甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究.pdf

第 25 卷第 3 期武汉交通职业学院学报2023 年 9 月Vol.25 No.3Journal of Wuhan Technical College of CommunicationsSep.2023-139-收稿日期:2023-08-04基金项目:湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目“亚波长微结构光纤荧光氧传感器的导光机理和性能”(编号:B2021338)。作者简介:程 兰(1986-),女,湖北麻城人,武汉交通职业学院电子信息工程学院讲师,从事物联网应用技术、新型光纤、光纤通讯等研究。甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究程 兰(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)摘 要:文章利用 PCF 独特的孔洞结构进行热敏液体甘油填充,搭建了光纤温度传感测试平台,实验研究了甘油填充不同结构参数、不同光纤长度的 PCFs 的温控传输特性。甘油填充 PCFs 温度响应传输光谱不仅存在温控光强的特性,还包含 1430 nm 固定波长吸收峰。可实现 110280 宽温度范围的温度测量,获得 1430 nm 波长处 150 时0.936 dB/的温度灵敏度,独特的温控特性使甘油填充 PCFs 可用于强度调制温度传感器和温控光纤衰减器。这种独特温度响应光谱具有可重复性,另外传输光谱在低温时存在带通滤波现象,可作为温控带通滤波器。文章的研究结果对设计和制备光纤温度传感器和光纤调制器件具有重要的参考意义。关键词:光子晶体光纤;温度传感;液体填充;强度传感器 中图分类号:TN252文章编号:1672-9846-(2023)03-0139-05DOI:10.3969/j.issn.1672-9846.2023.03.023开 放科学(资源服务)标识码(OSID):0 引言温度是人们接触最多且非常重要的物理量,在生产和生活中存在很多需要温度监测的场合。温度传感器的种类繁多,光纤温度传感器作为其中一种,具有远距离实时测量、可组网、抗高温、抗腐蚀和抗电磁干扰等优点,被广泛用于电力、建筑、医疗、航空航天等领域。传统光纤主要由石英玻璃构成,其热膨胀系数(5.510-7/)1和热光系数(8.610-6/)2均不高,使得光纤温度传感器的温度灵敏度偏低。为了提高光纤温度传感器的温度灵敏度,可采用热敏材料传感器镀膜3-5和热敏材料填充微腔6-7对温度传感器进行增敏。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCFs)是一类独特的二维光纤,不同于传统光纤简单的纤芯和包层同轴结构,其纤内分布的空气孔结构使其具有丰富、可控的传输效应,独特的导光机理和灵活的结构设计使其广泛用于光纤通讯、光纤传感、非线性光学和光纤激光器等领域。PCFs 中空气孔可以进行功能材料填充,填充材料的折射率随外部物理场改变。PCFs 空气孔填充进一步动态改变了光纤的波导性能,为全光纤调谐器件和传感器提供新方案。一般液体的热光系数(10-4/)比石英玻璃的热光系数高两个数量级,因此,对 PCFs 空气孔液体填充能极大地增大PCFs 温度传感器灵敏度8。通过液体填充 PCFs空气孔,实现 PCFs 温度传感器增敏是目前 PCFs温度传感器研究领域热门的方向之一。同时温度场对液体填充 PCFs 的传输光谱的调制,也为光纤器件的设计提供一个新方案。液体填充 PCFs温度传感器主要有强度调制传感器9-10和干涉传感器11-12,其中强度调制传感器不需要复杂的选择性填充过程,传感机理较为简单,通过单波长光源和功率计就可搭建实验平台,不需要昂贵的光谱程 兰:甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究-140-仪和光源设备,可以极大地降低成本10。本文成功完成了低损耗 PCFs 的甘油填充,并利用自主搭建温度传感平台测试了热敏液体甘油填充不同结构参数、不同光纤长度的 PCFs 的温度控传输特性,并对实验现象进行了理论分析。甘油填充 PCFs 的传输光谱呈现出温度调制光强的特性,这种独特的温控特性使甘油填充 PCFs可用于强度调制温度传感器和温控光纤衰减器。1 光纤结构和实验装置考虑到 PCF 填充后损耗会增加,会使得填充PCF 的传输光强变弱,实验中采用实验室自制的低损耗 PCF,从而使光纤具有较好的传光效果。同时为了验证不同光纤的实验效果,本实验采用两种不同几何结构参数的 PCFs 进行实验。两种光纤包层均由五层三角晶格周期排布的空气孔组成,采用石英棒替换一个空气孔引入缺陷而形成石英纤芯,两种光纤的外径均为 125 m。