , f o o ds a f e t yr e q u i r e sw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r e c i s i o n ，h i g h s t a b i l i t y , a n t i c o r r o s i o n ，f a s tr e s p o n s e f i b e r - o p t i cr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yb e c a u s eo ft h ea b o v ea d v a n t a g e s a m o n gv a r i o u sf i b e rr is e n s o r s ， f i b e ro p t i c sf a b r y p e r o ts e n s o i sw h i c hh a v eb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c hs p o t sd u et o i t sh j g hp r e c i s i o n w i d em e a s u r e m e n tr a n g e i no r d e rt or e s o l v et h ed i s a d v a n t a g e so fp r e s e n tf i b e rr is e n s o r , s u c ha sc o m p l i c a t e d s t r u c t u r e ，b i gs i z e ，s h o r tl i f e s p a n ，a n dp o o rm e c h a n i c a ls t a b i l i t y , t h i sd i s s e r t a t i o n e x p l o r e sh i f g hp e r f o r m a n c em i c r of i b e ro p t i c sf a b r y p e r o t ( f p ) r ip r o b ew h i c hc a n p r o v i d ep o t e n tt e s tm e a n sf o ra r e al i k eb i o c h e m i s t r y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h r e ek i n d s o fn o v e lm i c r 0f i b e rf pr is e n s o r sa n dt h em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w ： 1 m i c r of i b e ro p t i c sf pr is e n s o rb a s e do nc o n t r a s t i n t e r r o g a t i o n t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e v e a l st h es e n s o rc a nt e s ta n yr ir a n g el a r g e rt h a n1 e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o war e s o l u t i o no f 4x10 5a n dg o o dl i n e a r i t yi so b t a i n e dw h e nr ii si n r a n g eo f1 3 3 3 3 1 4 7 1 2 e t c h e df ph a sab i gt r a n s m i s s i o nl o s s c o m p a r i n gt ol a s e r m a c h i n i n g , e t h i n gi sl o wc o s ta n de a s yt oh a n d l et of a b r i c a t ef p , t h o u g hi ti sd i f f i c u l t t oc o n t r o lt h es i z eo fm i c r om 2 d u a lf p sf i b e rr is e n s o rb a s e do nw a v e l e n g t hi n t e r r o g a t i o n t h ed e m o d u l a