基于光纖微結構加工和敏感材料物理融合的光纖傳感技術?

王閔 劉復飛 周賢 戴玉堂 楊明紅

1)(武漢紡織大學電子與電氣工程學院,武漢 430200)

2)(武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室,武漢 430070)

1 前 言

傳感器是獲取各種信息的主要手段,在現代測量、自動控制、安全監控、環境監測和醫療衛生等民用和軍用領域都發揮著重要作用.光纖本身可以作為敏感媒介和通信傳輸的介質,光纖傳感器是最有希望實現靈巧結構的傳感器,它具有體積小、易彎曲、抗電磁干擾等優點[1?3],具有重要的研究、開發和應用價值.然而,由于光纖本身對有些化學或生物的參量和物質屬性不敏感,所以無法直接利用光纖對這類物質或參量進行檢測.因此,有必要研究敏感材料的設計和制備,將敏感材料和光纖附著在一起,光纖本身只起信號傳輸的功能,即“傳”而不感;附著在光纖上的材料作為敏感的媒介起著敏感響應的功能,即“感”而不傳.敏感材料和光纖附著的方式有很多,包括機械連接、化學膠黏、熱噴涂和氣相沉積[4?10]等.其中采用氣相沉積薄膜的方式在光纖的端面或者側面制備各種敏感薄膜,可以實現器件微型化、功能集成化等優點,具有廣泛的應用前景.

國內外對基于敏感材料的光纖傳感器有一些研究,根據原理的不同可以分為四類:一種是在光纖光柵(FBG)的周面鍍制敏感薄膜,薄膜在敏感環境中導致光柵周期的變化,從而以波長漂移的方式傳感環境的變化[11,12];另一類是在光纖端面制備敏感膜,敏感膜折射率受環境的影響而改變,從而以反射功率變化的形式感應環境的改變,也就是所謂的基于微透鏡原理的端面反射型光纖傳感器[13?15];還有一類是將光纖側面微加工至纖芯,在加工區鍍制敏感薄膜,根據消逝波耦合的原理,敏感薄膜由于環境導致的折射率改變會影響光纖透射功率,這也就是基于消逝波的透射型光纖傳感器[16?18];最后一類是基于Fabry-Perot(F-P)型的薄膜光纖傳感器,包括本征型和非本征型.非本征F-P型光纖傳感器是由兩段端面鍍有高反膜對準組成空氣腔的傳感器,其空氣腔易受環境干擾[19].而本征F-P型光纖傳感器是由全光纖構成,F-P結構全由薄膜組成,其中的腔層可能是無機材料,也可能是有機材料,其腔層折射率或者物理厚度受外界環境影響的變化導致F-P干涉譜的改變[20].

從另一方面講,敏感材料光纖傳感器的研究不僅包括利用新型的薄膜材料設計薄膜光纖傳感器,也包括在新型的光纖結構上利用通用的薄膜敏感材料產生新型的傳感特性,從而開發新型的薄膜光纖傳感器.例如,短周期的光纖光柵由于光纖包層的足夠厚度使得其布拉格波長不會因包層外環境折射率的改變而改變,但是采用側邊微加工技術,將光纖光柵一側的包層去掉,然后在加工區鍍制敏感薄膜材料,這樣薄膜材料受環境影響而產生的折射率改變會導致纖芯有效折射率的變化,從而引起布拉格波長的漂移[21?24].也就是說,傳統的薄膜敏感材料結合新型的光纖結構設計和微加工,同樣會產生新型的薄膜光纖傳感器.新型光纖結構的加工包括化學腐蝕、飛秒激光微加工和光纖側邊拋磨等,因此有必要系統地研究新型光纖結構設計加工和薄膜敏感材料結合而產生的新型薄膜光纖傳感器的基礎理論和關鍵技術.

2 光纖微結構與敏感薄膜物理融合的傳感原理與技術

2.1 Mach-Zehnder(M-Z)干涉型傳感器

1)理論模型

M-Z干涉型傳感器結構示意圖見圖1,纖芯中傳播的光經過微腔被分成兩路,一束光通過進入微納光纖包層,另一束則經過微結構,兩束光分別記為Iin1和Iin2,并在微結構的另一端兩束光相互疊加產生干涉[25].

