摘 要：采用相位掩模法，在未经载氢处理的色散补偿光纤上刻写出多个满足相位匹配条件的光纤布喇格光栅。经过化学腐蚀法处理，分别制作了直径为∅20 μm、∅17.5 μm的微纳光纤光栅，实验研究了其布喇格波长与折射率的变化关系。结果表明，在实验溶液折射率测量范围内，传感器高阶模谐振波长与溶液折射率之间均呈现良好的拟合关系，折射率线性拟合灵敏度最高为28.6 nm/RIU。此外，实验发现满足光纤光栅相位匹配条件的模式阶次越高，传感器对周围溶液变化感应能力越强。
关键词：光纤光栅；色散补偿光纤；微纳光纤光栅；高阶模式；折射率
0 引言
折射率是反映介质材料特性的一个重要物理参量，长期以来在传感领域有着广泛的应用[1-3]。微纳光纤光栅较强的倏逝场以及波长选择特性，使其作为折射率测量传感元件时具有灵敏度高、测量范围广、安全环保、易集成及可实时在线监测等优点。A. Iadicicco等[4]采用化学腐蚀法制作了不同直径的微纳光纤光栅，并对其折射率传感特性进行了实验研究，在折射率范围1.333～1.450内测量分辨率最高可达10-5。实验[5-6]验证了微纳光纤光栅中耦合模的阶次越高，折射率灵敏度越大这一现象，为微纳光纤光栅折射率传感研究提供了重要依据。RAN等[7]实验得出光信号在微纳光纤光栅中单模传输时，折射率灵敏度随着光纤直径的减小而显著提高。文献[8-10]不仅从理论上验证了这一结论，且再次提供了实验支撑。
虽然研究[4-10]都取得了不错的成果，但微纳光纤光栅折射率传感尚处于不成熟阶段，仍需进一步深入研究。本文使用准分子激光器结合相位掩模法，在未经载氢处理的色散补偿光纤上刻写出多个满足光栅布喇格方程的窄带反射光栅，经过氢氟酸溶液对其部分包层腐蚀后，制作出直径分别为
20 μm和17.5 μm的微尺寸光纤光栅，实验监测了传感器波长-折射率的传感特性，最高灵敏度可达28.6 nm/RIU。该传感器具有工作频谱范围广、灵敏度高、测量范围广及结构小巧、紧凑等优点，可广泛应用于生物、化学传感等领域。
1 光纤光栅折射率传感原理
根据耦合模方程可知，光波在光栅中传输时[11-12]，有
(1)
(2)
式中
分别为第S阶后向和前向传播模式的光场能量；κ为模式间的耦合系数；Δβ为相位匹配条件；z为光波沿光栅栅区轴向传输的距离。
由式(1)、(2)可得，光栅相位匹配条件为
Δβ=
-βS
(3)
λ=2neff·Λ
(4)
式中：βS和neff分别为光纤中第S阶模式的传播常数及有效折射率；Λ为光栅周期；λ为光栅布喇格中心波长。
由式(4)可看出，只有模式的有效折射率和光栅周期会直接影响光纤布喇格波长的变化；单模光纤仅存在一个neff，即基模有效折射率。相反，与基模光纤光栅相比，对于少模或多模光纤，光束传播时有可能存在两个或以上同时满足相位匹配条件的模式，模式阶次越高，有效折射率越小，对应的光栅布喇格波长形成在短波区域。
温度一定时，对于特定周期的光纤光栅，周围环境折射率发生变化引起的光栅布喇格中心波长漂移量为
Δλ=2Δneff·Λ
(5)
通过光纤光栅的布喇格波长变化可实现外界环境折射率的传感监测。
2 光纤光栅的制作及实验研究
本文采用193 nm的相位掩模法，在未经载氢处理的色散补偿光纤上刻写出多个同时满足相位匹配条件的光纤布喇格光栅。图1为光纤光栅刻写系统装置，制作过程中使用工作气体为氟化氩、波长为193 nm的准分子激光器，脉冲频率设置为40 Hz，相位掩模板周期为刻写的光纤光栅周期的2倍，为1 077. 51 nm。刻写过程中，通过光谱仪实时监测光纤光栅的反射谱变化。
图1 光纤光栅刻写系统
实验对传感器折射率传感特性进行了研究，结果发现外界环境溶液折射率发生变化时，光纤光栅的布喇格中心波长漂移量并不明显。为了进一步提高传感器折射率灵敏度，使用氢氟酸溶液对其部分包层进行腐蚀，通过光谱仪实时监测布喇格反射波长的变化。为了降低操作过程中氢氟酸对人体健康的危害，实验使用的装置如图2所示。室温条件下，同一光纤光栅，氢氟酸溶液溶度越小，腐蚀时间越长，传感器机械性能越好。为了易于控制实验操作，同时制作出结构性能较好的传感器，实验选用了质量分数为10%的氢氟酸腐蚀液。腐蚀过程中，随着光纤直径的减小，满足相位匹配条件的部分高阶模式对应的布喇格反射波长逐渐消失。
图2 微纳光纤光栅制作及折射率传感装置
实验最终制作了直径分别为20 μm和17.5 μm的微纳光纤光栅。图3、4为不同波长处光栅布喇格波长对应的反射功率图。使用蔗糖配制的溶液的折射率分别为1.344 0、1.349 6、1.356 5、1.363 8、1.369 4、1.374 0、1.379 1、1.387 5、1.389 9、1.396 0、1.397 5，测量了高阶模式对应的光纤布喇格波长漂移量与折射率之间的关系。
图3 直径为20 μm的微纳光纤光栅反射谱
图4 直径为17.5 μm的微纳光纤光栅反射谱
图5为直径20 μm的微纳光纤光栅在波长1 537 nm、1 546 nm附近反射光谱对应的折射率变化拟合曲线。图6为直径17.5 μm光纤光栅在波长1 530 nm、1 542 nm附近的波长-折射率响应拟合曲线。实验发现，折射率测量范围内，传感器波长和折射率变化之间具有良好的二次曲线关系，拟合度R2(R2表示实验数据与拟合函数之间的吻合程度。其值越接近1，吻合程度越高，越接近0，则吻合程度越低。)均高达99%以上；同时，其波长-折射率之间也具有一定的线性关系，R2均在93%以上。直径20 μm的微纳光纤光栅布喇格波长在1 537 nm、1 546 nm附近的线性折射率灵敏度分别为22.12 nm/RIU、8.60 nm/RIU；直径17.5 μm的微纳光纤光栅布喇格波长在1 530 nm、1 542 nm附近的线性折射率灵敏度分别为28.60 nm/RIU、11.43 nm/RIU。由此得出，一定直径尺寸的光纤光栅，形成布喇格波长的模式阶次越高，对周围环境折射率的感知能力越强，灵敏度越高。
图5 直径20 μm的光纤光栅波长-折射率二次拟合曲线
图6 直径17.5 μm的光纤光栅波长-折射率二次拟合曲线
3 结束语
本文在色散补偿光纤上，刻写出多个满足相位匹配条件的光纤布喇格光栅，该过程无需对光纤进行载氢处理，有效简化了光纤光栅的制作程序。经过质量分数为10%的氢氟酸腐蚀后，制作了直径分别为20 μm、17.5 μm的微纳光纤光栅，实验研究了其波长与折射率的变化关系。在实验折射率测量范围内，传感器波长与溶液折射率之间具有良好的曲线拟合关系，其灵敏度随着耦合模式阶次的增大而有所提高。
