基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器赵玉欣.doc

基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器赵玉欣 光子学报Acta PhotonicaSinica ISSN1004-4213,61-1235/O4光子学报网络首发论文题目基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器作者赵玉欣，姜久兴，杨玉强，王永光，卢建达，刘家成2019-06-30网络首发日期2019-09-05引用格式赵玉欣，姜久兴，杨玉强，王永光，卢建达，刘家成基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器光子学报.kns.ki./kcms/detail/61.1235.o4.20190905.0830.002.html网络首发在部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。 录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。 排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。 整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。 录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于规范进行少量文字的修改。 出版确认纸质期刊部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。 因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 光子学报ACTA PHOTONICASINICA基金项目国家自然科学基金（Nos.51777046,51672062,51575149），黑龙江省自然科学基金（No.Fxx012）第一作者赵玉欣（1995），女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感.Email:zyxjacinthe163.）导师（通讯作者）姜久兴（1960），男，教授，博士，主要研究方向为光纤传感.Email:jjx_hrbustsina.2019-06-30；录用日期2019-08-02doi:基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器赵玉欣2，姜久兴2，杨玉强1,2，王永光2，卢建达2，刘家成2（1哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,哈尔滨150080）（2哈尔滨理工大学理学院,哈尔滨150080）摘要为了实现液体折射率的高灵敏度测量，提出并制备了一种基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器。 该传感器由法布里-珀罗传感腔和法布里-珀罗参考腔并联构成，其中，传感腔为开放腔，由单模光纤错位熔接制得，参考腔为封闭腔，由单模光纤与空芯光纤熔接制得。 传感器和参考腔的自由光谱范围相近，但不相等，双腔反射光经光纤耦合器后叠加产生游标效应，达到增敏的效果。 实验结果表明，该传感器的折射率灵敏度约为9048.78nm/RIU，约是单个传感腔的8倍。 该传感器具有灵敏度高、结构简单、易于制备、成本低廉的优点，在生物医疗、环境检测等领域有潜在的应用前景。 关键词光纤传感器；法布里-珀罗干涉仪；游标效应；液体折射率；光纤传感；错位熔接；并联0436.1A ASensitivity-enhanced All-fiber-optic LiquidRefractive IndexSensor Basedon Vernier Effect ZHAOYu-xin2,JIANG Jiu-xing2,YANG Yu-qiang1,2,WANG Yong-guang2,LU Jian-da2,LIU Jia-cheng2(1The HigherEducational KeyLaboratory forMeasuring&Control Technologyand Instrumentationsof HeilongjiangProvince,Harbin Universityof Scienceand Technology,Harbin150080,China)(2School of Science,Harbin UniversityofScienceand Technology,Harbin,150080,China)Abstract:In orderto realizethe high sensitivity measurement of theliquid refractive index,a sensitivity-enhanced all-fiber-optic liquidrefractive index sensor based on verniereffect isproposed anddemonstrated.The sensoris posedof a Fabry-Perot sensingcavity andaFabry-Perot reference cavity in parallel.The sensingcavity is an opencavity madeby offset splicing of single mode fiber,and thereference cavityisasealed cavity,which isfabricated byfusion splicingofsinglemodefiberand hollowoptical fiber.The free spectral rangesof thetwo Fabry-Perot cavitiesare similar,but notequal.Vernier effectis generatedwhen