圖1 M-Z干涉型光纖氫氣(H2)傳感器的結構圖Fig.1.Schematic structure of M-Z.

輸出信號為

其中,I表示干涉信號強度,Iout1和Iout2分別為上下兩條光路輸出的光強,相位差φ=2πΔneffL/λ+φ0,φ0為干涉的初始相位,λ為傳播的光波長,L為光纖激光微加工的微腔長度,Δneff=?為兩條光路的有效折射率之差.若敏感薄膜為鈀(Pd)膜,利用其吸收氫氣后體積膨脹及折射率逐漸減小的性質[26,27],將其與微結構相結合檢測環境中氫氣濃度的變化,制作干涉型光纖氫氣傳感器.當外界環境氫氣濃度發生改變時,Pd膜吸氫后體積會發生膨脹,從而改變光程差ΔneffL,使干涉條紋發生移動.

圖2 (a)M-Z腔長40μm,Pd膜厚度36 nm透射譜;(b)M-Z腔長40μm,Pd膜厚度110 nm透射譜;(c)Dip1和Dip2對應氫氣濃度變化的波長漂移率Fig.2.Normalized transmission spectra of M-Z coated with micro-cavity lengths of 40μm,(a)dfilm=36 nm;(b)dfilm=110 nm;(c)wavelength versus hydrogen concentration with different thickness of dfilm=36 nm and dfilm=110 nm.

2)實驗制備及測試結果

實驗中,利用脈寬為180 fs,中心波長780 nm,脈沖頻率1 kHz的飛秒激光器直寫光纖微結構,制備腔長為40μ膜厚度分別為36 nm和110 nm的M-Z樣品進行氫氣實驗,其光譜圖如圖2所示.從圖2可以看出,隨著氫氣濃度的增加,Dip1和Dip2的波長向長波長方向發生移動,與前面的理論分析相符.Dip1和Dip2波長漂移率分別約為0.070 nm/%和0.155 nm/%,如圖2(c)所示.由此可以看出微加工腔長為40μm,當鍍不同膜厚度為36 nm和110 nm Pd的情況下,110 nm Pd膜的樣品變化幅度比36 nm Pd膜的變化量提高了近一倍,其主要原因可能在于110 nm Pd薄膜比36 nm Pd薄膜的多濺射了約74 nm的Pd薄膜,在通入氫氣的過程中需要更多更高濃度的氫氣才會達到飽和.在實際測量過程中,36 nm Pd薄膜的響應時間大概為40 s,而110 nm Pd薄膜的響應時間90 s,由于Pd薄膜越厚,越需要更多高濃度氫氣才能達到飽和,因此也會使傳感器的響應時間變長.因此,在制作傳感器的過程中,既要考慮膜越厚其波長漂移越明顯,又要考慮其對實際響應時間的影響,綜合需要選取適當的Pd薄膜厚度.此外,利用飛秒激光加工微腔,腔長越短其損耗也會降低,但是如果腔過于小則會給后續鍍膜帶來難度,因此在制作傳感器的過程中可以根據需要選取合適的微腔腔長.

2.2 F-P干涉型傳感器

1)理論模型

利用飛秒激光微在光纖上蝕除纖芯以及纖芯附近的部分包層形成F-P微腔,如圖3所示.

圖3 F-P干涉型光纖氫氣傳感器的結構圖Fig.3.Schematic structure of F-P.