t i o n m e t h o di sc o n v e n e di n t o w a v e l e n g t h b a s e df r o mt h ei n t e n s i t y - b a s e dt h r o u g h r e d u c i n g t h el e n g t ho fs e c o n df - p t h e o r e t i c a lr e s o l u t i o no f1 2 7n m r i ui so b t a i n e d a n dc o r r e s p o n d i n gr e s o l u t i o ni s u pt o - 1 0 o e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ep i t w a v e l e n g t ho fr e f l e c t i o ns p e c t r u mh a sa r e d - s h i f to f6 2 7n mw h e n 羁di n c r e a s e sf r o m 1 3 3 3 3t o1 4 7 1 9w h i c hc a l lb er e g a r d e da sl i n e a rr a n g e a v e r a g es e n s i t i v i t yo f4 5 2 6 n m r i ui sa c h i e v e d ，a n dt h es y s t e mp r o v i d e sar e s o l u t i o no f2 2 1x10 - 5r i u t h e p e r f o r m a n c eo fs e n s o ri sd e t e r m i n e db yt h el e n g t ho ff pc a v i t y h i g hp r e c i s i o nc a l l b eo b t a i n e di ng i v e nl i n e a rr ir a n g eb yo p t i m i z i n gt h el e n g t ho ff p s 3 m i c r of i b e ro p t i c sf pi n t e r f e r o m e t f i cr is e n s o rw i t hm i c r o c h a n n e l ai n 1 i n ef p c a v i t yi sa l s oi n c l u d e di nt h i ss t r u c t u r e am i c r oc h a n n e li sf a b r i c a t e do nt h e l l a b s t r a c r r e f l e c t i o nf a c eo ff i b e rb yp o l i s h i n ga n dw o r k sa st h ee n t r yo fg a so rl i q u i d t h e v a r i a t i o no fr ii sd e m o d u l a t e df r o mt h ee x t r e m ew a v e l e n g t hi nr e f l e c t i o ns p e c t r u m s e n s o rp r o v i d e sas e n s i t i v i t yo f1 0 6 8n m r i uw h e nt h et e s t e dr ir a n g ef r o m1 3 3 3 3 t o1 3 8 9 9 ar ir e s o l u ti o no f1 4 8 8 10 叫i sa c h i e v e da n dc o r r e s p o n d i n g w a v e l e n g t hr e s o l u t i o no fo p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e ri s1p m t h es e n s o ri sa p p l i e dt o s t u d yt h ev a r i a t i o no f w a t e rr 1w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m2 9 ( 2 - 6 1 t h i sn o v e ls t r u c t u r er e s o l v e st