thebeams aresuperimposed viaa fibercoupler toachieve thesensitization effect.Experimental resultsshow thatthe refractive index sensitivityof theproposed sensoris about9048.78nm/RIU,which isabout8times thatof asingle sensingcavity.Due tothe advantagesof high sensitivity,simple structure,easy preparation and lowcost,the sensorhas potentialapplication foregroundin chemicaland biomedicaldomain.Key words:Optical fiber sensor;Fabry-Perot interferometer;Vernier effect;Liquid refractive index;Optical sensing;Offset splicing;In parallelOCIS Codes:060.2370;120.2230;300.6170;130.6010网络首发时间2019-09-0510:50:07网络首发地址kns.ki./kcms/detail/61.1235.o4.20190905.0830.002.html光子学报0引言在工业、农业、医疗、食品加工生产等方面，液体折射率(Refractive Index,RI)的测量必不可少1-5，光纤液体RI传感器因其具有抗干扰能力强、耐腐蚀、可远距离探测等优点而倍受用户青睐4-8。 其大体可以分为光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)型5-8、马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型9-13、迈克尔孙干涉仪型14,15、光纤光栅型16-18和表面等离子体型19,20等。 其中，FPI型液体RI传感器以结构紧凑、稳定性好和空间分辨率高等优点尤其受到关注。 通常情况下，FPI型液体RI传感器的灵敏度约1100nm/RIU左右。 例如，RAN Zeng-lin等5和LIAO Chang-rui等6提出的基于飞秒激光加工光纤微腔的液体RI传感器，其灵敏度分别为1130.887nm/RIU和994nm/RIU；WU Sheng-nan等7采用蚀刻边孔光纤法制备的微流RI传感器，其灵敏度可达1251nm/RIU；TIAN Jia-jun等8研制的基于微结构光纤制作的液体RI传感器，其灵敏度为1051nm/RIU。 上述液体RI传感器灵敏度都相对较低，且制作工艺比较复杂，成本较高。 游标效应游标卡尺，是利用主尺与游标尺刻度之间的微小差距，来提高测量灵敏度。 近年来，游标效应作为一种有效增敏手段被成功应用到光学检测中。 对于FPI传感器，通过将传感腔与参考腔级联产生游标效应是提高灵敏度的最佳选择。 QUAN Ming-ran等21提出了三面反射集成式双腔级联结构，用于气体RI传感，实现了游标效应，其灵敏度相对于单腔结构提高了其灵敏度提高了约31.5倍。 然而，该传感器不适用于液体RI测量，因为被测液体难以通过光子晶体光纤的气孔进入且充满传感腔，导致传感腔内有气泡残留，影响测量结果。 ZHANG Peng等22和ZHANG Jin等23提出了四面反射分离式双腔级联结构分别用于应变和温度检测，其灵敏度相对于单腔结构分别提高了约29.5倍和24倍。 但是，这两种分离式传感器所使用的传感腔均为封闭腔，被测液体难以自由出入，因此，无法实现液体折射率测量。 本文提出了一种基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器，该传感器由传感腔和参考腔并联构成。 参考腔为封闭腔，由单模光纤与空芯光纤熔接而成；传感腔为开放腔，由单模光纤错位熔接的方法制成。 该传感器具有以下优点1）被测液体可自由出入传感器，腔内无气泡残留；2）并联结构使得传感腔和参考腔可分别单独制作，互不干扰；3）并联结构便于同一传感腔与不同腔长的参考腔结合，对不同折射率范围的液体进行测量。 该传感器在生物医疗和环境监控等领域有潜在的用途。 1并联双腔制备及其工作原理并联双腔结构如图1所示，传感腔（Sensing FPcavity）和参考腔（Reference FPcavity）分别连接在22光纤耦合器（Coupler）的两个输出端上构成并联结构。 参考腔为封闭的空气腔，是在两段单模光纤之间熔接一段特定长度空芯光纤制成23。 传感腔为开放腔，由单模光纤错位熔接的方法获得24，所用单模光纤参数为125m和8.2m，所用熔接机型号为Fujikura80S，具体步骤为1)将两段单模光纤错位熔接，错位量约为73.6m；2)将其中一根单模光纤切割成需要的长度；3)将该切割端与另一根单模光纤错位熔接，选择的错位量与步骤1)的错位量大小相同。 为了增强开放式传感FP腔的稳定性，实验中将开放式传感腔和参考腔同时固定在石英片（Quartz wafer）上。 由于光纤端面反射率较低（小于4%），因此传感腔和参考腔的反射谱均可看作典型的双光束干涉，其反射光强I1和I2分别表示为21()221112cos4/I AB ABn L?=+ (1)()222222cos4/I CD CDn L?=+ (2)式中，A=R11/2，B=(11)(1R1)R21/2，C=R31/2，D=(12)(1R3)R41/2；R 1、R 2、R3和R4分别为反射面M 1、M 2、M3和M4的反射率；1和2为传感腔和参考腔的腔内损耗；n1和n2分别为传感腔和参考腔内物质的RI；L1和L2分别为传感腔和参考腔的腔长，为输入光波长。 