新型傳感光纖光傳輸與折射率敏感特性研究

楊國華,陶奕霏,許 愿,丁 超,解泉華

(1. 無錫商業職業技術學院 物聯網與人工智能學院,江蘇 無錫 214153;2. 江蘇省無線傳感系統應用工程技術研究開發中心,江蘇 無錫 214153;3. 重慶理工大學 智能光纖感知技術重慶市高校工程研究中心,重慶市光纖傳感與光電檢測重點實驗室,重慶 400054)

0 引言

光纖倏逝波傳感器響應速度快,抗電磁干擾,耐腐蝕,體積小,能實現遠距離傳輸及易成陣列等優點,因而被認為是一類有前途的傳感器件,并廣泛應用于氣體/液體折射率或濃度的原位檢測中[1-3],但其仍存在靈敏度低的問題。

為了提高光纖倏逝波傳感器的靈敏度,研究者們研制出一系列不同結構(如U形、D形,單錐形、雙錐形、S形,螺旋形)的光纖倏逝波傳感器[1,4-7],以及采用這些不同結構的光纖傳感器構建表面等離子體共振傳感器[4,6]。這些傳感器均是通過光纖表面倏逝波與其周圍環境介質發生作用,從而實現對被測參量的測量。因此,增強光纖表面倏逝波強度是提高光纖傳感器靈敏度的關鍵[8-9]。當前光纖倏逝波傳感器采用纖芯-包層結構型光纖,光束被限制在纖芯內傳輸,有效地抑制了光束從光纖表面輻射,導致光纖表面光輻射強度較低,與外界環境間的相互作用強度低,傳感器靈敏度低[10]。

為了提高光纖表面倏逝波強度,進而提高光纖倏逝波傳感器靈敏度,本文提出了一種新型結構傳感光纖。傳感光纖由傳統塑料光纖、新型階躍光纖、傳統塑料光纖級聯而成,其中新型階躍光纖為倏逝波傳感器的敏感區。利用幾何光學分析了光纖內部光傳輸特性,實驗測試了光纖光傳輸特性及其對外界折射率敏感特性。

1 光傳輸理論分析

1.1 傳統倏逝光纖光傳輸特性

如圖1(a)所示,在傳統倏逝波光纖中,光束總輸入光強I′in=I′i1+I′i2(I′i1、I′i2分別為不同角度光束在光纖輸入端的輸入光強)在纖芯-分析物界面處發生全反射被限制在纖芯中傳輸,當光纖中傳輸的光束經過溶液衰減(倏逝波衰減)后總輸出光強(I′out=I′o1+I′o2,I′o1、I′o2分別為不同角度光束在光纖輸出端的輸出光強)可表示為

圖1 去除包層傳統塑料光纖及傳感光纖結構示意圖

I′out=I′ine-ξ′(n)L

(1)

式中ξ′(n),n,L分別為分析物對光纖內部傳輸光的光衰減系數、分析物折射率和倏逝波區(去除包層區)長度。ξ′(n)[11]可表示為

(2)

式中:ρ為分析液的體積衰減系數;λ為光源的波長;a為去除包層后光纖的半徑;n1為光纖纖芯折射率;β′1為光束在光纖纖芯-分析物界面的入射角。

當n

(3)

聯合式(1)、(3)可知,傳統倏逝波光纖內傳輸光強經倏逝波衰減的輸出光強可表示為

(4)

式(4)表明,傳統倏逝波光纖輸出光強I′out與β′、n和L有關。

1.2 傳感光纖光傳輸特性

如圖1(b)所示,在傳感光纖中,光束Ii1傳輸至纖芯-聚砜-GO2包層界面B1處,由于傳感光纖包層折射率n3>n1,導致光束被折射進入傳感光纖包層,光束在包層與分析物界面的入射角為

(5)

假定傳統倏逝波光纖與傳感光纖的長度均為L,半徑均為a,則在傳感光纖中由于光束在包層中發生了折射,導致光束在包層中的傳輸路徑減小,等價于光纖長度增大,即L變為L1,則

(6)

式中:d為傳感光纖包層厚度;β1為光束在包層-分析物界面的入射角。

將式(5)、(6)代入式(4)可得,Ii1經倏逝波衰減后輸出光強Io1為

(7)

此外,光束Ii2傳輸至纖芯-包層界面B2處將被直接折射進入包層。由于傳感光纖包層的折射率n3>n1,且n3>n,導致光束被限制在包層中傳輸。光束Ii2在包層與分析物界面的入射角為

(8)

由于光束Ii2被限制在包層中傳輸,因此,光束Ii2經過倏逝波衰減后輸出光強Io2為

(9)