h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sb i g s i z e p o o rs t a b i l i t yi n t r a d i t i o n a lf pr is e n s o r s m o r ea n a l y s i sc a nb ed o n eo nt h ed i a m e t e ro fm i c r o c h a n n e l a b o v e m e n t i o n e dm i c r of i b e rf pr is e f l s o r sh a v eg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，h i 曲s t a b i l i t y , a n dh i g hr e s o l u t i o n t h e ya f ee a s yt ob em a d eb y e t c h i n ga n dp o l i s h i n g ，b u tt h er e f l e c t i o ns u r f a c eo fm i c r of pi sc o a r s e i m p r o v e m e n tc a n b ea c c o m p l i s h e di fh i 曲p r e c i s i o nt e c h n i q u ei sa d o p t e d k e y w o r d s ：f i b e ro p t i c s ，m i c r of a b r y p e r o t ，e t c h i n g ，r e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：么盛 日期：加丫年岁月习日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拯擅导师签名：型垦鸵 日期：狮7 7 年孓月0 e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一旱珀下匕 在工业技术快速发展的今天，由于工厂对生产中排除的废液、废气、废渣等 污染源没有采取清理措施或者其它有效防范措施，人们的生活环境遭到严重污染， 生态也日益破坏，全人类的生存环境面临巨大的挑战。即使某些国家或地区已经 开始采取行动，但这些问题仍然没有得到解决，相反，大家在不断追求利润愈的 同时情况更加严重。工业“三废”直接排入河流之中，污染水源，随意堆积的废 弃物和垃圾长期积累下来也将影响地下水质量，工厂和汽车排放的废气污染空气， 降低生活环境质量，通常会引起各种呼吸道疾病，对生态造成极大的危害，在食 品安全方面，不论是蔬菜、水果中的残余农药或者各种食品中的不法添加都将损 害人体健康，有的还可能直接造成生命危险，对易燃易爆气体( 如甲烷、煤气等) 的制备、存储和运输都需要实时检测是否存在泄漏等问题以便预警，有易于保护 财产和生命安全，减少损失。近年频繁发生的瓦斯爆炸、食物中毒、煤气中毒和 不法添加食品等事件引起了国家的高度重视，积极研究关键的传感检测技术，己 经成为矿井安全、空气质量监测、药物研究、食品安全检测、化学分析等众多领 域的重要研究课题，目前，国内外各科研院所和企业也投入了大量人力、财力以 致力于解决这些焦点问题。 在解决上述问题中，要做好防范和预警工作，那么信息获取是所以细节中的 第一步，正是这一原因推动了各种类型生物、化学传感器的快速发展。以往的信 息获取技术大多依赖于电传感元件，也就是大多电传感器，把相关物理量转变为 电信号，通过电缆传输到终端进行处理和分析，根据物理量与感应元件之间的关 系，从返回的电信号中获得需要的传感信息。这种电传感器技术的优点在于电子 技术发展比较成熟，有许多性能好的电子元件以供使用，同时经过电子技术经过 长期发展，在工业领域中积累了大量的人才，这也是一个优势，但是利用电信号 来传送传感信号的方式也存在不足：第一，电缆比较容易受到电磁波的干扰，比 如雷电，或者是工作环境中的强磁场，此类应用在电磁环境复杂的场合，测量误 差将会变得很大；同时电缆的温度也是一个问题，容易产生电火花，可能引发燃 烧，同时传感器工作需要供电，这些缺陷使得传感器在一些恶劣环境或者危险多 大场合( 石油管、加油站、煤矿坑道等) 难以派上用场：另外，这种利用电信号 电子科技大学硕：t 学位论文 传输传感信号的方式需要铺设大量的电缆，耗费大量金属材料，同时电缆的损耗 比较大，传输距离有限，同时组网能力差，这些也限制了其应用。