doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020050072
郝家祺1， 张 雯1， 何 巍1， 董明利2， 祝连庆1
(1. 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016;2. 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192)
摘 要: 该文提出一种全单模光纤的三光束干涉光纤法布里珀罗结构传感器。对三光束干涉光纤法布里珀罗结构传感原理进行分析，并阐述三光束干涉结构的温度、折射率双参数传感机理。空气腔结构使用熔接机电弧放电制作，结合光纤精密切割技术将一端尾纤切平，形成三光束干涉光纤法布里珀罗结构。设计并搭建实验系统对温度和折射率进行测试，测温范围为30 ~100 ℃，该传感器温度灵敏度为8.17 pm/℃，线性度可达0.998 3。折射率的测量范围为1.331 6~1.343 0时，该传感器灵敏度为–49.9 dB/RIU ，线性度为0.985 6，当折射率测量范围为1.343 0~1.355 1时，折射率灵敏度为–21.6 dB/RIU ，此时的线性度为0.973 5。实验结果表明，该传感器可用于温度和折射率的双参数精确测量。 关键词: 光纤传感器; 三光束干涉; 电弧放电; 温度测量; 折射率测量中图分类号: TP212文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2020)12–0022–06
Three-beam interferometric optical fiber Fabry-Perot
structure and its dual-parameter testing
HAO Jiaqi 1, ZHANG Wen 1, HE Wei 1, DONG Mingli 2, ZHU Lianqing 1
(1. Beijing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System, Beijing Information Science & Technolog
y University,Beijing 100016, China; 2. Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology
and Instrument, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)
Abstract : A three-beam interference fiber optic Fabry-Perot structure sensor is proposed. The principle of three-beam interference structure is analyzed, and the temperature and refractive index sensing mechanism of the three-beam interference structure is described. The structure of Fabry-Perot cavity is made by arc discharge of fusing electromechanical device. By combining with the precision cutting technology of optical fiber, one end of tail fiber is cut flat to form a three-beam interference Fabry-Perot structure. Design and build a test platform for temperature and refractive index. When the temperature range is 30-100 ℃ , the heating sensitivity is 8.17 pm/℃ , with the linearity 0.998 3. When the refractive index range is from 1.331 6 to 1.343 0, the