赵玉欣，等基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器Reference FPcavitySensing FPcavityIsolatorCouplerBBS:Broadband sourceOSA:Optical spectrumanalyzerFP:Fabry-PerotOSABBSM4M3M1M2Quartz wafer图1液体RI测量的实验装置Fig.1The experimentsetup ofliquid RImeasurement(a)Single sensingcavity(b)Reference cavity(c)Double cavities in parallel图2实验仿真反射光谱以及反射光谱的移动Fig.2Simulation experimentresults ofreflection spectrumand themovement ofthe reflectionspectrum传感腔和参考腔并联后的干涉谱包络I r表示为23()112242cosrn Ln LIE a?=+ (3)式中，E为常数，a为包络的振幅。 为了产生游标效应，传感腔和参考腔的FSR应相匹配，即FSR1与FSR2接近但不相等，此时，双腔叠加干涉谱会产生周期性包络，包络的自由光谱范围FSR envelope为23envelope11212/FSR FSRM FSR FSRFSRFSR=?=? (4)式中，M为放大倍率；FSR1=2/2n1L1和FSR2=2/2n2L2分别为传感FP腔和参考FP腔的FSR。 光子学报当传感腔干涉谱随腔内折射率变化而移动时，干涉谱包络随之移动，且移动量约为单个传感腔频移量的M倍，即双腔级联时产生游标效应，对灵敏度有放大作用，反射谱包络的移动量可以表示为ess1nM Mn?=?=? (5)式中，e为双腔级联反射谱包络移动量，s为单个传感腔频移量。 为了更加直观的说明游标效应，对该传感器进行了仿真，仿真参数为L1=163.85m，L2=199.99m，n1=1.333，n2=1.000，R1=R2=R3=R40.036，1=2=0.1，E0=1。 根据式 （4）计算可知，该传感器的放大倍率M等于12。 图2（a）、（b）和（c）分别给出了单个传感腔、单个参考腔和并联双腔的反射谱。 从图2中可以看出传感腔FSR1=5.5nm，参考腔FSR2=6.0nm。 若传感FP腔内n1增加0.00086时，单个传感腔干涉谱红移了1nm，如图2（a）所示。 双腔并联时的反射谱则红移了12nm，如图2（c）所示，双腔并联反射谱包络移动量是单个传感腔反射谱的12倍，与理论计算相符。 2实验结果及分析液体RI测量实验装置如图1所示。 宽谱光源（Broadband Surce,BBS）发出的信号光通过隔离器（Isolator）后经50:50的光纤耦合器分别进入传感腔和参考腔，反射光经50:50的光纤耦合器叠加后由光谱分析仪(Optical spectrumanalyzer,OSA)接收。 实验中制备的传感腔与参考腔的腔长分别为L1=166.8m、L2=196.9m。 图3为传感腔和参考腔以及它们并联后的干涉谱，由图3可知，传感腔和参考腔的自由光谱范围分别为FSR1=5.40nm和FSR2=6.10nm，而并联双腔干涉谱包络的自由光谱范围为FSR envelope=45.90nm；传感腔与参考腔并联后产生了游标效应，由式 （4）计算可得游标效应的放大倍率为M=8.7。 对比图3（c）和图2（c）可知，实验所得并联双腔干涉谱包络的消光比明显低于仿真结果，这是由于仿真过程中假设传感腔与参考腔的损耗相同，而实际上，传感腔和参考腔的损耗不同所致。 传感腔与参考腔的腔内介质不同导致两腔的损耗不同。 此外，制作工艺差异也会导致两腔的损耗不同。 为了进一步验证并联双腔的RI传感特性，配置了不同浓度的蔗糖溶液，经阿贝折射计（WAY-2WAJ,Shanghai CSOIFco.,LTD）测量后得到RI的范围为1.33301.3381，间隔约为0.0007。 实验中将浸入蔗糖溶液传感腔放入控温精度为0.5的温控箱中，将温控箱温度调节到20，等待10min之后再进行测量。 为了更加清晰的对比并联双腔和单个传感腔的RI传感特性，图4给出了单个传感腔和并联双腔均注入折射率分别为1.3330和1.3366的蔗糖溶液时的反射谱，当蔗糖溶液折射率由1.3330增大到1.3366时，单个传感腔和并联双腔的反射谱均产生红移，但并联双腔红移量（32.00nm）要远大于单个传感腔红移量（4.04nm）。 单个传感腔和并联双腔的RI灵敏度如图5所示，由图5可知，单个传感腔的RI灵敏度为1121.53nm/RIU，而并联双腔的RI灵敏度为9048.78nm/RIU，约是单个腔的8倍，与理论值8.7基本一致。 (a)Single sensingcavity,n1=1.333(b)Reference cavity赵玉欣，等基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器(c)Double cavitiesin parallel图3传感腔和参考腔及并联双腔干涉谱Fig.3Reflective spectra of sensingcavity,referencecavityand theirparallel structure(a)Single sensingcavity(b)Double cavitiesinparallel图4单腔和并联双腔干涉谱Fig.4spectraofsingle cavityand doublecavitiesinparallel光子学报图5干涉谱随折射率平移量Fig.5Wavelength shiftversus RI3结论本文提出并制备了一种游标效应增敏型全光纤液体折射率传感器，该传感器由传感腔和参考腔并联构成。 参考腔为封闭腔，由单模光纤和空芯光纤熔接而成；传感腔为开放腔，由单模光纤错位熔接法制备而成。 当传感腔与参考腔的自由光谱范围相近但不相等时，双腔并联可产生游标效应，大幅提高折射率测量的灵敏度。 实验结果表明该传感器的液体折射率测量的灵敏度约为9048.78nm/RIU，约是单个传感腔的8倍。 该传感器具有灵敏度高，结构简单，易于制作，制作成本低廉等优点，可以应用到工业生产，医疗检测，环境监控等领域。 参考文献1WANG Jian-feng,SHEN Chang-yu,LU Yan-fang,et al.Liquid refractive index sensor based ona polarization-maintaining 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