电信号作为传 感载体的这些不足促进了光学传感器的发展，其中典型代表就是光纤传感器，光 纤传感器具有抗电磁干扰能力强、耐化学腐蚀、传感头尺寸小、易组网等特点成 为信息获取技术领域的研究热点之一，并已在建筑健康监测、食品安全、石油管 道泄漏监测、空气质量监测、化学成分分析、土木工程健康监测、水电安全、火 灾报警等方面获得了广泛的应用l l 叫。 当今材料技术、微加工技术、光纤通信技术和光波导纤维技术的发展推动了 光纤传感技术的发展，国内外已报道了各种不同结构和基于不同制作工艺的光纤 生化传感器1 7 d o j 。由于光纤生化传感器除了具备一般光纤传感器的有点之外，还具 有无损伤探测、本质安全无毒、尺寸小、操控灵活方便等优点，因此受到国内外 学者的广泛关注。 目前，在生化领域中，利用待测样品的浓度和折射率之间的对应关系，直接 可做成化学传感器，可检测己醇、甘油等溶液浓度；利用纳米敏感薄膜( 如碳纳米 管，s n 0 2 等) 对特定气体( 如c o 、甲烷) 的选择性，可在光纤传感器上镀敏感膜，进 行气体传感实现浓度监测和泄漏报警；光纤传感器还可以组装湿度敏感材料，当 它与水分子作用时改变敏感薄膜折射率，可实现湿度监测；将酶、生物的抗原、 d n a 等组装在光纤传感器上，进行样品的动态分析。生化传感技术己经随着生化 技术、微加工技术、集成电子技术及信息处理技术等学科的进步而得到了迅速的 发展，同时对生化传感器提出了更高的要求，如高灵敏度、快速响应、结构简单、 实时监测、尺寸小、制作成本低、寿命长等，因此研究新型微纳光纤传感器具有 重大的意义。 1 2 光纤传感技术 光纤传感技术是以光波为信号载体，光纤为传输介质或者传感元件的一种新 型传感技术。 光纤传感器由光源、光纤( 也可作为传感元件) 、传感元件、探测组件、调理 组件组成，信号光由光源耦合进光纤，与光纤连接在一起的传感器元件在外部物 理量( 压力、折射率、温度、应变等) 的作用下引起返回光信号( 如光的强度、 波长、相位、偏振态等) 变化，这个作用过程叫做调制，再经过光纤返回调制后 光信号送入光探测器，经信号处理并利用物理参量与光信号量变化的关系进行解 2 第一章绪论 调，获得被测参数。光纤传感器可以在强电磁干扰、高温高压、化学腐蚀等恶劣 条件下使用，这是相对于电传感器的最大优点，可以在矿井、海底、油井中使用， 它是本质安全的传感器，光纤传感器可测量的参数非常多，可以传感各种不同物 理信息( 声、磁、热、力等) ，且具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、损 耗低、适合远距离测量、大规模组网等优点，可以完成现有电传感技术难以完成 的测量任务。 光纤传感技术相对于其他传感技术如电传感器、声学传感等具有有着多方面 的优势，它的检测量几乎分布在国民经济相关的所有重要领域和人们日常生活之 中，能够满足众多传感需求，具有广阔的应用前景。下面就列出几个它的主要应 用领域： ( 1 ) 工业控制，如液体压力、工作环境温度、精密位移等； ( 2 ) 化学、生物和医物学等研究领域，如d n a 动态分析，细胞探测； ( 3 ) 建筑健康检测，如大坝、桥梁健康监测； 传感器技术是一门交叉学科，随着各学科如计算机、通信、光电子、微加工 技术的快速发展，光纤传感技术的发展迎来了一个绝好的机遇，其发展趋势主要 表现在如下几个方面：( 1 ) 多参数测量；( 2 ) 传感用关键器件制作技术的发展；( 3 ) 大 容量传感；( 4 ) 高度自动化；( 5 ) 传感器大规模组网以及传感网络的互联。 1 3 光纤折射率传感器 在生化传感和检测技术中，物质的折射率是一个与物质的光学性能、浓度、 成分以及色散等性质密切相关的重要物理参数，其他的一些参数如热光系数也与 折射率密切相关，因此对物质折射率的测量，尤其是液体和气体折射率的测量， 有着重要的意义。通常测量液体折射率的方法是使用技术成熟的牛顿环、衍射光 栅法和基于全反射原理的阿贝折射仪等现有仪器1 1 1 l ，其测量准确度虽高，但操作 复杂，体积偏大，在耐恶劣条件下远程实时监控和智能化等方面也很难实现。 随着光纤传感技术的快速发展以及生化等领域的迫切需求，光纤传感器在折 射率测量方面得到了高度重视，并取得了大量成果。常见的光纤折射率传感器主 要有光纤光栅型1 1 2 - 1 6 1 、光纤表面等离子体型1 1 0 , 1 7 - 1 9 】和光纤干涉仪l 孙掬。 1 3 1 光纤光栅折射率传感器 光纤光栅是一种很好的光学滤波器，在光纤通信和光纤传感中扮演着重要的 3 电子科技大学硕士学位论文 角色。光纤光栅根据周期长短可分为布拉格光纤光栅( f i b e rb r a gg r a t i n g ，f b g ) 和长周期光纤光栅( l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 。