基于酒精與磁流體填充的單模-空芯-單模光纖結構溫度磁場雙參數傳感器?

趙勇 蔡露 李雪剛 呂日清

1)(東北大學信息科學與工程學院,沈陽 110819)

2)(東北大學流程工業綜合自動化國家重點實驗室,沈陽 110819)

1 引 言

磁場的測量在許多領域如航空航天、海底環境監測等都是一個重要的環節.近幾年,光纖磁場傳感器因其體積小、重量輕、精度高,能夠適應惡劣的檢測環境和可實現遠距離傳感等優點成為國內外學者密切關注的研究課題.而磁流體作為一種光與磁場的媒介,被廣泛地引入光纖磁場傳感器中.磁流體[1],又稱為磁性液體、鐵磁流體或磁液,是由強磁性粒子、基液以及表面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀溶液.當外加磁場作用時,磁性粒子結成鏈狀,沿磁場方向有序排列,這導致了磁流體等效介電常數發生變化,從而使其折射率發生改變.利用磁流體的折射率可控特性與光纖傳感器相結合,可以間接測量出外界磁場的變化.目前已實現的基于磁流體的光纖磁場傳感器有Fabry-Perot微腔磁場傳感器[2],錐形光纖磁場傳感器[3],光子晶體光纖磁場傳感器[4],模間干涉型光纖磁場傳感器[5]等.在眾多光纖傳感器類型中,模間干涉光纖傳感器因其結構靈活、制備工藝簡單、成本低廉,近年來備受關注[6?8].模間干涉光纖傳感器是利用模式不匹配結構實現多種模式的激發.由于高階模式更容易受外界環境變化,如溫度、折射率、曲率等參數變化的影響,因此引起模式間相位差的變化,最終反映在干涉光譜上即特征波長的移動或能量的線性變化.利用這一傳感原理,結合特種光纖,如空芯光纖(hollow core fiber,HCF)[9]、錐形光纖[10]等,可以實現高靈敏度的折射率測量,進而實現磁場傳感.2013年,Wang等[11]在《Optics Letters》上發表的一篇文章將經典的單模-多模-單模光纖結構與磁流體結合,制作成模間干涉磁場傳感器,測量磁場靈敏度達?16.86 pm/Oe.2014年,Dong等[12]將單模光纖錯位熔接節點與錐形熔接節點級聯,實現內嵌式的Mach-Zehnder模式干涉儀,將其浸沒在磁流體液體中測量磁場,靈敏度可達26 pm/Oe.Song等[13]將空芯光纖與單模光纖錯位熔接,形成模間干涉結構,在結構外面包覆磁流體并用毛細管封住,測量磁場靈敏度可達?0.02173 dB/Oe.Liu等[14]將U形單模光纖固定在基底上,傳感部分浸沒在磁流體中并用聚四氟乙烯套管封住,實現高靈敏度的磁場傳感,波長和強度靈敏度分別可達0.374 nm/Oe和?0.4821 dB/Oe.

在磁場測量過程中,環境溫度的變化常常帶來擾動,為測量增加不準確性,同時,溫度在生產過程中也是一個重要的參數.因此,設計一種磁場與溫度雙參數同時測量的光纖傳感器是十分有意義的工作.Zhao等[15]設計一種將磁場傳感部分與布拉格光纖光柵( fiber Bragg grating,FBG)級聯的結構,實現對溫度的補償,但是溫度測量靈敏度較低.Wu等[16]利用多模光纖內模式熱光系數相近的性質實現不易受溫度擾動的磁場傳感,但是溫度影響仍不能消除;Peng等[17]制作基于光子晶體光纖的溫度不敏感磁場傳感器,但磁場靈敏度較低.因此,本文設計了一種基于模式間干涉原理的溫度磁場雙參數同時測量的光纖傳感器,利用單模光纖與空芯光纖的錯位熔接點將光導入空芯光纖壁中傳播,形成模間干涉效應.并利用空芯光纖內外填充的不同液體的熱光效應以及磁流體的折射率可調諧效應,將外界的溫度變化與磁場變化轉化為液體折射率的變化,進而改變各模式相位,將這一變化體現在干涉譜中.選取干涉譜中兩個含有不同模式成分的波谷,檢測其漂移量并建立敏感矩陣,即可同時解調出磁場與溫度的變化.與參考文獻[16]比較,本文所提出的傳感器不僅能夠將雙參數同時解調出來,并且都具有較高的靈敏度,溫度傳感靈敏度可達?468 pm/°C,磁場傳感靈敏度可達82 pm/Oe,靈敏度數值甚至高于單獨測量磁場[11,18?21]或溫度[22?26]的同類型光纖傳感器.

