基于空芯光纖的復合雙腔光纖法珀鹽度傳感器

牛慧莉，王 偉,，申佳鑫，黃 盼，栗曉爽

（1.西安工業大學 兵器科學與技術學院，陜西 西安 710021；2.西安工業大學 光電工程學院，陜西 西安 710021；3.西安冠華電子科技有限公司，陜西 西安 710089）

引 言

鹽度是重要的水體參數之一，也是監測水質的重要因素。鹽度測量在化學和生物分析、海洋環境監測、生產過程控制、季節性氣候預測、生態系統保護和許多工業領域等[1-3]都起著重要的作用。

研究者與工程技術人員已提出多種測量鹽度的方法和技術，較為成熟的方法有折射率法[4]、電導率法[5]、表面等離子共振法[6]、硝酸銀滴定法[7]等。這些方法應用范圍廣泛，經過多年的發展，具有響應時間短、測量精度高、信號易于處理和控制等優點。但是，這些方法也存在著長期穩定性和互換性差的缺點，且表面等離子共振法的測量系統結構復雜、成本費用較高，硝酸銀滴定法需要實驗室分析或對環境參數敏感，電導率法會易受到電磁干擾的影響[8-9]。

近年來，光纖傳感技術快速發展，與傳統電學傳感技術相比有很多不可替代的優勢，如結構緊湊、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、響應速度快、抗電磁干擾、穩定性好、適用惡劣環境、使用靈活等[10]。光纖傳感技術也被提出用于鹽度測量，目前光纖鹽度傳感測量技術主要為剝層光纖法和光纖光柵法：剝層光纖法是用一根多模光纖（單模光纖也可以，多模光纖會更好），剝去包層和保護層，形成彎弧，浸入溶液中，通過測量折射率間接測量出鹽度[11]；光纖光柵也可用于鹽度測量[12]，光纖光柵作為傳感器是利用應力-透射/反射光譜特性，即在應力作用下，光纖光柵周期發生伸長或縮短，從而引起反射光譜中心波長改變，實現傳感，當將光纖產生應力的敏感器件由鹽度敏感的材料做成，即為光纖光柵法鹽度測量傳感器。基于這些光纖鹽度傳感測量技術原理，不同類型的光纖鹽度傳感器也相繼被提出[13]，Cong等[14]制作了基于drogel涂層光纖布拉格光柵鹽度傳感器，Liu等[15]通過蝕刻涂覆層優化了相同的結構，獲得了約10.4 pm/%的靈敏度，并且制造復雜。2019年，Sun等[16]提出了基于光纖布拉格光柵（FBG）鹽度傳感器的實驗研究并獲得了-0.035 8 nm/%的靈敏度。盡管FBG傳感器具有簡單的結構并適合于長期測量過程，但它們的靈敏度非常低。2020年，Lin等提出了一種基于單模光纖-單模光纖-無芯光纖-單模光纖-單模光纖（SSNSS）結構的光纖鹽度傳感器，通過測量溶液折射率達到測量鹽度值，其靈敏度可以為-3.42 nm/%[17]，此方法測量鹽度的靈敏度有了一定的提高，但是存在制作復雜的問題。因此，研究一種制作簡單、靈敏度高的鹽度傳感器具有重要意義。

本文提出并設計了一種基于空芯光纖的單模光纖-空芯光纖-單模光纖（SMF-HCF-SMF）復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，由于通過HCF段空氣腔與SMF段介質腔所對應的反射光譜干涉信號的振幅之比對鹽度進行測量，故可有效剔除光源功率起伏以及其他外部干擾的影響，實現鹽度的高靈敏度測量。

1 結構與制作

所提出的基于空芯光纖的SMF-HCF-SMF復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器，由一段SMF、一段HCF和一段一定長度的SMF構成，如圖1所示。其中，R1為SMF段后端面與HCF段空氣腔前端面的界面反射率，R2為HCF段空氣腔后端面與一定長度SMF段介質腔前端面的界面反射率，R3為一定長度SMF段介質腔后端面與NaCl溶液的界面反射率。HCF部分長度為幾十微米量級，其兩端的SMF端面相互平行構成一個空氣腔，HCF右側SMF長度為百微米量級，其兩個端面平行且垂直于SMF軸線，構成一個介質腔。