l p f g 本身对外界折射率非常 敏感【1 2 以甜，这是因为它的模式耦合发生在芯层模与同向传输的包层模间，包层模 的倏逝场分布延伸到了包层外的介质中，因此可以直接获得高灵敏度测量，尤其 是当外界折射率接近包层折射率时更加敏感，若采用薄包层结构可提高灵敏度。 而f b g 是后向传播的l 只，模与前向传播的己只，模之问发生耦合，必须通过腐蚀或 侧面抛磨处理等方法使芯层导模通过其倏逝波能够直接感受到外部介质1 1 5 d 6 1 ，再 通过检测b r a g g 波长的移动就可以知道外界折射率的变化。 1 3 2 光纤表面等离子体共振折射率传感器 自表面等离子体共振技术( s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c e ，s p r ) 与光纤结合以来，得 到了广泛的关注，同棱镜s p r 传感器相比，它尺寸小，不需要扫描装置，很容易 实现远距离实时监测。 光纤s p r 折射率传感器【1 7 - 1 9 1 它是把光纤和表面等离子体共振原理结合在一起 而形成的，如图1 1 所示。 a g o r a u 图1 - i 光纤s p r 传感器结构示意图 入射光在光纤和金属薄膜界面方向上的波矢为： k 。；詈刀胁s i n 口 c 。 ( 1 - 1 ) 其中，为入射光角频率，c 为真空中光速，p 为入射光在界面上的入射角。根 据m a x w e l l 方程和金属的复介电性，可以得到表面等离子体波的波矢为： ， k s p2 i i ， ( 1 - 2 ) 其中，e f i b e r 为光纤介电常数，嘲，为金属薄膜介电常数。当= 时， 激发s p r 。在光纤s p r 传感器中，由于纤芯折射率和激发光入射角是一定的，光 4 第一章绪论 纤s p r 响应的分析方法是波长解调、强度解调和相位解调。 采用波长解调的光纤s p r 折射率传感器通常需要特殊波段的宽带光源，由于 这类传感器主要进行的是光谱检测，对光谱分析仪的要求很高。选择高分辨率的 光谱分析仪将进一步提高该类传感器的测量精度和灵敏度，目前光纤s p r 的折射 率分辨率在10 刁级。相位解调型不稳定，强度解调型要求低但是精度不够。制作 光纤s p r 传感器需要纳米镀膜，其过程复杂、设备昂贵，纳米薄膜也容易因为氧 化、腐蚀或者摩擦而损坏，金属介电常数受温度影响，因此传感器需要温度校正。 若需要进行选择性分析，还需要二次镀膜，这就大大降低了传感头的寿命。 1 3 3 光纤珐珀折射率传感器 光纤f a b r y p e r o t ( 珐珀，f - p ) 传感器的结构见图卜2 ：光纤代替了平行平板作为 反射镜也取代了聚焦透镜直接收集传感光信号，通过各种固定和准直技术形成一 个腔长为l 的光纤珐珀腔，将待测液体或者气体填充进珐珀腔内改变光学相位差 形成珐珀干涉仪型折射率传感器【2 0 2 2 1 。 图1 - 2 光纤珐珀传感器原理示意图 反射面的反射率改变和干涉光光程差的变化都可引起干涉谱条纹变化，因此 可通过干涉原理的相位调制和反射率的强度型调制进行折射率测量。当一束光入 射到珐珀传感器被调制后，传感器输出光中包含有干涉光光程差和腔面反射率的 信息，而这些信息都与待测折射率有直接关系，通过对输出光进行处理可以求出 法珀腔腔内相位改变或者反射面反射率变化。 1 4 光纤珐珀传感器国内外研究现状 1 9 8 2 年，t o s h i h i k oy o s h i n o 【删首次利用单模光纤构成的光纤f p 传感器，并对 该类传感器的理论分析、应用前景和研究方向做了较体系的表述。 应用方面，目前光纤珐珀传感器能够测量的参数主要有：温度【3 1 。3 1 ，应力应 5 电子科技大学硕上学位论文 变f 、压力1 3 5 。7 1 和折射率 2 0 - 2 1 , 3 8 】等。应力和应变主要涉及建筑的健康监测，如桥 梁、大坝、高塔等的裂缝、负重和形变，国内重庆大学在这方面开展的应用工作 较多；压力传感主要用油井、海底、体内、气室等场合的压力或者液位测量；在 折射率测量方面，主要是液体的浓度分析； 在光纤珐珀腔结构和制作方面，传统的方法l 孙2 1 】主要是采用在石英导管和准 直架对光纤的反射面进行对准，然后用胶水固定，这种方法制作麻烦，很难大规 模加工，重复性差，主要问题在于固定用的胶水长期使用可能会老化、化学破坏、 或者受温度影响膨胀等，必定引起结构的变化甚至使珐珀腔失效；另外，使用棱 镜和耦合透镜组成的传光型光纤珐珀传感器，这种方案结构复杂、体积大，机械 稳定性差。