sensitivity is –49.9 dB/RIU, with a linearity is 0.985 6. When the refractive index is from 1.343 0 to 1.355 1, the sensitivity of the sensor is –21.6 dB/RIU, with a linearity is 0.973 5. Experimental results show that the popsed sensor can be used for accurate dual-parameters measurement for temperature and refractive index.
收稿日期: 2020-05-19；收到修改稿日期: 2020-06-27
基金项目: 高等学校学科创新引智计划资助(D17021)；载人航天预研项目（20184112043）作者简介: 郝家祺(1993-)，女，北京市人，硕士研究生，专业方向为光纤传感。
第 46 卷 第 12 期中国测试
Vol.46 No.122020 年 12 月
CHINA MEASUREMENT & TEST December, 2020
Keywords: optical fiber sensors; three-beam interferometric; arc discharge; temperature measurement; refractive index measurement
0 引 言
光纤传感作为传感技术的重要分支之一，在现代化发展中取得了卓越的进步[1-3]，其传感原理是将被测物理量通过光纤光栅或光纤微结构进行调制后转化为光信号，建立物理信号与光信号间的联系，通过解调传输光的强度、相位、频率、偏振、波长等特性变化，获得该被测物理量的信息，从而进行传感[4-6]。根据不同的光纤传感器调制光信号的特征参量不同，可分为三类：相位调制、光强调制以及偏振态调制。光纤法布里珀罗(Fabry-Perot, FP）传感器是一种最常见的相位调制型传感器，按照其腔体材质的不同可分为两类[7-9]：本征型光纤FP传感器（intrinsic Fabry-Perot interferometer, IFPI）和
非本征光纤FP传感器（extrinsic Fabry-Perot interferometer, EFPI）。IFPI传感器是指其FP腔介质为光纤，EFPI 传感器则是FP腔介质为除光纤外的空气或者其他物质，由于光纤本身的性质，FP传感器通常可以测量温度[10]、位移[11]、应变[12]等物理量。但普通的FP 结构对外界折射率变化并不能精确传感。通过大量文献调研，一些学者对于温度和折射率双参数传感的干涉型光纤传感器已有研究，刘振英等[13]通过在两个标准单模光纤(single-mode fiber, SMF)之间拼接一条薄薄的C形光纤来构建一种具有极低温度交叉灵敏度测量折射率的开放腔光纤FP传感器。但这种结构稳定性比封闭式FP稍差。赵春柳等[14]利用带空气腔的渐变折射率多模光纤一端和单模光纤熔接，设计了一种拼接式三光束干涉FP传感器，可实现温度及折射率同时测量。但由于两种不同的光纤熔接，存在光传输损耗大且结构强度较低的问题。Zhang Jin等[15-16]提出了一种通过级联两个FP形成的多光束干涉结构温度传感器，第一个FP 腔为干涉腔由SMF拼接空心光纤而成，第二个FP 腔为传感腔，由SMF拼接陶瓷插芯，并在末端胶注高分子聚合物形成，但该结构制备工艺要求较高。
水溶性聚氨酯本文以水质污染监测为背景，提出一种全单模光纤的三光束干涉结构光纤FP传感器。研究三光束干涉光纤FP传感器的结构特征和传感机理，详细阐述通过熔接机电弧放电结合光纤精密切割技术制备形成三光束干涉FP结构的方法。搭建温度和折射率测试系统，分别对水质热污染和化学污染范围内的温度和折射率进行传感测试，并对其传感灵敏度和线性度进行分析。
1 三光束干涉FP原理
本文所研究的三光束干涉光纤FP结构示意图如图1所示，包含3个反射面，形成3个FP腔。
123
n
3
n
2
n
1
E
L
3
L
2
L
1
SMF
图 1 三光束干涉光纤FP结构示意图
FP-1由反射面1、2组成，光的传播介质为空气，腔长为L1。
FP-2由反射面2、3组成，光的传播介质为SiO2，腔长为L2。
FP-3由反射面1、3组成，光的传播介质为空气和SiO2分段组成，腔长为L1+L2。