圖1 基于空芯光纖的復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器結構簡圖Fig.1 Structure diagram of composite dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core Fiber

SMF-HCF-SMF結構的復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器的基本制作流程如下。

步驟一：去除兩根單模光纖以及空芯光纖的端面附近的涂覆層后，使用光纖切割刀切除裸光纖的不平整端面，并做拋光處理，保證光纖端面絕對平整并嚴格垂直于光纖軸線；

步驟二：使用熔接機將一根切平端面的SMF與切平端面的HCF熔接；

步驟三：在光學顯微鏡下使用五維精密調節架精準調節熔接之后的HCF在光纖切割刀刀口上的位置，切割出所需長度空芯光纖；

步驟四：將此結構再與另一根切平端面的SMF熔接，在顯微鏡下使用光纖切割刀切割得到所需長度的SMF，形成SMF-HCF-SMF結構的復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器。

根據上述制作方法，使用內徑為75 μm，外徑為125 μm的空芯光纖與包層直徑為125 μm的標準單模光纖制作了基于SMF-HCF-SMF結構的法布里-珀羅光纖鹽度傳感器，如圖2所示，其中HCF部分構成的空氣腔長度為39 μm，SMF部分介質腔腔長為560 μm。

圖2 基于空芯光纖的復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器顯微圖Fig.2 Micrograph of compoud dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

2 鹽度傳感原理

復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器三個界面的反射率分別為

式中：nSMF為單模光纖折射率；nair為空芯光纖空氣腔折射率；nNaCl為NaCl溶液折射率。由于nSMF為1.468 2，nair為1，常溫下nNaCl通常介于1.33～1.38之間，故由式（1）和式（2）知復合雙腔三個界面的反射率遠小于1，因此兩個法珀腔均可視為低細度法珀干涉儀。如果光譜功率密度為Ii(λ) 的寬帶光照射進入該傳感器，干涉光可近似為

其中，

式中：I0(λ) 代表了基底光譜功率密度，其光譜形狀與光源一致；IHCF(λ) 、ISMF(λ) 和IHCF+SMF(λ)分別代表HCF段空氣腔、SMF段介質腔以及HCF與SMF兩段所組成法珀腔前后界面的FP干涉信號光譜功率密度，F-P干涉信號均為幅值固定的余弦信號。式（5）與式（6）中IHCF(λ) 與ISMF(λ)的光譜功率密度振幅比為

由于nHCF和nair為常數，顯然，光譜功率密度振幅之比 η 僅為NaCl溶液折射率nNaCl的函數，與光源光譜無關，也不受光強擾動的影響，并且在nNaCl變化較小時，與nNaCl成正比。參考前人研究所得NaCl溶液鹽度與其折射率nNaCl的正比關系[18]

式中S為鹽度。可知 η 是NaCl溶液鹽度S的函數， η 的變化量與鹽度S變化量成正比關系。因此，通過獲取該復合雙腔法珀傳感器的反射光譜，計算得到HCF段介質腔與SMF段空氣腔對應光譜功率密度振幅比 η ，可以實現鹽度傳感測量。該測量結果不受光源功率起伏或外部擾動引起光強變化的影響。

但是，由于復合雙腔法珀鹽度傳感器的反射光譜信號較為復雜，很難通過直接獲取光譜功率密度振幅的方式得到其比值 η ，為此結合傅里葉變換與濾波的方法進行信號處理。首先，將由光譜儀獲取的反射光譜信號由波長域變換至頻域，并通過插值處理，使之成為等頻率間隔的離散信號；然后，采用帶通濾波和反傅里葉變換分別獲取HCF段空氣腔和SMF段介質腔對應的頻域干涉信號；最后，獲取兩個頻率干涉信號的幅值，并計算得到其振幅比 η 。

3 實驗與分析

為驗證并測試所提出復合雙腔光纖鹽度傳感器的性能，搭建了如圖3所示的鹽度實驗測量系統，該系統由寬帶光源、光纖環行器、復合雙腔光纖鹽度傳感器以及光譜分析儀（OSA）構成。其中，寬帶光源為超輻射發光二極管（SLD），最大輸出功率5.7 mW，中心波長1 568 nm，3 dB帶寬約為90 nm，輸出光譜為高斯型，如圖4所示。光譜分析儀（OSA）采用日本Anritsu公司生產的高精度光纖光譜分析儀（MS9740A），其光譜測量范圍為0.6～1.75 μm，最高波長分辨率可達0.03 nm。復合雙腔光纖鹽度傳感器，通過光纖夾持器固定于機械升降臺上，并垂直伸入盛放于玻璃燒杯中不同配比的NaCl溶液里。實驗中，NaCl溶液鹽度范圍為0%～24%。

