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基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术

更新时间：2020-01-03 08:39:58 大小：660K 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：光纤传感 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合,充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的优势,将有望发展新型的光纤传感器件和系统.本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤和光纤光栅上制备微结构,再结合敏感材料制备技术,实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融合,探索实现新型高性能的光纤传感新技术.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070703  
专题: 光纤传感  
基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的  
∗
光纤传感技术  
王闵1)2) 刘复飞2) 周贤2) 戴玉堂2) 杨明红2)†  
1)(武汉纺织大学电子与电气工程学院, 武汉 430200)  
2)(武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070)  
( 2016 年 10 月 31 日收到; 2017 年 1 月 27 日收到修改稿 )  
将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合, 充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的  
优势, 将有望发展新型的光纤传感器件和系统. 本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤  
和光纤光栅上制备微结构, 再结合敏感材料制备技术, 实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融  
合, 探索实现新型高性能的光纤传感新技术.  
关键词: 光纤传感, 飞秒激光, 敏感薄膜  
PACS: 07.07.Df, 87.85.Va, 07.79.–v  
DOI: 10.7498/aps.66.070703  
国内外对基于敏感材料的光纤传感器有一些  
研究, 根据原理的不同可以分为四类: 一种是在光  
纤光栅 (FBG) 的周面镀制敏感薄膜, 薄膜在敏感  
环境中导致光栅周期的变化, 从而以波长漂移的  
方式传感环境的变化 [11,12]; 另一类是在光纤端面  
制备敏感膜, 敏感膜折射率受环境的影响而改变,  
从而以反射功率变化的形式感应环境的改变, 也  
就是所谓的基于微透镜原理的端面反射型光纤传  
感器 [13−15]; 还有一类是将光纤侧面微加工至纤芯,  
在加工区镀制敏感薄膜, 根据消逝波耦合的原理,  
敏感薄膜由于环境导致的折射率改变会影响光纤  
透射功率, 这也就是基于消逝波的透射型光纤传感  
器 [16−18]; 最后一类是基于Fabry-Perot (F-P) 型的  
薄膜光纤传感器, 包括本征型和非本征型. 非本征  
F-P型光纤传感器是由两段端面镀有高反膜对准组  
成空气腔的传感器, 其空气腔易受环境干扰 [19]. 而  
本征 F-P 型光纤传感器是由全光纤构成, F-P 结构  
全由薄膜组成, 其中的腔层可能是无机材料, 也可  
能是有机材料, 其腔层折射率或者物理厚度受外界  
1 前  
言
传感器是获取各种信息的主要手段, 在现代测  
量、自动控制、安全监控、环境监测和医疗卫生等民  
用和军用领域都发挥着重要作用. 光纤本身可以作  
为敏感媒介和通信传输的介质, 光纤传感器是最有  
希望实现灵巧结构的传感器, 它具有体积小、易弯  
曲、抗电磁干扰等优点 [1−3], 具有重要的研究、开发  
和应用价值. 然而, 由于光纤本身对有些化学或生  
物的参量和物质属性不敏感, 所以无法直接利用光  
纤对这类物质或参量进行检测. 因此, 有必要研究  
敏感材料的设计和制备, 将敏感材料和光纤附着在  
一起, 光纤本身只起信号传输的功能, 即 “传” 而不  
感; 附着在光纤上的材料作为敏感的媒介起着敏感  
响应的功能, 即“感” 而不传. 敏感材料和光纤附着  
的方式有很多, 包括机械连接、化学胶黏、热喷涂和  
气相沉积 [4−10] 等. 其中采用气相沉积薄膜的方式  
在光纤的端面或者侧面制备各种敏感薄膜, 可以实  
现器件微型化、功能集成化等优点, 具有广泛的应  
用前景.  
环境影响的变化导致F-P干涉谱的改变 [20]  
.
∗
国家自然科学基金 (批准号: 61290311, 61505150, 61575151) 和湖北省自然科学基金 (批准号: 2014CFC1138, 2015CFA016) 资  
助的课题.  
†
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
070703-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070703  
从另一方面讲, 敏感材料光纤传感器的研究不  
为钯 (Pd) 膜, 利用其吸收氢气后体积膨胀及折射  
率逐渐减小的性质 [26,27], 将其与微结构相结合检  
测环境中氢气浓度的变化, 制作干涉型光纤氢气传  
感器. 当外界环境氢气浓度发生改变时, Pd 膜吸氢  
仅包括利用新型的薄膜材料设计薄膜光纤传感器,  
也包括在新型的光纤结构上利用通用的薄膜敏感  
材料产生新型的传感特性, 从而开发新型的薄膜光  
纤传感器. 例如, 短周期的光纤光栅由于光纤包层  
的足够厚度使得其布拉格波长不会因包层外环境  
折射率的改变而改变, 但是采用侧边微加工技术,  
将光纤光栅一侧的包层去掉, 然后在加工区镀制敏  
感薄膜材料, 这样薄膜材料受环境影响而产生的折  
射率改变会导致纤芯有效折射率的变化, 从而引起  
布拉格波长的漂移 [21−24]. 也就是说, 传统的薄膜  
敏感材料结合新型的光纤结构设计和微加工, 同样  
会产生新型的薄膜光纤传感器. 新型光纤结构的加  
工包括化学腐蚀、飞秒激光微加工和光纤侧边抛磨  
等, 因此有必要系统地研究新型光纤结构设计加工  
和薄膜敏感材料结合而产生的新型薄膜光纤传感  
器的基础理论和关键技术.  
后体积会发生膨胀, 从而改变光程差 ∆n L, 使干  
eff  
涉条纹发生移动.  
1.0  
(a)  
Dip1  
0.9  
0.8  
0% H2 (36 nm Pd)  
4% H2 (36 nm Pd)  
0.7  
8% H2 (36 nm Pd)  
12% H2 (36 nm Pd)  
0.6  
16% H2 (36 nm Pd)  
ᤇԔ  
0.5  
1250  
1300  
ฉ᫂/nm  
1350  
1.00  
(b)  
2 光纤微结构与敏感薄膜物理融合的  
0.95  
0.90  
0.85  
0.80  
Dip2  
传感原理与技术  
2.1 Mach-Zehnder (M-Z)干涉型传感器  
0% H2 (110 nm Pd)  
4% H2 (110 nm Pd)  
8% H2 (110 nm Pd)  
12% H2 (110 nm Pd)  
16% H2 (110 nm Pd)  
ᤇԔ  
1) 理论模型  
M-Z 干涉型传感器结构示意图见图 1 , 纤芯中  
传播的光经过微腔被分成两路, 一束光通过进入微  
纳光纤包层, 另一束则经过微结构, 两束光分别记  
1250  
1300  
1350  
1400  
为 I 和 Iin2, 并在微结构的另一端两束光相互叠  
in1  
ฉ᫂/nm  
加产生干涉 [25]  
.
1336  
1334  
1332  
(c)  
ஐਖᘙᒛ  
Dip1 36 nm Pd  
Dip2 110 nm Pd  
ጜᔇ  
L
Iin1  
Iin2  
Iout1  
Iout2  
I
Dip2 slope: (0.155+0.03606) nm/%  
ӭവАጜ  
ॲፇ౞  
ӊ
ࡏ
 