2 傳感原理

傳感器結構示意圖見圖1.寬譜光從一段單模傳輸光纖進入第一個單模-空芯光纖錯位熔接點,由于模式的不匹配,一部分光損耗,一部分光在空芯光纖壁中繼續傳播.空芯光纖壁中可以容納多個傳導模式,這些模式以不同的傳播常數軸向傳播并且發生模式間干涉,在第二個融接點處一部分光重新進入單模光纖中向前傳播.當外界參量(如溫度、折射率、應變等)的改變施加在光纖上時,這些模式的相位發生變化,輸出光中攜帶被測量信息,最終被解調設備接收.本文中利用模間干涉結構對溫度和折射率(RI)敏感的特性,而獲得外界磁場和溫度的信息.

圖1 單模-空芯-單模光纖錯位熔接內填酒精外封磁流體結構示意圖Fig.1. Schematic diagram of off set spliced single mode-hollow core-single mode fiber with inside alcohol and outside magnetic fluid.

值得一提的是,空芯光纖作為一種特種光纖,其橫截面為同心圓環.當光在空芯光纖壁中傳輸時,模場分布是軸對稱的而非中心對稱或圓對稱,并且各模式在空芯光纖與外部介質的內外交界面處倏逝場的能量不同.這將導致同一模式對環內外介質折射率變化的靈敏度不同.分別計算了LP01,LP31,LP51,LP71四個模式的有效折射率隨環內、外折射率變化而變化的曲線如圖2所示,當只改變空芯光纖環內折射率時,環外折射率Nout設定為1,反之環內折射率Nin為1.此時由于光纖對低階模式的束縛能力相對更強,LP01與LP31模式分布靠近石英管壁的中層,因此對環內外折射率變化的靈敏度均較低.而LP51與LP71模式對環內外折射率變化的靈敏度則均表現出較大差異.當環內外折射率同時變化時,可以看出對于LP51與LP71模式,環外折射率變化帶來了更大貢獻,并且LP51模式的靈敏度更高.這說明各模式間對環境介質折射率變化的敏感程度也有很大差異.

因此,如果在干涉譜中選擇兩個不同階數模式參與的波谷作為特征波谷(波谷1和波谷2),其波長移動可表示為:

圖2 (a)LP01,(b)LP31,(c)LP51,(d)LP71四個模式有效折射率分別隨著空芯光纖內、外以及同時的折射率變化而變化的曲線Fig.2.E ff ective refractive indices change of(a)LP01,(b)LP31,(c)LP51and(d)LP71with changed inside,outside and both refractive index.

其中,ΔλT1和ΔλT2分別為由溫度變化引起的特征波谷1和波谷2的波長漂移量;ΔλG1和ΔλG2分別為是由磁場變化引起的波谷1和波谷2的波長漂移量;ΔT和ΔG分別為溫度變化和磁場變化;k1和k2分別為環內介質和環外介質的熱光系數,k3和k4環內外介質折射率對磁場變化的變化率;a1,a2,a3和a4分別為波谷1和波谷2對環內、外介質折射率變化的波長靈敏度;a01和a02為光纖材料本身熱光效應和熱膨脹效應造成的波谷1和波谷2漂移的溫度靈敏度系數,由于參與的模式不同,因此熱光系數稍有差別,a01/=a02.為了提高溫度測量的靈敏度,本文中選擇在環內填充酒精(無水乙醇)作為溫度增敏介質,其折射率n1=1.362@20°C,熱光系數k1=?3.98×10?4.環外填充水基磁流體作為磁性敏感介質,折射率n2≈1.435@20°C,熱光系數k2=?8×10?5,最外層用石英毛細管封裝.由于酒精的折射率并不受外界磁場變化的影響,因此k3=0.當溫度和磁場同時變化時,建立敏感矩陣:

Δλ1和Δλ2分別是波谷1和波谷2的波長移動量.如果能夠在傳感器的干涉譜中找到兩個波谷,其靈敏度系數使等式成立,那么就能通過建立敏感矩陣求解出溫度和磁場的變化.