圖3 復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of compound dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensing experimental system

圖4 SLD光源輸出光譜Fig.4 Output spectrum of the SLD

SLD光源發出的寬帶光，通過光纖環行器后，照射進入復合雙腔光纖鹽度傳感器，其中部分光被傳感器空氣腔和介質腔的三個界面反射并發生干涉，該部分反射光由光纖環形器2端口返回，并由3端口出射至光譜分析儀。通過光譜分析儀獲取的復合雙腔的反射光譜，進行分析處理，獲取空氣腔和介質腔光強對比度之比，從而得到鹽度信息。

室溫下，對鹽度間隔為3%、范圍為0%～24%的9組不同鹽度的NaCl溶液進行了測量，鹽度為0%、12%、24%時的歸一化反射光譜如圖5所示。該反射光譜表現出了明顯的復合雙腔的光譜特征，為一個收到快速振蕩信號調制的緩變多峰干涉光譜。其中，緩變的多峰值干涉光譜來源于腔長較短的HCF空氣腔，快速振蕩的光譜調制信號來源于腔長較長的SMF介質腔。可以看出，光譜峰峰間隔不受鹽度變化影響，鹽度變化影響主要體現在快速振蕩的光譜調制信號的幅值，即主要影響介質腔的對比度大小，這與理論預期相符。通過測量介質腔的光譜信號對比度，可以實現對鹽度的監測。

圖5 鹽度為0%、12%和24%時復合雙腔F-P鹽度傳感器的歸一化反射光譜Fig.5 Normalized reflection spectra of the dual-cavity F-P salinity sensor for three different salinity of 0%, 12%, and 24%.

不同鹽度NaCl溶液的反射光譜進行傅里葉變換結果如圖6所示，共存在三個峰。峰1、峰2和峰3分別對應39 μm的HCF段空氣腔、560 μm的SMF段介質腔以及HCF與SMF共同構成的F-P腔。從圖中亦可明顯觀測到NaCl溶液鹽度變化對反射光光譜功率密度振幅的影響。通過濾波處理并進行反傅里葉變換，分別得到峰1和峰2對應的干涉光譜信號，如圖7所示。顯然NaCl鹽度的變化，只影響光譜振幅，不改變干涉光譜的相位。通過獲取不同鹽度條件下，圖7（a）和（b）兩組干涉光譜的幅值并計算得到振幅比 η ，振幅比 η 與鹽度之間的關系曲線如圖8所示，兩者之間有著良好的線性關系，并且隨著鹽度的增大，振幅比 η 線性增大。通過線性擬合，可得其鹽度測量的靈敏度為0.101 %-1，對應線性度R2為0.985 6。

圖6 傳感器空間頻域光譜Fig.6 Spatial frequency spectrum of the sensor

圖7 反傅里葉變換后余弦信號Fig.7 Cosine signal after inverse Fourier transform

圖8 基于空芯光纖的復合雙腔法布里-珀羅光纖鹽度傳感器光強幅值比與鹽度關系曲線Fig.8 The relationship curve of light intensity amplitude ratio and salinity of composite dual cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

4 結 論

本文提出了一種基于空芯光纖的SMF-HCFSMF復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，利用不同鹽度NaCl溶液引起的折射率變化對反射光譜干涉信號的影響，以及兩信號幅值之比與鹽度的線性關系，實現鹽度測量。采用精密切割與光纖熔接技術制備了HCF空氣腔長度為39 μm和SMF介質腔長度為560 μm的復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器，并進行了鹽度測量實驗。結合傅里葉變換、帶通濾波與反傅里葉變換的方法對光譜信號進行處理，在0%～24%的鹽度范圍內獲得了反射光譜信號振幅比與鹽度的良好線性關系，其測量靈敏度達到了0.101 %-1，該SMF-HCF-SMF復合雙腔法珀光纖鹽度傳感器具有易于制造、結構緊湊、靈敏度高和抗干擾能力強的優點。