I0
4%×I096%×I0
4%×96%×I0=3.84%×I096%×96%×I0= 92.16%×I0
4%×3.84%×I0≈0.15%×I0
96%×3.84%×I0≈3.69%×I0
考虑光纤FP-1腔的反射情况，此时腔内传播介质为空气，反射面为SiO2-空气界面：设光纤左端的入射光强度为，则经过反射面1时反射返回的光强为，余下的光发生透射，进入反射面2。再次发生反射和透射，其中反射光强
，透射光强
。光线继续反射回反射面1，此时的反射光强为，已经大大减弱；而透射光强为，再次进入纤芯中。
可以看出，对于反射率较低的反射面，其多次反射的高阶反射光强极弱，可忽略不计。光纤为石英材料，理想反射条件下反射率为4%，符合忽略高阶反射的条件。后文中将仅考虑光束在这三个反射面之间第一次被反射时形成的三光束干涉现象，不再讨论多次高阶反射情况。
入射光经过每个反射面发生反射和透射，并在穿过反射面时发生损耗，传播到下一个反射面时，
第 46 卷 第 12 期郝家祺，等：三光束干涉光纤法布里珀罗结构及其双参数测试研究23快干毛巾
产生相位差，三个反射面所反射回导入光纤纤芯的相干光形成三光束干涉传播回去。入射光电场分量为E 0，三个反射面的反射率分别为R 1、R 2、R 3，经过各反射面的损耗系数分别为α1、α2、α3。反射回去的总光强为
由式(1)看出，三光束干涉结构的反射光强与反射率、FP 腔内折射率以及腔长有关。传感原理也正是利用被测物理量变化引起这些参数改变从而可以观测到反射谱变化而实现的。
1.28×10−55.5×10−7温度的测量正是利用了2、3反射面直接所形成的SiO 2腔对温度变化产生响应。SiO 2的热光系数为
RIU/℃，热膨胀系数为 m/(m·℃)。
温度灵敏度为
SiO 2∆T SiO 2
∆T
这里的和即为SiO 2的热光系数和
热膨胀系数。
反射面3反射率R 3可以表示为
式中：n 3——光纤折射率；
n x ——待测折射率。
已知光纤纤芯折射率n 3=1.449 2，当待测折射率n x 增大时（测试折射率小于n 3），R 3减小，根据反射光强表达式(1)，此时反射光强减小，由于n 3和FP 腔长都不变，所以波长不变。反射强度I 对n 3求导，可得到传感器的折射率灵敏度为
可见，传感器的折射率灵敏度与待测溶液的折射率有关，随着待测溶液的折射率与光纤折射率n 3
越接近，其测试灵敏度越低。
2 传感器制备
为实现图1中的传感结构，首先要使用熔接机电弧放电形成空气腔。本实验熔接过程使用的是藤仓80s 型号熔接机，主要通过两个直径1 mm 、相距5 mm 的锥形钨制电极尖端放电加热，使电极间光纤达到熔融状态，一般来讲，越靠近电极尖端部位，放电强度越大，相应的温度也就越高。通过驱动马达控制光纤压脚二维移动，施加应力或挤压力可以对光纤加以塑性，也可以改变光纤被电极尖端加热位置，对达到制作微结构的目的。在熔接过程中，可通过内置CCD 成像，在显示屏上观测X 、Y 、Z 轴方向光纤的形态以及放电时光纤的变化情况，以便及时对熔接程序进行调整。空气腔制备完成后，利用精密显微切割平台对FP 腔尾端进行切割，切割过程在显微镜50倍物镜观测下进行，通过精密二维位移平台调整FP 腔与切割刀刀头之间的距离，确定切割位置。
具体制备步骤如图2所示。首先，将两段SMF 的端面切平后放置在熔接机(Fujikura 80S)中，光洁放电150 ms ，并使用手动对齐模式；然后，电极放电的同时对两段光纤进行挤压，使两段光纤连接处形成一小尺寸空气腔。此时熔接电流为80 mA ，持续时间为800 ms ，驱动马达相向移动，重叠长度设置为150 µm 。接着，驱动马达反向移动拉伸光纤，并在熔接过程中施加较弱的再放电强度，重复这一步骤以扩张空气腔。随着空气腔增大，需相应减小拉伸距离和放电强度，以防超过光纤材料承受能力而破裂。实验中此步骤重复三次，驱动马达拉伸距离分别为20，15，10 µm ，对应的再放电电流分别为60，50，40 mA ，持续时间均为800 ms 。在FP 腔制备完成后，利用精密切割装置在显微镜下切割，在距第二反射面710~720 µm 处将其尾端切平，即形成三光束干涉FP 结构。
按上述步骤完成传感器的制备后，将该传感器放置于20倍率的显微镜下观察并拍照。
从显微照片图3中可测出，纤芯直径为9 µm ，包层直径为125 µm ，FP 腔尺寸为130 µm×194 µm ，挤压部分的最大直径为238 µm ，第一反射面与端面的距离为845 µm 。
