端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感器

1 引 言

光纤传感器具有精度高、体积小、抗电磁干扰和耐腐蚀性等优点，因此在医疗[1]、地质探测[2]、航海[3]等领域得到了广泛应用。例如，法布里-珀罗(F-P)型光纤温度传感器自20世纪80年代起被广泛应用于军事和民用领域。在恶劣环境以及特殊工业领域，微型F-P光纤温度传感器也发挥着重要作用[4]。目前，常用传感器有热电偶和红外测温传感器。热电偶的导线很容易腐蚀，从而导致短路，同时制作成本高昂、工序复杂[5-6]；红外测温仪的测量结果容易受到背景辐射、测量距离和气体组成等因素的影响[7-9]。因此，结构稳定、成本低廉、抗干扰能力强的微型F-P光纤温度传感器有很好的应用前景。

微型F-P光纤温度传感器大体分为本征型和非本征型两种。国内外学者对此类传感器进行了广泛研究。Hae Young Choi等人设计了基于光子晶体光纤和空芯光纤的温度传感器，其线性度良好[10]。刘加萍等人利用石英毛细管制备温度传感器，其灵敏度为6.083 pm/℃[11]。Xinpu Zhang等人利用布拉格光栅和空气腔制备成微型温度传感器，其灵敏度可以达到7.82 pm/℃[12]。Zhenshi Chen等人利用超细纤维制作高精度温度传感器，其灵敏度为13.6 pm/℃[13]。Haihu Yu等人利用光子晶体光纤构造出F-P腔体，使得温度传感器的灵敏度达到15.61 pm/℃[14]。Jun-Long Kou在光纤尖端利用激光刻蚀了空气孔形成F-P腔体，温度传感器的灵敏度达到20 pm/℃[15]。现有的F-P测温研究工作已有了很好探索，但其灵敏度等方面还需要进一步提升。

本文将单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)和无截止波长光子晶体光纤(Endlessly Photonic Crystal Fiber，EPCF)进行特殊程序熔接，通过多次熔接实验，改变相应熔接参数探究出最佳熔接效果；同时将多模光纤一端进行刻蚀，制备出微型双F-P光纤温度传感器结构。为了探究传感器的温度特性，进行了温度测试实验。结果表明，干涉光谱呈现明显红移，且波谷偏移量与温度呈线性关系，灵敏度也相对较高。简洁的传感单元使得制作工艺简单，成本低廉；同时传感器又是全光纤结构，从而使稳定性、抗腐蚀性及抗干扰能力得以保障。该传感器对比于同类型F-P型温度传感器灵敏度得到有效提升；与热电偶和红外测温仪传感器相比，本研究提出的传感器在恶劣环境以及特殊工业领域小范围温度测量时干扰更少，测试结果更加可靠。

2 理论分析

传感器的基本原理如图1所示。光束经过两个F-P腔后被多次反射，三块平行的反射镜面形成两个光学谐振腔。在检测信号过程中，一束光经过第1个镜面反射一部分光，透射另一部分光进入第2反射镜面；再在第2端面反射一部分光，透射另一部分光进入第3个反射镜面，再在第3个镜面反射一部分光。因此I10(第1镜面反射的光束)和I20(第2镜面反射的最终回到SMF中的光束)以及I30(第3镜面反射的最终回到SMF中的光束)形成干涉光谱，从而可以通过检测反射波的信息来判断调制信号，将多光束简化为三光束反射后光干涉的情况，其光强I0为[16-19]：

(1)

其中：Δφ1，Δφ2，Δφ3分别表示对应相叠加两束光的相位差。当传感器置于温度变化的环境中，光纤的热光效应和光纤的热膨胀效应会直接引起上述因素的变化，从而产生相位变化(忽略泊松效应)[20]。

图1 传感探头示意图
Fig.1 Schematic diagram of sensor probe

当任意两相邻光束的相差Δφ满足如下条件时，呈现干涉相消。

Δφ=4ndπ/λ=(2m+1)π，

(2)