从近年国内外文献报告来看，具有尺寸小、结构稳定等特点的全光纤 微珐珀传感器成为热点，在这方面国内单位如电子科技大学、重庆大学和天津大 学取得了突出的成绩，r a n 等采用1 5 7n m 准分子激光加工的纤内微珐珀腔具有结 构紧凑、稳定性好等特点【z 3 , z 5 - 2 6 ，利用干涉条纹对比度的变化解调外界折射率，具 有较高的分辨率，r a o 等利用光子晶体光纤与两段单模光纤熔接形成珐珀腔，采用 相同解调方法也获得了高性能的折射率传感器 2 7 1 ；t a o 等利用飞秒激光在光纤柱面 加工微槽作为珐珀折射率传感器，受其结构限制这种传感器很脆弱、易污染【2 4 l ； e s h e n 等人i ”l 还通过在两段单模光纤之间熔接一段多模光纤，利用多模光纤与单模 光纤纤芯的折射率差异造成熔接处的菲涅耳反射来制造另一种低反射率、低传输 损耗的正p l 光纤传感器，低传输损耗形式f p i 光纤传感器可以用于多个传感器的 串联复用，实现温度参量的准分布测量；w a n g 等人l 州1 j 利用化学刻蚀和光纤熔接 技术在光纤内形成微小空气间隙充当部分反射镜的简单方法来制造f p i 光纤传感 器；w a n gx w 等1 4 2 】利用单模光纤和空芯光纤熔接形成珐珀腔的第一个反射面， 用一薄石英光纤与空芯光纤熔接形成第二个反射面，并将此结构用于压力传感； h a ey o u n gc h o i 等【4 3 】将光予晶体光纤与空芯光纤熔接形成珐珀腔的一个反射面， 并使用单模光纤将空芯光纤封闭起来形成珐珀温度传感器： 在科研力量分布上来看，美国和英国是这方面研究较多的国家，以u n i v e r s i t y o f v e r m o n t 、v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t e a n ds t a t e u n i v e r s i t y ，u n i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a 、s t a n f o r du n i v e r s i t y 、u n i v e r s i t y o f k e n t 等较为突出，国内主要是电子科 技大学、重庆大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、天津大学、清华大学等单 位。 在相关产品方面，主要以国外为主，美国的l u n ai n n o v a t i o n s 公司和加拿大的 r o e c t s t 公司主要集中研究光纤温度、压力和应变传感器，加拿大菲索公司也推出 6 第一章绪论 了光纤珐珀温度传感器和光纤珐珀折射率传感器，美国光纤传感、美国微光学公 司等拥有优良的产品。 1 5 论文研究内容 光纤折射率( r d 传感器如光纤菲涅耳反射型、光纤光栅、光纤表面等离子体 共振( s p r ) 、光纤干涉仪 2 0 - 2 3 l 以其耐腐蚀、抗电磁干扰、精度高等特性而受广泛关 注，但仍有不足之处。光纤菲涅耳反射型精度低1 4 4 1 ，光纤光栅对温度敏感1 1 2 d 6 1 ， 光纤s p r l l 7 j 9 】通常需要特殊波长的宽带光源，同时，纳米薄膜的稳定性( 易脱附、 氧化等) 也使其寿命有限，温度影响大。 光纤珐珀传感器以其结构简单、灵敏度高、长期稳定性好、与光纤兼容等优 点成为光纤传感器家族中十分重要的成员之一，也是目前光纤传感领域中的研究 和应用热点之一。针对目前光纤折射率传感器结构复杂、尺寸大、寿命短、机械 稳定性差等问题，本文做了如下几个方面的工作： 1 利用腐蚀工艺制作了一种基于干涉条纹对比度解调的微光纤珐珀折射率传 感器，对影响传感器的各种参数进行了分析，实验验证了传感器在折射率测量特 性和温度特性； 2 利用腐蚀工艺制作了一种基于双干涉腔的光纤珐珀折射率传感器，分析了 腔长、反射率等参数对传感性能的影响，实验研究了传感器在折射率测量中的特 性，并分析了该结构在压力测量中的传感特性，最后给出了一个解决方案。 3 利用腐蚀工艺制作了一种带有微通道的纤内珐珀干涉型折射率传感器，分 析了传感器的模型和性能，并通过实验验证，然后利用该传感器研究了液体折射 率和温度之间的关系，最后对该结构其他实现方式进行了讨论。 通过以上三个方面的工作，可以提供优良特性的新型光纤珐珀折射率传感器， 为满足各种不同需要和适应不同应用场合的折射率检测提供可行方案。 7 电了科技人学硕上学位论文 第二章光纤珐珀传感器 光纤珐珀腔干涉式传感器具有结构简单、无需参考臂、分辨率高、响应快等 特点。光纤珐珀型传感器尺寸小，可用于智能结构，同时其在折射率测量上也具 有非常高的精度。 随着微精细加工、材料、激光等技术的快速发展，珐珀腔传感器尺寸逐步减 小，在制作工艺上取得了进步，可望实现规模生产，具有广阔的应用前景。 2 1f a b r y p e r o t 干涉仪工作原理 图2 - 1 所示为传统的光学珐珀干涉仪，它是光纤珐珀传感器的原型，在这里有 必要对其进行简单介绍。