通過飛秒激光微加工的微腔界面反射率較低,因此在分析中忽略微腔中的多次反射效應.根據干涉理論,F-P干涉型傳感器的原理可表示為[28,29]

式中I0為經多次反射相干后輸出的光強,Iin表示入射光強度,R是界面反射率,λ為傳播的光波長,L為光纖激光微加工的微腔長度,n為F-P微腔的有效折射率.Pd薄膜吸氫后,對Pd薄膜產生應力從而使F-P微腔產生應變,其F-P微腔腔長變化量與氫氣濃度的關系可以表示如下[30,31]:

其中,ΔL為光纖激光微加工的微腔長度變化量,a是光纖的半徑,b為光纖的半徑a加上薄膜的厚度,r是微腔的半徑,Ei(i=1,2)分別為單模光纖和Pd薄膜的彈性模量,(E1=17×1010N/m2,E2=7×1010N/m2),x為氫氣濃度.由(3)式可以看出,當氫氣濃度發生改變時,Pd膜的厚度及有效折射率會發生改變.

2)實驗制備及測試結果

圖4 (a)F-P(L1=20μm,L2=50μm,Pd膜厚度20 nm)在不同氫氣濃度中的反射譜;(b)F-P在波長1298.42 nm對應不同氫氣濃度的波長漂移量Fig.4.(a)Normalized re flection spectra of F-P with L1=20 μm,L2=50 μm,dfilm=20 nm;(b)wavelength versus hydrogen concentration.

實驗制備的F-P干涉型光纖氫氣傳感器樣品Pd膜厚度為20 nm,其微結構如圖3所示,其中,微結構腔長L1為20μm,微腔端面到光纖端面長度L2為50μm.在室溫環境下,當氫氣濃度從0升高到8%,其反射譜如圖4(a)所示.圖4(b)是對樣品波長在1298 nm附近的波峰Peak的波長漂移曲線進行分析,在氫氣濃度分別為2%,4%,6%,8%時,其對應的波長漂移量分別為10 pm,30 pm,100 pm和150 pm,氫氣靈敏度約為?0.0195 nm/%.從圖4(b)可以看出,隨著氫氣體積濃度的增加,Peak向左移動,并且光譜強度逐漸降低,與模擬仿真分析結果相符.隨著氫氣體積濃度增加,Pd膜體積膨脹以及其拉動微腔長度變化改變其腔長,同時,Pd膜的折射率減小,整個微加工腔中的有效折射率也隨之減小.因此,F-P光程差會發生改變,波長向短波長方向漂移,譜線朝左邊移動,由此說明微加工腔中介質的有效折射率的改變占了主導因素.

3 光纖光柵微結構加工與敏感材料融合

3.1 微結構光纖光柵磁場傳感器

3.1.1 基于均分直槽FBG微結構磁場傳感器

首先利用飛秒激光在光纖光柵包層內加工均分直槽,然后采用氫氟酸(HF)清洗加工后的微結構,再在微結構表面鍍膜,制備出一種新型光纖磁場傳感探頭樣品.

假設外界引入一個磁場,磁致伸縮材料所產生的應變為ε,那么磁場所產生的應變應滿足下列公式:

式中H為磁場強度.同時,當外界產生應變時,光纖光柵中心波長漂移為

式中λB為中心波長,ΔλB為中心波長漂移量,Pe為有效彈光系數.由于磁致伸縮膜直接覆蓋于光柵的包層,因此其產生的應變將可直接傳遞到光纖光柵的應變上.結合上述兩式,可得磁場強度與波長漂移量之間的關系為

由此可知,通過光纖光柵原始中心波長以及中心波長的變化可以測得磁場強度的大小.

將制作好的傳感器樣品進行編號,編號方式為G-P-v-n(G代表直槽結構、P代表激光束能量、v代表掃描速度、n代表直槽個數),沒加工任何微結構的樣品編號為NO.

圖5 (a)不同槽數下波長漂移與磁場強度的關系;(b)不同掃描速度下波長漂移與磁場強度的關系;(c)不同激光能量下波長漂移與磁場強度的關系Fig.5.(a)The relationship between wavelength shift and magnetic field intensity with different number of grooves;(b)the relationship between wavelength shift and magnetic field intensity at different scanning speeds;(c)the relationship between the wavelength shift and the magnetic field strength under different laser power.