其中：n是腔内介质折射率，λ为入射光的波长，d是腔面间距，整数m代表干涉光谱的级次。即当观测某一个确定波谷值时，波谷会随着n和d的变化而变化。

由温度引起的相位变化为：

Δφ=ΔφL+Δφn，

(3)

其中ΔφL，Δφn分别为光纤长度变化产生的相位变化(热膨胀效应)及光纤折射率变化产生的相位变化(热光效应)。

当长度变化为ΔL时，相位变化量[18-19]为：

(4)

当折射率变化为Δn时，相位变化量为：

(5)

两者都是由于温度变化引起的相位改变，因此温度改变为ΔT时相位变化为：

Δφ=ΔφL+Δφn=

(6)

(7)

式中：∂L/∂T为光纤热膨胀系数，∂n/∂T为光纤折射率随温度变化的系数。由式(7)可以看出，在相同干涉级下，波长的移动正比于温度的变化。

3 温度传感实验

3.1 传感器制备

该传感器的制备材料及实验仪器有：普通SMF和多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)，纤芯和包层直径均为105 μm/125 μm；EPCF，其包层直径为125 μm，具有直径为9.5 μm的空气孔，呈六边形结构排列；古河S178C光纤熔接机；康冠ASE宽带光源；河南濮阳CIR-1×2-1550-900-1-FA环形器；横河AQ6370D型光谱分析仪等。

去除MMF和EPCF外面的涂覆层，然后用切割刀将其两端面切平得到长度约为2 cm的EPCF和0.5 cm的MMF。将EPCF与MMF进行特殊熔接，熔接后的多模光纤端放入氢氟酸中腐蚀25 min，得到如图2所示的显微结构，探头尖端长度为202 μm，末端直径为5.07 μm。MMF与EPCF特殊熔接时，放电强度太小，时间太短会使熔接面达不到干涉所需要的反射率；放电强度过大，放电时间过长会使熔接面形成坍塌层，不能形成F-P干涉仪。因此经过多次试验，探究出最佳熔接程序，参数如表1所示。最终，制备完整的传感探头的总体长度约为2.02 cm，将探头与传光光纤SMF熔接，即完成传感器制备。

图2 光纤端面局部结构显微图
Fig.2 Micrograph structure of fiber tip

表1 光纤熔接参数
Tab.1 Parameters of fiber welding

3.2 温度传感测试

温度传感性能测试的实验装置如图3所示，温度测试装置为真空干燥箱(型号：DZF-6020)，图4为温度测试范围为28～81℃的干涉光谱图。由图4可见，随着温度的增大，传感器输出光谱呈现明显的红移现象。以1 533 nm 波长处的反射光谱波谷为参考，对光谱偏移量进行计算，得到输出光谱偏移量与所测温度的关系，如图5所示，可见线性拟合度良好，线性相关系数为0.998 37，灵敏度为64.6 pm/℃，光谱发生红移。实验结果与理论分析具有较好的一致性。

图3 温度传感器实验装置示意图
Fig.3 Experimental setup for temperature sensor

图4 反射光谱与温度的关系
Fig.4 Relation between reflectance spectra of sensor and temperature

图5 输出光谱偏移量与所测温度的关系图，插入图为不同温度所对应的反射光谱图
Fig.5 Wavelength shift as a function of temperature.Inset shows reflectance spectra of sensor at different temperatures

4 结 论

本文基于多光束干涉理论，提出微探针式双F-P型光纤温度传感器的制备方法。通过探究不同光纤间熔接程序的参数，形成了满足反射要求的F-P反射镜面，并利用氢氟酸刻蚀法制备出了长为202 μm，末端端面直径为5.07 μm的微型探针。对传感器进行了温度性能测试实验，结果表明：随着温度的增大(在28～81 ℃)，所设计的光纤温度传感器的反射光谱发生红移，且波长漂移量与温度呈现良好的线性关系，线性相关系数为0.998 37，灵敏度达64.6 pm/℃。该传感器具有体积小、重量轻、易于制备、灵敏度高、抗干扰强等优点，在小范围温度测量领域具有潜在的应用价值。