由圖1(b)可看出,傳統光纖中,傳輸的光束Iin入射到傳統光纖與新型階躍光纖分界面,并直接耦合進入聚砜-GeO2包層,且被限制在聚砜-GeO2包層中傳輸的光能量為(2d/a)Iin;在新型階躍光纖纖芯與包中傳輸的光能量為(1-2d/a)Iin。因此,在傳感光纖中輸入光能量Iin經倏逝波衰減后的輸出光強為

(10)

對比式(10)、(4)發現,由于利用折射率高的聚砜-GO2涂覆層替換了部分傳統光纖纖芯,導致光纖結構發生變化(折射率由纖芯至涂覆層階躍增大),引起光束在傳感光纖內傳輸模式發生變化,傳感光纖輸出光強由a、d、n控制;當n、λ和L均為某一恒定值時,輸出光強由a、d和n3控制。

2 實驗材料與方法

2.1 光纖材料與光纖制備

傳統塑料光纖的纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯(折射率為1.49),數值孔徑為?0.5,纖芯直徑為?1 900 μm,包層直徑為?2 000 μm,保護層直徑為?3.8 mm。新型階躍光纖制備過程如下:

1) 利用美工刀去除傳統塑料光纖中心長度為10 cm的保護層。

2) 采用粒度為2 μm的光纖研磨紙對去除光纖保護層的光纖進行手工研磨,研磨后光纖直徑為?1 500 μm。

3) 為了獲得包層折射高于纖芯折射率的新型階躍光纖,在研磨后光纖表面涂敷一層由可見光傳輸性能好、硬度高、耐熱耐寒性耐老化性好的聚砜和高透光性能好的GeO2納米顆粒摻雜的溶膠[12-13]。

制備聚砜與GeO2混合溶膠。首先將折射率1.63、質量5 g的聚砜加入45 ℃、250 mL的n,n-二甲基甲酰胺中,不斷攪拌至完全溶解;然后將折射率1.99、粒徑?(20～30) nm的GeO2加入到聚砜溶液中,GeO2摻雜質量分數w(GeO2)=0～2%,并用磁力攪拌器將其攪拌均勻,常溫靜置24 h脫泡后即獲得聚砜與GeO2混合溶膠;最后采用提拉法將混合溶膠涂覆在研磨后的光纖表面,涂敷層厚度為0～400 μm,在65 ℃下干燥48 h后即獲得新型階躍光纖,如圖1所示。

2.2 實驗系統及分析方法

光纖光譜傳輸及傳輸光強測量系統由光源、傳感光纖、光纖光譜儀、光功率計等組成。光源為氘-鹵鎢燈光源(氘燈10 W,鹵鎢燈15 W),光譜范圍為200～2 500 nm;光功率計可探光譜范圍為200～1 100 nm,功率范圍為100 pW～0.2 W,準確度為1%～4%;光纖光譜儀可探光譜范圍為200～1 100 nm,分辨率為2～5 nm。

為了表征傳感光纖對折射率的響應特性,將光纖浸入溶液中,溶液采用葡萄糖和超純水配制,折射率為0～1.395。實驗過程中,每次測完樣品溶液后,用超純水沖洗光纖3 min,去除光纖表面附著的葡萄糖分子。傳感器對折射率響應靈敏度(S)采用光纖輸出光強相對變化比表示:

S=100%×(Iout,0-Iout,R)/Iout,0

(11)

式中Iout,0,Iout,R分別為光纖浸入超純水和分析液中的輸出光強。

3 實驗結果與討論

3.1 GeO2摻雜量對光纖光譜傳輸及折射率響應特性的影響

為了提高傳感器光譜傳輸質量及其對折射率響應特性,研究了GeO2摻雜量對光譜傳輸及其折射率響應特性的影響,如圖2、3所示。

圖2 GeO2摻雜量對光譜傳輸響應特性的影響

由圖2可看出,傳統倏逝波光纖光譜傳輸質量高于傳感光纖光譜傳輸質量,其原因是:

1) 在傳統倏逝波光纖中,光束被限制在光纖內部傳輸(見圖1(a)),在光纖表面以倏逝波的形式被衰減,然而倏逝波強度低,與外界環境作用強度較低,導致光束在倏逝波光纖內傳輸損耗低,光纖傳輸(透射)光譜質量高。

2) 在傳感光纖中,由于新型階躍光纖結構與傳統倏逝波光纖不同(見圖1(b)),即包層的折射率高于纖芯的折射率,導致光束在光纖內部的傳輸模式發生變化,增大了光束在光纖表面的輻射強度,促進了光與外界環境的作用強度,導致光纖內部傳輸的光衰減量增大、傳輸(透射)光譜質量降低。