圖5(a)所示為不同槽數條件下波長漂移與磁場強度的關系,圖5(b)為不同掃描速度條件下探頭的磁場傳感增敏特性圖,圖5(c)所示為不同激光能量條件下波長漂移與磁場強度的關系.綜合分析圖5所示曲線,可以看出,直槽個數越多、掃描速度越小、激光能量越大,相應地,靈敏度就越高.相比較而言,直槽個數對傳感器探頭靈敏度的影響最大.

3.1.2 基于螺旋FBG微結構磁場傳感器

利用飛秒激光在光纖光柵包層加工螺旋微結構,并結合磁控濺射技術,在微結構上鍍制超磁致伸縮材料膜TbdyFe,制作出基于螺旋微結構的新型磁場傳感器探頭。實驗表明能夠有效地提高靈敏度,且所加工出的螺旋結構強度好、體積小、重量輕,操作便捷而迅速,有著良好的應用前景.

圖6 (a)FBG磁場傳感器波長漂移與磁場強度關系;(b)不同微結構FBG傳感器磁場響應曲線Fig.6.(a)The relationship between the wavelength shift and the magnetic field strength for the FBG magnetic field sensors;(b)the magnetic response curves of the FBG sensors with different microstructures.

圖6(a)為雙螺紋微結構螺距為80μm的磁場傳感器波長漂移對磁場的響應曲線.由圖6(a)可知,隨著磁場強度的增大,探頭的中心波長漂移量也隨之增大.在磁感應強度為150 mT時,雙螺紋傳感探頭的波長漂移量可達110 pm,而裸光柵的漂移量僅為20 pm,也就是說,雙螺紋探頭的靈敏度提高了5.5倍;另一方面,隨著磁場強度的增大,中心波長漂移量增加的趨勢逐漸減小,到150 mT時基本趨于穩定,這是因為超磁致伸縮材料TbdyFe的伸縮效應已經達到最大值,所以即使磁場強度繼續增加,中心波長漂移量也不會再增大.

圖6(b)為不同微結構FBG對磁場響應的曲線，可以看出,雙螺紋FBG磁場傳感探頭的磁場靈敏度比單螺紋FBG磁場傳感探頭的靈敏度高.這是因為雙螺紋微結構有上下對稱的微槽,這樣就增加了鍍膜面積,而且橫截面也相對更小,因此在同樣的磁場下,其波長漂移量更加顯著.另一方面,在雙螺紋微結構中,螺距為80μm的FBG中心波長漂移量比螺距為60μm的中心波長漂移量大,其靈敏度可達1.1 pm/mT,這說明螺紋的螺距越大,其對磁場的靈敏度也更高.這是因為螺距越大,磁致伸縮所產生的磁場力沿光纖軸向的分量也更大,因此產生的應變也相對較大,靈敏度也就越高.

3.2 微結構FBG氫氣傳感器

3.2.1 基于均分直槽FBG微結構氫氣傳感器

應用飛秒激光在FBG包層上加工了均分6直槽和8直槽微結構,隨后在槽表面鍍上520 nm的鈀/銀(Pd/Ag)復合薄膜,其比例為3:1.鍍Pd/Ag復合膜的FBG光纖氫氣傳感探頭的重復性實驗如圖7(a)所示,測試環境溫度為25°C.當氫氣濃度從0%上升至4%的過程中,中心波長有明顯的上升趨勢,響應時間相比純Pd膜FBG傳感器響應的數十分鐘縮短至200 s,原因是氫原子在加入銀含量的Pd/Ag合金膜中的滲透速率更快.響應時間和恢復時間定義為:當吸氫氣和解吸附氫氣時,信號變化達到100%所需要的時間.響應時間相對較長的原因是氫氣要滲透進較厚的Pd/Ag合金膜.當氫氣充入氣室時,氫氣首先分離成氫原子,然后滲透進Pd/Ag膜表面.當薄膜表面附近的氫原子含量飽和時,氫原子向更深處滲透.然而,在整個擴散過程中薄膜表面的氫含量保持很高的數值,這個現象導致了長的恢復時間.