24中国测试2020 年 12 月
电极
移动
移动
左驱动马达左驱动马达
左驱动马达
电极
电极
电极
电极
空气腔
空气腔
单模光纤单模光纤右驱动马达
右驱动马达
右驱动马达
(a)
(b)
(c)
(d)
移动移动
图 2 传感器制作步骤
845 μm
130 μm
降失水剂9 μm 125 μm
238 μm
194 μm SMF
空气腔
图 3 传感器显微图
3 实验验证
为实现温度与折射率的标定测试，需设计搭建温度和折射率测试的实验系统。实验开始前由光谱仪观测到器件的原始干涉谱如图4(a)所示，图4(b)是其放大细节图，由图可知三光束干涉谱自由光谱
范围为1 nm 。实验中选取室温下波长在1 534.3 nm 的点A 作为观测点，对该处波长进行解调，验证该传感器的双参数传感特性。
1 nm
Dip A
图 4 传感器的干涉谱
温度测试装置如图5所示。通过环行器连接宽
带光源和光谱分析仪(Yokogawa AQ6375)来监测反射光谱，光谱分辨率设置为0.1 nm 。将该传感器夹持在二维位移平台上，并将其传感头固定于光纤加热平台上，实验在千级超净间内进行以减小外界
环境干扰。
宽带光源
环行器
二维位移平台加热平台
光谱分析仪
图 5 温度测试装置
根据水质热污染监测标准，实验时温度从30 ℃升高至100 ℃，每次升温间隔10 ℃，每个测试温
第 46 卷 第 12 期
郝家祺，等：三光束干涉光纤法布里珀罗结构及其双参数测试研究25
度保持10 min ，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。升温过程传感器的反射光谱如图6所示，为便于分析，选取波长范围1 535.5~1 536.3 nm ，由图可见随温度升高，波长红移，通过观测点A 的波长漂移与温度变化的的温度响应特性曲线，即图7，可以得出升温时温度灵敏度为8.17 pm/℃，线性度为0.998 3。
123456781
2
3
456
7830 ℃40 ℃50 ℃60 ℃70 80 90 ℃100 ℃
图 6 温度实验光谱图
温度/℃
升温过程
y =0.081 7x +1 535.41r 2=0.998 3
30中频炉炼钢
405060708090100
图 7 温度实验响应特性曲线
折射率测试装置如图8所示，同样通过环行器连接光源和光谱分析仪来监测反射光谱。实验时将吸入待测溶液的空心毛细管和传感器固定在两个二维位移平台上，并将两个位移平台固定在光学平台的同一条水平线上。在折射率测试实验过程中，通过调整位移平台，使得毛细中的溶液没过传感器探头的端面。
白术提取物光纤传感头空心毛细管二维位移平台
待测溶液
图 8 折射率测试装置
根据水质化学性污染监测标准，以NaCl 粗略代表化学溶质，配置浓度为0~14%的NaCl 溶液，每增加
2%浓度用数字阿贝折射仪(2WF CSOIF)标定溶液折射率值。在室温下，折射率的测量范围为1.331 6~1.355 1。折射率由低到高过程传感器的反射光谱如图9所示，随着折射率增加，干涉谱反射强度变弱。然而当折射率越大时，干涉谱反射强度变化越小，这与理论分析结果一致，即周围环境的折射率值与光纤折射率的差异越大，光束反射的灵敏度就越高。因此，实验结果的响应特性可分为两个折射率值范围进行观测，其折射率响应特性曲线如图10，当折射率值在1.331 6~1.343 0范围内时，该传感器的灵敏度为–49.9 dB/RIU ，线性度为0.985 6。当折射率值在1.343 0~1.355 1范围内时，该传感器的灵敏度为–21.6 dB/RIU ，线性度为0.973 5。
1234567812
34
5
678
1.331 61.334 81.336 01.340 31.343 11.346 81.350 61.355 1
波长/nm
1 534.6
1 534.8
1 535.0
1 535.2
1 535.4
1 535.6
图 9 折射率实验光谱图
1
2
=−49.9x +68.02=0.985 6
y =−21.6x +30.04r 2=0.973 5实验数据
1.330
1.335 1.340
1.345
1.350
1.355
折射率钢筋剥肋滚丝机
图 10 折射率实验光谱图
4 结束语
本文提出了一种全单模光纤三光束干涉FP 结构传感器，通过熔接机电弧放电结合光纤精密切割
26中国测试2020 年 12 月
