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【信息技术】微纳光纤及其应用进展(5):微纳光纤传感器
醉卧青云 2015-11-25
导语

当光在微纳光纤中传输时,一部分能量分布于微纳光纤之外,形成倏逝波。利用倏逝场对周围介质折射率的敏感特性,可实现多种类型的微纳光纤传感器。

光强测量型微纳光纤传感器

2005年,楼静漪等对亚波长直径的微纳光纤传感器进行了理论建模[77],预测该类传感器将具有高灵敏度、小尺寸等优点。同年P. Polynkin 等报导了单根微纳光纤液体折射率传感器的实验结果[78],如图12所示。


图12 (a) 单根氧 化硅微纳光纤传感器示意图。氧化硅微纳光纤嵌入固化的低折射率透明高分子材料PDMS中,PDMS材料的表面有一个用于流通被测液体的半圆柱形微槽; (b)微纳光纤的透射率和液体折射率的关系。曲线1和2分别对应直径为1.6 mm和700 nm的氧化硅微纳光纤[78]。

使用长度约3 cm的氧化硅微纳光纤嵌入固化的透明高分子材料PDMS中(折射率n=1.402),在微纳光纤上方制作一个直径约3 mm的半圆柱形微槽用于通过被测液体,微槽和微纳光纤间距约几微米到几十微米。在微纳光纤的一端通入1.55 mm波长的探测光,测量另一端的输出功率。

由于微纳光纤的倏逝场有一部分进入到半圆形液体槽中,当液体槽中的折射率改变时,输出端的透射率发生变化,如图12 b所示。图中曲线1 和2对应的氧化硅微纳光纤直径分别为1.6 mm和700 nm。对于较粗的微纳光纤 (曲线1,直径1.6 mm),由于倏逝场较弱,所以当液体折射率小于PDMS的折射率时,透射率与液体折射率无关;只有当液体折射率大于PDMS的折射率时,透射率才迅速减小。对于较细的微纳光纤(曲线2,直径700 nm),由于倏逝场较强,有部分进入到液体槽中,当液体折射率小于PDMS的折射率时,透射率随着液体折射率缓慢增加;当液体折射率大于PDMS的折射率时,透射率迅速减小,折射率传感的精度约为Δn=5×10-4。

上述结果表明,较粗的微纳光纤适合于用做折射率的开关传感器,而较细的微纳光纤适用于折射率传感器。

此外,W. Liang等报导了用微纳光纤光栅实现折射率传感的实验结果[49]。利用微纳光纤光栅的透射谱对折射率的敏感特性,测量反射谱的中心波长即可推知液体的折射率。为了提高精度,他们使用两个光纤光栅形成的Fabry-Perot腔实现了较高精度的液体折射率传感。

微纳光纤用于气体传感

当光纤表面镀有气体敏感材料或者光纤材料本身对气体敏感时,微纳光纤可用于气体传感。

2005年,J. Villatoro等用表面镀4 nm厚度Pd膜的1.3 mm直径微纳光纤实现了快速氢气探测[79]。实验所用的氧化硅微纳光纤镀膜区长度约为2 mm,其中Pd膜只覆盖了半个圆周,如图13a所示。当Pd膜暴露在氢气气氛中时,折射率发生变化,改变了1550 nm波长的探测光的透射率,如图13b所示。


图13 (a) 表面沉积有Pd膜层的微纳光纤氢气传感器;(b)传感器对不同氢气浓度的响应[79]。

测量结果表明,传感器的响应时间约10 s,响应速度比一般的氢气传感器快得多,适合低氢气浓度的探测。

2008年,谷付星等使用单根高分子材料微纳光纤实现了湿度和气体浓度的高灵敏度快速探测[24],所用的光纤材料掺有对气体敏感的成分,并与标准光纤拉锥通过倏逝波耦合进行信号输入和输出,根据探测需要,微纳光纤可以固定在低折射率的MgF2衬底(n=1.38)上,或者悬空于MgF2衬底间,如图14a和14b所示。被测气体与敏感掺杂成分作用后,改变微纳光纤的光学传输特性,从而被检测。

该类传感器可实现对湿度的快速探测(响应时间约30 ms)和气体浓度的高超灵敏探测(NO2和NH3的探测浓度下限小于1 ppm),且器件可以反复使用,测试结果如图14c、14d和14e所示。

 

图14 单根高分子材料微纳光纤气体传感器。(a)、(b)为器件装置示意图。对探测气体敏感的高分子微纳光纤与单模光纤拉锥通过倏逝波耦合,以实现光的输入和输出。图(a)中高分子微纳光纤直接置于MgF2衬底上,并在耦合区用透光的低折射率紫外固化胶固定,图(b)中高分子微纳光纤悬空于MgF2衬底之上;(c)聚丙烯酰胺(PAM)微纳光纤湿度传感器的可逆响应;(d)聚苯胺/聚苯乙烯(PANI/PS)微纳光纤NO2浓度传感器的可逆响应;(e) 溴百里酚蓝掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(BTB-PMMA)微纳光纤NH3浓度传感器的可逆响应[24]。

光谱测量型微纳光纤传感器

除了上述光强测量型传感器,还可以通过光谱测量来实现微纳光纤传感器,该类传感器的典型结构是使用具有较高品质因子的微纳光纤谐振腔。当被测物质接近光纤表面时,环境折射率发生改变,谐振峰发生位移,通过测量谐振峰的位移量,可以得到被测物质或物理量的相关信息。

M. Sumetsky、陈险峰、徐飞、郭欣等均对该类传感器进行了理论或实验研究[80-84],获得了基于谐振腔的高灵敏度微纳光纤传感器。比如,M. Sumetsky等将微纳光纤圈型谐振腔用于超快的环境温度测量,响应速度达到2 ms,测量精度在0.1 mK量级[80]。徐飞等报导了基于微纳光纤卷型谐振腔的液体折射率传感器, 灵敏度约40 nm/RIU (Refractive Index Unit) [82,83]。郭欣等使用铜棒支撑的微纳光纤圈型谐振腔,对液体折射率的测量精度达到10-5量级 [84]。

除谐振腔外,微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪也可用于折射率传感。当改变微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪一个干涉臂的环境折射率时,干涉仪的程差发生变化,干涉峰发生移动。根据这个原理,楼静漪等通过数值计算表明,微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪可实现小尺寸、高灵敏度折射率传感[77]。2008年,李宇航等实验演示了微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪[85],获得了良好的干涉结果,为该类结构用于光学传感提供了可行的方案。

(未完待续)

(本文原创,作者清华大学李宇航博士,授权发布)


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文章评论(1)
杨明伟[北京航空航天大学]

厉害!

1086天前 | 回复
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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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