3 傳感器特性分析

3.1 傳感器的制作與填充

制作傳感探頭過程中使用的單模光纖是Corning公司生產的SMF-28,纖芯、包層直徑分別為8.2和125μm;所用空芯光纖外徑150μm,內徑50μm.中間段空芯光纖長度46 mm,未熔接前將其固定在載玻片上,并在其一端處滴酒精.將載玻片放置在顯微鏡下觀察,由于毛細現象,酒精緩慢進入空芯光纖中,如圖3(a)所示.由于酒精無色透明,且折射率更接近空芯光纖壁,因此在顯微鏡下觀察到被填充的部分變為圖中左側透明狀.之后將填充酒精的光纖與兩段單模光纖熔接,所用熔接機型號為FETEL178,選擇手動熔接程序,調整錯位量為50μm左右,如圖3(b).電弧放電時,放置在右側的空芯光纖有輕微塌陷,且兩種光纖邊緣處由于電弧高溫而失去棱角,融為一體形成圓滑的類似于S形的流線,將空芯光纖內的酒精牢牢密封住.最后,將內徑為1 mm左右的毛細玻璃管套在單模-空芯-單模光纖結構外,同樣利用毛細現象將折射率為1.43左右的水基磁流體填充進管內.由于水基磁流體黏度較小,流動性大,毛細管內填滿之后迅速用熱熔膠封住兩端,如圖3(c)所示,圖3(c)下方插圖為顯微鏡下觀察到的毛細管局部放大圖.可以看出毛細管內均勻填充有黑紅色磁流體,而單模-空芯-單模光纖結構被包裹在磁流體中無法幾乎無法分辨出來.

圖3 傳感器制作過程 (a)毛細作用將酒精填入空芯光纖局部圖;(b)錯位熔接時X和Y方向顯微圖;(c)封裝后的傳感器實物圖Fig.3.Fabrication process of proposed sensor:(a)Local image of hollow core fiber filled with alcohol by capillary effect;(b)microscope images of off set splicing joint in X and Y directions;(c)photography of packaged sensor.

圖4 傳感系統結構示意圖Fig.4.Schematic diagram of sensing system.

接下來將傳感器兩端的單模光纖與C波段寬譜光源和光譜分析儀連接,如圖4所示,傳感器系統便初步搭建完畢.

3.2 溫度特性

在未套入外層毛細管時,對單模-空芯-單模光纖結構進行了溫度特性測試.將該結構放入恒溫箱中,隨著溫度升高用光譜儀記錄透射光譜的變化,并將特征波長的移動量記錄下來,如圖5所示.在26—56°C的范圍內,隨著溫度的升高,1540 nm附近的波谷向短波長方向移動,這是因為酒精的熱光系數為負數,而空芯光纖管壁中的多模干涉光譜會隨著其周圍折射率的升高而向長波長移動.從圖2中可以知道空芯光纖內、外折射率變化導致各模式有效折射率的變化趨勢是一致的,因此為了驗證這一解釋,對單模-空芯-單模光纖錯位熔接并填充酒精的結構進行折射率特性測試,如圖6所示.對1535 nm附近的波谷在折射率變化范圍為1—1.4285內進行監測,波谷位置用黑色三角標出.可以看出隨著外界折射率的增加,圖6(a)中的光譜隨之紅移,且折射率越高,移動的靈敏度越高.根據圖6(b)中擬合曲線可知當折射率為1.3334時靈敏度為51.84 nm/RIU,當折射率為1.4285時靈敏度為374.27 nm/RIU.因此,對于圖5中的溫度特性曲線,當溫度升高時,酒精折射率降低,干涉譜發生藍移,而酒精折射率降低將使干涉譜的移動靈敏度降低,對應圖6(b)中的二次擬合曲線,造成特征波長隨溫度升高而移動的曲線斜率降低.圖5中的溫度靈敏度在溫度為26°C時為?1.582 nm/°C,56°C時靈敏度為?0.024 nm/°C.

圖5 單模-空芯-單模光纖錯位熔接填充酒精結構的溫度特性Fig.5. Temperature characteristic of single modehollow core-single mode fiber structure filled with alcohol.

圖6 單模-空芯-單模光纖錯位熔接填充酒精結構的折射率特性Fig.6.Refractive index characteristic of single mode-hollow core-single mode fiber structure filled with alcohol.

圖7 單模-空芯-單模光纖錯位熔接填充酒精外部封裝磁流體結構的溫度特性Fig.7.Temperature characteristic of MF packaged single mode-hollow core-single mode fiber structure filled with alcohol.