光纤放大 80 倍的光学显微镜图如图 1 所示,图 1(a)(b)分别标记为光纤 A 和 B。光纤 A 的纤芯直径8.84 m,孔间距 5.72 m,占空比 0.44。光纤 B的纤芯直径 7.13 m,孔间距 6.54 m,占空比 0.85。图 1 PCF 端面光学显微镜图 甘油具有折率高、热光系数高、无毒、易获得的特性,采用甘油选择填充 PCF 不同层的单一空气孔,可研究纤芯和甘油填充芯之间的距离对干涉温度传感器的影响11。本文同样采用甘油作为填充液,研究甘油全填充 PCFs 的温度调制光谱特性。甘油体填充 PCFs 的制作流程包含以下步骤:(1)PCF 一端经过拨出涂敷、无尘纸清洁、切割刀切割后插入到 2 ml 的一次性医用注射器的针头中;(2)光纤固定好后用 502 强力胶水对可能漏气的地方进行密封;(3)待胶水干透,用一次性胶头滴管将填充液体注入到注射器中,装好液体的注射器固定到自制的加压装置上。填充时间与 PCF 空气孔大小、填充液体粘稠度有关。粘稠度越大,光纤需要填充时间越长。一般而言,用酒精、水、甲苯等粘稠度低液体填充 0.5 m 的 PCF 大概需要两个小时。对于甘油而言,0.5 m 的 PCF 填充时间需要 5 天左右,为了获得比较好的填充效果,需要等待时间较长,即实验周期会比较长。图1(c)为光纤 B 甘油填充后的光学显微镜图,由于甘油的折射率比空气和石英高,甘油填充后,空气孔的导光性变好,填充后的空气孔会发亮,图 1(c)说明光纤 B 所有的空气孔都获得很好的填充。光谱测试装置如图 2(a)所示,宽带光源(光谱范围 12501650 nm)发出的光通过单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)进入填充光纤,再次经过单模光纤后进入光谱仪进行监测。填充光纤被图 2 测试原理图及实物固定在马弗炉中实现温度控制。图 2(b)为实验中用到的三维升降台和马弗炉。三维升降台用来调节光纤位置,升降台上面磁力光纤夹具固定光纤。马弗炉分为上面的加热炉和下面的温度控制器,通过内置温度探头实现温度反馈。马弗炉温第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-141-度精度为5,温度精度较低,因此本实验另外从炉子的观察窗口插入一个温度计探头监测温度,提高读取高温度的精度。加入的热电偶温度计在 200以下温度精度为 0.1,200 以上温度精度为 1。鉴于马弗炉的温度精度较低,而温度反馈是通过马弗炉本身的温度探测头实现,因此实验时采用加热后自然冷却的方式实现温度标定。将马弗炉的程序设置为半小时从室温升到 270,然后保温半小时,使炉子里面的温度场分布均匀。自然降温时读取温度为附加热电偶温度计的温度,从而提高测试结果中温度的精度。2 实验结果和讨论2.1 甘油填充 PCF 的温度响应传输谱特性首先测试了光纤 A,图3(a)(b)为光纤 A 填充甘油后不同温度下的传输谱,光纤长度为 9.4 cm。光谱在 1430 nm 附近有一个吸收峰,当温度下降时,测试波段的传输损耗整体增大,其中长波边传输谱下降更明显。当下降到 165 时,吸收峰开始抖动变得不明显。温度进一步下降使得传输光谱继续下沉,当温度下降 120 时,1430 nm 的长波边传输谱全部衰减了,温度继续下降使得导光窗口逐渐变窄。不同温度下 1430 nm 处的传输强度结果提取呈现在图 3(c)中,传输强度随温度变化并非线性变化。对二者的关系进行六阶多项式拟合,拟合曲线对温度求导可以获得光强随温度的变化率,即温度灵敏度。温度越低,温度灵敏度越大,在 170 时温度灵敏度为 0.539 dB/,到280时,温度灵敏度下降到 0.062 dB/。280时 0.062 dB/的温度灵敏度与水基 Fe3O4磁流体溶液填充 PCF 强度型温度传感器 0.06 dB/的温度灵敏度相当2。图 3 9.4 cm 甘油填充光纤 A 温度特性2.2 光纤长度对温度灵敏度的影响材料对光的吸收遵循比尔-朗伯定理13:A=lg(1/T)=kbc(1)式中:A 是吸光度;T 是透射比,即出射光强度比入射光强度;k 是摩尔吸收系数,与吸收材料性质和入射光波长相关;c 是吸光材料浓度;b是吸收层厚度。该定理表明材料对光的吸收与吸光材料浓度 c 和吸收层厚度 b 正相关,而透射比 T 和吸光材料浓度 c、吸收层厚度 b 负相关。当 PCF 空气孔填充液体(或气体)时,包层中的填充材料会通过倏逝场对传输光产生吸收。对填充 PCF 而言,填充长度即代表吸收层厚度,故截短光纤能增大透射比,即使得传输光强变强。因此在甘油填充 PCF 中,截短光纤将相同温度下的传输光谱整体抬高,并使温度探测下限下移。截短光纤长度后的不同温度下传输光谱见图 4(a),和 9.4 cm 时一样,吸收峰在 1430 nm 附近。150时 1430 nm 附近光强不存在明显抖动,140时 1430 nm 附近的光被完全损耗。