光学珐珀干涉仪由两块平面平行玻璃板组成，两板内表 面严格平行，构成间距为三的光学谐振腔( 珐珀腔) 。平行玻璃板表面通常镀有多层 介质薄膜或者金属膜用以提高反射率，外表面可做有个小的楔角，可以用使外 表面的反射光远离干涉场，避免对干涉信号谱产生干扰。当一束光( 可以使单波 长，也可以使宽谱光) 入射到珐珀腔中，大部分光能在珐珀腔中来回反射多次， 形成光学谐振，产生多光束干涉输出。 厶 图2 1 光学珐珀干涉仪原理示意图 根据多光束干涉原理，可以得到光学珐珀腔的反射率和透过率分别为( 假设 两块平板玻璃的反射率相等) ： 8 第二章光纤珐珀传感器 一 2 r i1 一c o s 中) 2 再莽j 丽盖 砩：鼍 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 中；孥刀。l ( 2 - 3 ) a ” m 为光学相位，式中，z 。是腔内材料的折射率，当腔内材料为空气时，n 。一1 ， 通常将液体或者气体填充在腔内。 光纤珐珀传感器是利用两根光纤端面代替平行玻璃板，光纤端面可以镀膜来 提高反射率，并使用各种方法( 如胶水黏贴、机械准直等方法) 使它们严格平行、 同轴，形成一个长度为l 的空气间隙( 也可以用其他不同的光纤来代替空气间隙) ， 并用一个密封管保护、定位，如图2 2 所示。在这里光纤同时具有传统光学珐珀干 涉仪中平行玻璃板和聚焦透镜的功能，因此在结构上得到了简化，增强了稳定性。 图2 - 2 光纤珐珀干涉仪( i 甲1 ) 精细度，是光学珐珀干涉仪里最重要参数之一，同样也适用于光纤珐珀干涉 仪传感器。精细度f 定义为相邻的两个透射峰的相位变化与一个透射峰的两边最 大值的一半处的两点的相位变化之比，可表示为： f = 万r ( 1 一尺) ( 2 - 4 ) 如上式所示，光纤端面的反射率决定珐珀腔的精细度。当光纤珐珀干涉仪两 端面反射率不高的时候，干涉条纹的精细度变得很差。 在r 1 的情况下( 光纤端面反射率为4 ) ，则可将多光束干涉近似地处理为 双光束干涉，由( 2 1 ) 式和( 2 2 ) 式可以得出： r 即篁2 r ( 1 一c o s ) ( 2 5 ) 7 矗一1 2 r ( 1 一c o s # ) ( 2 6 ) 反射光强正是分振幅双光束干涉情况下强度随相位差改变呈余弦变化的形式。可 9 电子科技大学碗土学位论文 以理解为在低界面反射率r ( rc t l 时) ，精细度会急剧降低。低细度，的光纤珐 珀腔中，二次以上的反射强度很小，对干涉信号的积累可以忽略。这样低细度f 的光纤珐珀腔中反射光束的干涉行为可以等效为取光束干涉。实际上，由精细度 的定义出发，利用( “) 式，当r 一0 1 7 2 时，f 一1 ；而r t0 1 7 2 时，精细度将 小于1 。图2 - 3 描述了不同r 值时的反射干涉条纹。 凡斤 i 、i r - - ，o 一0 4i 卜一、f l 0 2 二土匕：一：业二l j 上二 1 5 1 01 5 2 口1 s 3 01 5 4 01 5 5 0 5 1 5 7 01 5 1 铷 w a v c l c n g s b 抽m 圉2 - 3 不同反射宰时珐珀的反射光谱 干涉条纹精细度和反射率之间的关系是指导设计和制作优良光纤珐珀腔的依据， 因为较高的条纹精细度有利于对极值波长的确定，而这是珐珀腔作为干涉仪工作 时的一种解调方法。 2 2 光纤珐珀传感器的分类和制作 根据光纤珐珀腔的结构形式光纤珐珀传感器主要可以分为本征型光纤珐珀传 感器( i n t r i n s i cf a b r y - l 咒o r ti n t e r f e r o m c t e r ，i f p d 、非本征型光纤法拍传感器( e x t r i n 蝣c f a t t y p c z “t 缸c f f c r o m c t c r ，肿d 、线型复合腔光纤珐珀传感器0 h 1 i n ef a b r y - p e o r t r - e ) 以及目前的被视为研究热点的微型光纤珐珀干涉传感器( m i c r of i b e r f a b r y - p 咖- ti n t e 血咖d m f p i ) 。“本征”是指传感器利用对外界信息具有敏感能 力的光纤作为传感元件，在这里具有“传”“感”合一的功能，“非本征”是指光 纤在传感器中仅起到光传输介质的作用。对外界信息的敏感是通过其他功能元件 来实现的，仅仅为传输介质。 啡 第二章光纤珐珀传感器 2 2 1 本征型光纤珐珀干涉仪传感器 本征型光纤珐珀传感器( i f p i ) 是研究最早的一种光纤珐珀传感器1 4 5 叫刀。