由圖2還可看出,傳感光纖光譜傳輸質量隨著包層中GeO2摻雜量的增加而降低。其原因是:

1) GeO2的折射率高于聚砜,因此隨著GeO2摻雜量的增加,包層折射率增大,包層折射率越大,β1越小,L1越大,光纖內部傳輸的光越有助于被折射進入包層,并在包層與外界環境界面被衰減,從而降低了光譜傳輸質量。

2) GeO2為半導體納米顆粒,隨著GeO2摻雜量的增加,導致被耦合進入光纖包層的光被散射逃逸,其內部的光強度增強[12],從而降低了光纖光譜傳輸質量。

由圖3可看出,傳統倏逝波光纖構成的傳感器對折射率的響應靈敏度最低。其原因是:

圖3 GeO2摻雜量對光譜折射率響應特性的影響

1) 傳統倏逝波光纖纖芯折射率小,與外界分析物折射率差異小,導致外界分析物折射率變化對光纖內部光傳輸影響小。

2) 傳統倏逝波光纖表面倏逝波強度低,與葡萄糖分子作用強度低。

此外,傳感光纖對折射率的響應隨著GeO2摻雜量的增大先增加后降低,其原因是:

1) 光纖表面倏逝波強度隨著GeO2摻雜量的增大而增大,從而有利于提高傳感器對折射率的響應靈敏度。

2) 光束在光纖包層中的散射強度隨著GeO2摻雜量的增大而增大,導致后向散射強度增強[12],后向散射不利于提升倏逝波傳感器靈敏度,導致傳感器靈敏度降低。

3.2 涂覆層厚度對光纖光譜傳輸及折射率響應特性的影響

為了進一步提高傳感光纖對折射率的響應靈敏度,研究了包層厚度對光纖光譜傳輸及其折射率響應特性的影響,如圖4、5所示。

圖4 包層厚度對光纖光譜傳輸響應特性的影響

由圖4可看出,傳感光纖光譜傳輸性能隨著包層厚度增加先增加后減小。其原因是:

1) 聚砜-GeO2包層具有高透光與光傳輸特性[12-13],有助于將傳統光纖中傳輸的光耦合進入聚砜-GeO2包層中,然后進一步傳輸至光纖輸出端(見圖1(b))。

2) 當新型階躍光纖包層直徑小于傳統光纖包層直徑時,隨著聚砜-GeO2厚度的增加,從傳統光纖端面耦合進入聚砜-GeO2包層中的光能量增加,進一步沿著光纖向前傳輸,并耦合進入光纖尾端,提升傳感光纖輸出光譜質量。

3) 當新型階躍光纖包層直徑大于傳統光纖包層直徑(即涂覆層厚度大于300 μm)時,從傳統光纖端面耦合進入聚砜-GeO2包層中的部分光能量再次耦合進入光纖尾端(在傳感光纖與傳統光纖界面被傳輸至外界環境),導致光譜傳輸質量降低。

由圖5可看出,傳感光纖對折射率的響應靈敏度隨著聚砜-GeO包層厚度的增加先增大后減小,當厚度為200 μm時,靈敏度達到最大222.58%/Riu,約為傳統倏失波光纖傳感器靈敏度7倍(見圖3)。其原因是:

圖5 包層厚度對光纖折射率響應特性的影響

1) 隨著包層厚度的增大耦合進入聚砜-GeO2包層中的光強增大,有助于提升其倏逝波強度,進而提升對折射率的響應靈敏度。

2) 當聚砜-GeO包層厚度超過200 μm(即傳感光纖包層直徑大于傳統光纖纖芯直徑(?1 900 μm))時,由式(2)、(10)可知,聚砜-GeO包層厚太大將降低倏逝波衰減系數,從而降低傳感器靈敏度。

4 結束語

為了提高光纖表面倏逝波強度,進而提高光纖倏逝波傳感器對折射率的響應靈敏度,本文研制了一種新型結構傳感光纖。傳感光纖由傳統塑料光纖、新型階躍光纖、傳統塑料光纖級聯而成。新型階躍光纖(倏逝波傳感器敏感區)纖芯由聚甲基丙烯酸甲酯(折射率為1.49)構成,包層由聚砜(折射率為1.63)與GeO2(折射率為1.99)混合物構成。在此基礎上,本文建立了光纖光傳輸理論模型,實驗研究了光纖光傳輸特性及其對外界折射率的響應特性。研究表明,當新型階躍光纖包層中GeO2質量分數為1.5%,包層厚度為200 μm時,傳感光纖光譜質量較好,對溶液折射率響應靈敏度最大,可以達到222.58%/Riu。