即光纤长度减少 0.8 cm,温度探测下限可以由 170 下移到 150,这与用比尔朗伯定理预期的结果相同。图 4(b)为提取 1430 nm 不同温度的传输强度,传输强度随温度下降而减小。为了进行对比,9.4 cm 时结果也呈现在图 4(b)中,相同温度下9.4 cm 光纤长度的传输强度小。填充光纤长度8.6 cm 和 9.4 cm 时的温度灵敏度见图 4(c),8.6 cm 时温度灵敏度由 150时的 0.963 dB/下降到 270时的 0.053 dB/,相同温度下温度灵敏度比 9.4 cm 时小。因此,减少光纤长度虽然下移了温度探测下限,但是牺牲了温度灵敏度。150时0.963 dB/的温度灵敏度与混合液体填充的 PCF 反射型强度调制温度传感器9报道的1 dB/接近。程 兰:甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究-142-图 4 8.4 cm 甘油填充光纤 A 温度特性2.3 光纤几何参数对温度灵敏度的影响光纤 B 的几何参数与光纤 A 不同,因此甘油填充光纤 B 传输光谱会和光纤 A 存在一些差异。图 5(a)(b)为 6.8 cm 甘油填充光纤 B 不同温度下的传输光谱,和甘油填充光纤 A 一样,传输光谱会随温度下降而整体下移,吸收峰同样在1430 nm 附近。140传输光谱仍然比较平滑,到135时 1430 nm 附近抖动明显,即 6.8 cm 的甘油填充光纤 B 测温下限在 140。110时长波光完全被吸收,甘油填充光纤 B 中同样存在导光窗口随温度降低变窄这一现象。对光纤 B,同样做了截短实验。1430 nm 不同温度下传输强度提取值见图 5(c),光纤长度短的相同温度下的强度强,4.2 cm时测温下限降到了 110。图 5(d)为温度灵敏度,6.8 cm 时,灵敏度由 140 时 0.497 dB/降到240的0.071 dB/。4.2 cm 时,灵敏度由 110时的 0.927 dB/降到 220的 0.069 dB/。和光纤 A 一样,光纤长度增长能增高相同温度下的温度灵敏度。图 5 甘油填充光纤 B 温度特性2.4 甘油填充光纤 B 二次加热实验6.8 cm 甘油填充光纤 B 冷却后被再次加热到 270后降温,图 6(a)为第二次测试传输谱1430 nm 强度的提取结果,在相同温度时的强度与第一次的结果基本重合,图 6(b)为 115 和105两次测试传输谱,相同温度下两次的光谱基本重合。图 6 说明实验可重复。图 6 甘油填充光纤 B 二次温度特性2.5 实验分析在甘油填充 PCFs 中,纤芯传输的光场通过倏逝场与包层填充材料发生相互作用。填充光纤长度越长,相互作用的区域越长,从而导致光被填充物质的吸收越大,同时温度灵敏度也因光纤长度增加而提高,实验现象很好地验证这一点。对于甘油填充后 PCFs 而言,独特的光谱谱形源于填充材料对不同波长的吸收差异。温度较低时导第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-143-光窗口随温度的下降窄化现象类似带隙光纤的带隙效应,但实际形成的原因并不是带隙效应,而是由于填充材料对长波边的吸收比短波边更明显。3 结论本文研究了两种不同光纤结构参数甘油填充PCFs 的温度调制光谱特性,展示了一种结构简单的基于甘油填充 PCFs 强度调制温度传感器。该温度传感器依靠填充材料在 1430 nm 的吸收强度的温度调制特性可实现温度测量。通过选择不同的光纤结构和光纤长度可以调节测温范围和温度灵敏度,可实现 110280宽温度范围的温度测量。8.6 cm 甘油填充光纤 A 在 150时的温度灵敏度高达 0.936 dB/。在测试光谱范围内光强随温度下降而减弱,这一现象可以被应用于光纤衰减器。甘油填充 PCFs 温度响应光谱1430 nm 吸收峰与光纤结构参数和光纤长度无关,并且具有可重复性。填充材料对长波吸收比短波明显,通过温度控制器可以实现传光窗口的调节,即可以被用于光纤滤波器。这些实验和理论分析可应用于温度传感、光纤衰减器和光纤滤波器。参考文献:1 ZHANG Y N,YUAN L,LAN X W,et al.Higherature fi-ber-optic fabry perot interferometric pressure sensor fabricated by femtosecond laser J.Optics Letters,2013,38(22):4609-4612.2 MIAO Y P,LIU B,ZHANG K L,et al.Temperature tun-ability of photonic crystal fiber filled with Fe3O4 nanop-article fluid J.Applied Physics 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