通常 制作这类本征型光纤珐珀传感器的步骤如下：首先，将一定长度传感光纤的两端 利用光纤切割刀或者光纤研磨机加工出高度平整的端面，然后在端面上镀以一定 反射率的介质反射膜，利用光纤熔接机以较小熔接电流和熔接时间将两端已镀膜 光纤熔接起来1 4 5 4 7 】。两处介质反射膜和中间的一段传感光纤构成了本征型光纤珐 珀干涉仪，如图2 4 所示。 高反膜 iil l u 啼 ii_ 图2 - 4 本征型光纤珐珀传感器原理示意 由于i f p i 传感器的腔长l 一般为数十微米量级，因此，本征型光纤珐珀传感 器的加工难度很大，需要精密的切割手段或者研磨工艺。除此之外，由式( 2 3 ) 可 知，其长度以及折射率行都会受到外界作用参量的影响，从而对最终输出光谱 产生影响，这样反射输出光强厶是一个与l 、咒都密切相关的双参数函数。在实际 中如何解决交叉敏感的影响也是一个难题。本征珐珀光纤传感器是由全光纤构成， 传感头尺寸非常小，它不但可以对传感光信号进行传输，还作为敏感元件响应外 界变化，这是它作为本征型光纤珐珀传感器的依据。由于本征型光纤珐珀传感器 的干涉腔体为传感光纤，光在腔体内的传输损耗很小，所以本征型光纤珐珀传感 器中反射面之间的距离即腔长可以较长。对于所有本征型光纤珐珀传感器而言， 光束都被限制在光纤的纤芯里传输，因此，该结构的衍射损耗较小。 2 2 2 传统非本征型光纤珐珀干涉仪传感器 非本征型光纤珐珀传感器( e f p i ) 是目前应用最为广泛的一种光纤珐珀传感器 1 4 8 4 9 】。它是由两个端面镀有高反射膜的单模光纤，在导管中固定光纤使得两个反 射端面严格平行和同轴，使用胶水或者其他工艺地密封，如图2 5 所示。 电了科技大学硕士学位论文 高反膜 导管 图2 5 非本征型光纤珐珀传感器原理示意图 在光纤珐珀的原理中假设了由单模光纤出射的光束为平行光，它可以在珐珀 腔内多次反射，并完全返回单模光纤。但实际由于中间的空心波导结构会使部分 光纤损失。非本征珐珀型光纤传感器制作简单，但这种传感器的缺点是其空气的 热膨胀对传感器的性能影响很大。导管材料的热膨胀也直接影响传感器的准确度。 e f p i 传感器在制作过程中存在以下不足： ( 1 ) 将镀膜后的光纤装入石英导管时，容易接触管壁，损坏光纤端面的反射 膜，从而降低端面的反射率；( 2 ) 而且切割麻烦，很难保证切割面的角度；( 3 ) 反射面准直的时候可能会出现偏差，同时准直操作困难，生产重复性差。( 4 ) 现 有的e f p i 传感器大部分采用胶水密封，密封胶在高温环境容易老化或者是测量环 境对它腐蚀，从而降低传感器的稳定性，甚至使珐珀腔失效。 2 2 3 线性复合腔光纤珐珀传感器 线性复合腔光纤珐珀传感器原理如图2 - 6 所示，它是将图2 4 结构的变形，反 射面之间的光纤采用与光纤外径相同的石英导管或者空芯光纤，它也算是一种本 征型光纤珐珀折射率传感器，同时也拥有非本征型的一些特点【5 1 规】。 刀0 一 刀以 ， 一 吣l 、高反膜单模光纤 图2 - 6 线性复合腔光纤珐珀传感器原理示意图 但是这种珐珀腔的制作相当困难，需要在显微镜的监控下切割，很难控制腔 长，制作的传感器参数重复性差，熔接的质量也很难保证，制作效率低，难以批 量生产。 1 2 塑三! 堂堑些里! ! 壁矍 2 24 微型非本征型光纤珐珀干涉仪 传统的光纤珐珀传感器结构复杂、稳定性差、制作效率低下，干i i 比之f 微小 型光纤传感器对测量对象的影响小，可以对细胞等实现无创伤探测尺寸小可方 便插入血管等微小空m ，稳定件好不必扭心使用寿命的问题，所以在生物、医学、 t 业、化学等诸多领域倍受青睐，近几年来，国内外的科研工作人员也开展了大 量的研究，并出现了一批优秀成果。微型光纤珐珀( m f p i ) 的制作难题主要集中 在如何制作微f p 腔以及构成f p 腔的两个反射端面，目前国内外报道最多的制作 方法主要有：熔接( 利用小同的光纤造成介质在熔接点的不连续以形成反射面， 而这一异质光纤作为珐珀腔敏感元件，主要是切割难度大) 、腐蚀( 腐蚀掺杂光纤 或普通光纤) 及激光加工( 如1 5 7i l i i i 激光、飞秒激光加t ) 。 擎 一 7 了。7 i _ 1 - 了_ 函嘞 邋蔓蔓益二筮姿墨墨釜j 毯j ( d ) 图2 7 几种微型光纤珐珀腔传感器 y 】r a o 等利用- - + 段端面平整的光于晶体光纤置于两段单模光纤之问，通过 熔接形成珐珀腔如图2 - 7 ( a ) 所示口”，它通过接触外界环境折射率改变端面反射率来 实现解调，这种结构的传感器尺寸小、结构紧凑，但是在制作珐珀的时候，切割 比较麻烦，需要在显微镜下操作，而且根难准确控制腔长，制作效率非常低，传 感器的重复性差，不能实现大规模生产；h a ey o u n gc h o i 等m 1 将端面空心光纤和 光子晶体光纤熔接形成