接下來在單模-空芯-單模光纖結構的基礎上外加毛細玻璃管并填充磁流體后進行封裝.對此結構進行溫度特性測試,同樣將其放入恒溫箱,控制恒溫箱的溫度在28—58°C之間變化,其透射譜移動情況如圖7(a)所示.由于填充了磁流體,原先的纖芯-包層-空氣三層波導結構折射率分布改變,各模式有效折射率發生變化,因此干涉譜形貌有所改變.光譜中出現了波谷1和波谷2兩個波谷,分別在1540和1565 nm附近,從圖中可以看到波谷1較淺,消光比只有3 dB左右,而波谷2的消光比明顯高于波谷1,最高時可達20 dB.這是由于光從單模光纖到空芯光纖中傳播時激發出多個傳導模式,而這些模式的傳播常數和激勵系數不同,也就是說它們的有效折射率和能量強度不同.這導致發生干涉時的相位和干涉強度都有所差異,表現在干涉譜中就是不同位置的波谷是由不同的模式參與干涉形成的.而且如圖2中所描述的,各模式間對環境介質折射率變化的敏感程度有很大差異,各模式的熱光系數也不盡相同,所以波谷1和波谷2的溫度特性有較大差異.如圖7(b)所示,可以看出,波谷1和波谷2在28—58°C范圍內的溫度靈敏度分別為?0.112 nm/°C和?0.468 nm/°C,波谷2的靈敏度是波谷1的4倍,而我們知道靈敏度相差較大更有利于對雙參數同時解調.實驗中只將傳感器加熱至60°C左右是因為更高的溫度容易引起酒精沸騰(沸點70°左右),且有可能改變磁流體的性質.

3.3 磁場特性

將設計的傳感結構沿平行磁場強度的方向放入圖4所示的線圈中,高斯計探針與傳感結構平行,實時檢測線圈內磁場強度.為防止線圈通電后發熱使周圍介質溫度升高,線圈與水冷裝置連接,保證其溫度始終保持在室溫(28°C).實驗中,通過調節電源電壓和電流來改變由電生磁效應而在線圈中產生的磁場,線圈內磁場從0 Oe變化到169 Oe,每間隔42 Oe變化一次,每次穩定30 min,用光譜儀記錄下光譜的變化,如圖8(a)所示.可以看到,波谷1和波谷2都隨著磁場強度的增加而向長波長方向移動,但是波谷2的移動量明顯大于波谷1.這是因為當傳感器平行于磁場方向時,磁流體的折射率會隨著外界磁場的增加而增大[27],由圖6的結論可知,當折射率增大時,光譜會發生紅移,所以外界磁場強度與干涉波谷的波長之間存在正比例關系.又由于波谷1和波谷2是不同階模式參與而形成的,他們在光纖橫截面方向的能量分布不同,有效折射率也不同,因此對外界折射率變化的敏感程度不同.將這兩個波谷的移動量記錄下來繪制成圖8(b),由此可知波谷1與波谷2的磁場靈敏度分別為0.082 nm/Oe和0.037 nm/Oe.

4 溫度與磁場雙參數解調

目前為止,通過對單模-空芯-單模光纖錯位熔接結構內部填充酒精外部封裝磁流體的結構分別進行溫度特性和磁場特性的實驗測試,我們可以獲得(2)式靈敏度系數矩陣中的四個參數a1k1+a2k2+a01,a2k4,a3k1+a4k2+a02,a4k4,它們分別是?0.112,?0.468,0.082和0.037.對該矩陣求逆矩陣,代入(2)式可得

因此,當環境的溫度和磁場強度同時變化時,只要從光譜中讀出波谷1和波谷2的移動量Δλ1和Δλ2,就可以通過(3)式分別求出溫度和磁場強度的變化量[25].從表1列出的各傳感器性能參數可以看出,與此前的報道相比[11,18?26],該傳感器結構具有較好的溫度和磁場靈敏度,并且在不額外增加FBG、長周期光纖光柵等器件的情況下解決了交叉敏感問題,結構簡單,易于實現.

圖8 單模-空芯-單模光纖錯位熔接填充酒精外部封裝磁流體結構磁場特性Fig.8.Magnetic field characteristic of MF packaged single mode-hollow core-single mode fiber structure filled with alcohol.

表1 不同結構傳感器的磁場、溫度傳感器靈敏度對比Table 1.Comparison among magnetic field and temperature sensitivities for different structures of sensors.

5 結 論

本文提出一種能夠同時測量環境溫度和磁場的高靈敏度光纖傳感器,溫度和磁場強度的傳感靈敏度最高可達?468 pm/°C與82 pm/Oe.該傳感器分別利用空芯光纖內、外填充的酒精與磁流體折射率受溫度和磁場調諧的性質來實現高靈敏度的傳感.與此同時,空芯光纖的特殊結構使得所激勵的多種模式模場分布不對稱,不同模式對外界環境變化的靈敏度不同.這一特點使得在干涉譜中找到兩個靈敏度不同的波谷成為可能,進而可以通過建立靈敏度矩陣解調出雙參數.與已有的模間干涉傳感器相比,本文提出的傳感器具有兩個突出優點:首先,它表現出更高的溫度和磁場靈敏度,這是由所填充液體的熱光效應和磁調諧效應帶來的,是光纖本身的熱光效應與熱膨脹效應不能比擬的;其次,它在不增加其他光纖器件的前提下實現溫度、磁場雙參數的解調,為將來在實際應用中解決溫度交叉敏感問題提供了很好的思路.

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