1318  
1316  
图 1 M-Z 干涉型光纤氢气 (H2) 传感器的结构图  
Dip1 slope: (0.07+0.00577) nm/%  
Fig. 1. Schematic structure of M-Z.  
0
2
4
6
8
10  
12  
14  
16  
ඪඡไए/%  
输出信号为  
√
图 2 (a) M-Z 腔长 40 µm, Pd 膜厚度 36 nm 透射谱;  
(b) M-Z 腔长 40 µm, Pd 膜厚度 110 nm 透射谱; (c) Dip1  
和 Dip2 对应氢气浓度变化的波长漂移率  
I = I  
+ I  
+ 2  
I
I
out2 cos φ, (1)  
out1  
out2  
out1  
其中, I 表示干涉信号强度, I  
和 I  
分别为上  
out2  
out1  
Fig. 2. Normalized transmission spectra of M-Z coated  
下两条光路输出的光强, 相位差φ = 2π∆n L/λ+  
eff  
with micro-cavity lengths of 40 µm, (a) d  
= 36 nm;  
film  
φ0, φ0 为干涉的初始相位, λ 为传播的光波长, L  
(b) d  
= 110 nm; (c) wavelength versus hydrogen  
film  
为光纤激光微加工的微腔长度, ∆n = ncore  
−
eff  
eff  
concentration with different thickness of d  
= 36 nm  
film  
cavity  
eff  
n
为两条光路的有效折射率之差. 若敏感薄膜  
and d  
= 110 nm.  
film  
070703-2  

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