圖7(b)給出了不同激光加工能量、不同鍍膜厚度的微結構傳感探頭波長漂移量隨氫氣濃度的變化關系.氫氣濃度在2%—4%時,氫氣濃度和波長漂移量基本呈現線性關系.當膜厚度為520 nm時,用75 mW和65 mW激光加工的傳感探頭的靈敏度分別為16.5 pm/%H和13.5 pm/%H;當膜厚度為260 nm時,用75 mW和65 mW激光加工的傳感探頭的靈敏度分別為12.5 pm/%H和7.5 pm/%H.無微結構的鍍520 nm膜的標準FBG的靈敏度為4 pm/%H.當氫氣濃度低于1%時,所有樣品的波長漂移量都相對較低,這是由于低的氫壓不足于迫使大量的氫原子滲透進薄膜.

圖7 (a)鍍Pd/Ag復合膜FBG波長隨氫氣濃度的變化[32];(b)波長漂移量隨氫氣濃度的變化Fig.7.(a)Three cycles of hydrogen response of microstructured FBG and coated with 520 nm Pd/Ag composite film performed at 25°C;(b)the wavelength shift of sensors fabricated with varying laser pulse power,Pd/Ag composite film thickness.

3.2.2 基于螺旋光纖光柵微結構氫氣傳感器

相比直槽微結構,在光纖包層加工螺旋微結構的FBG光纖靈敏度更大,并且加工時間更短.當包層表面鍍上氫敏感膜,可以增大鍍膜表面積,從而螺旋微結構FBG傳感器的靈敏度能夠得到很大的提高.

含銀量的增加可以抑制Pd膜吸氫后的相變,但是同時降低了Pd膜吸收氫氣的量.根據文獻[33],當Ag含量在20%—25%時,氫在Pd/Ag系統中具有最快的滲透速率.根據多次實驗測試得到鈀銀比例為4:1時,在室溫環境下,螺旋微結構傳感探頭對氫氣的響應時間最快.

圖8(a)表明樣品ss-1(螺距90μm,加工激光能量35 mW)的中心波長響應曲線,測試環境溫度室溫25°C,相對濕度32%.當氫氣濃度達到4%時,中心波長漂移量為210 pm.三次循環測試后,樣品的漂移量基本持平,有1—2 pm波動.

圖8 (a)氫氣濃度與中心波長關系;(b)不同激光能量加工樣品的波長漂移關系Fig.8. (a)Corresponding sensing responses for Pd4/Ag1FBG sensor at different hydrogen concentration;(b)performance of double spiral microstructured sensors with different laser power.

圖8(b)所示為三個樣品漂移量的比較,說明不同激光能量加工的螺旋槽傳感探頭靈敏度的區別.ss-1,ss-2,ss-3分別代表激光能量35,30和25 mW加工的樣品,螺距都為90μm.在濃度范圍1%—4%內,樣品ss-1,ss-2,ss-3的靈敏度分別為52.5,33.3,25.5 pm/%H,標準FBG的靈敏度為7 pm/%H.可以看出能量最大加工的樣品漂移量最大,相比無微結構的標準FBG樣品,ss-1的靈敏度是它的7.5倍.能量越大,加工的螺旋槽深度越深,光纖更易拉伸.同時鍍膜的表面積增加,使得光纖表面沉積的薄膜更多,吸氫后膨脹作用在光纖軸向力更大.綜合兩個方面作用,能量最大的樣品中心波長漂移量最大.

4 總 結

功能敏感材料應用于光纖傳感,通常只是將敏感材料涂覆在光纖上,利用敏感材料感知外界參量,利用波導光纖實現傳感信號的傳導.如果將光纖結構進行微結構的設計和調控,則可以通過調整微結構實現光場傳輸的調控,再結合功能敏感材料,將可以實現結構設計和材料集成在光纖上物理融合,將有望從更多的維度對傳感特性進行設計,一方面可以大大提升傳感器的傳感性能(如靈敏度),另一方面,將有望發展新型傳感技術的物理實現,為傳感技術的前沿技術提供更多發展空間.

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