基于双峰谐振长周期光纤光栅的海水盐度传感器.pdf
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1、文章编号2097-1842(2024)02-0291-09基于双峰谐振长周期光纤光栅的海水盐度传感器杜超1,赵爽1,宋桦可2,王秋雨1,贾斌1,张丽1,崔丽琴1,赵强3,邓霄2*(1.太原理工大学电子信息与光学工程学院,山西太原030024;2.太原理工大学物理学院,山西太原030024;3.齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所,山东青岛266061)摘要:为研制高灵敏海水盐度传感器,本文基于 CO2激光技术成功制备出一种工作在色散转折点(DTP)附近的长周期光纤光栅(LPFG)。首先,利用 CO2激光器在 80m 细单模光纤上制备出工作在 DTP 附近的 LPFG,证明了采用 CO
2、2激光微加工技术制备较短周期 LPFG 的可能性。其次,通过调控 CO2激光器的制备周期,使高阶包层模式 LP1,9工作在DTP 附近,从而显著提高了 LPFG 的折射率灵敏度。在双峰谐振增敏效应的作用下,当海水盐度从 5.001变化到39.996时,光栅周期为 115.4m 的双峰谐振 LPFG 平均灵敏度高达 0.279nm/。研究结果表明,本文制备的 LPFG 海水盐度传感器具有谐振损耗大和灵敏度高的优点,其在海水盐度监测领域具有较好的应用前景。关键词:光纤光学;长周期光纤光栅;色散转折点;海水盐度;CO2激光技术中图分类号:TN253文献标志码:Adoi:10.37188/CO.202
3、3-0101AseawatersalinitysensorbasedondualpeaksresonancelongperiodfibergratingDUChao1,ZHAOShuang1,SONGHua-ke2,WANGQiu-yu1,JIABin1,ZHANGLi1,CUILi-qin1,ZHAOQiang3,DENGXiao2*(1.College of Electronic Information and Optical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.College of Phy
4、sics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;3.Institute of Oceanographic Instrumentation,Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences),Qingdao 266061,China)*Corresponding author,E-mail:Abstract:Todevelopahighlysensitiveseawatersalinitysensor,alongperiodfibergrating(LPFG)
5、wassuc-收稿日期:2023-06-12;修订日期:2023-07-06基金项目:国家自然科学基金(No.62203320,No.62375198,No.52009088,No.61933004);中国博士后科学基金面上项目(No.2019M661063);山西省回国留学人员科研资助项目(No.2023-039);崂山实验室科技创新项目(No.LSKJ202204703)SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.62203320,No.62375198,No.52009088,No.61933004);Projectfund
6、edbyChinaPostdoctoralScienceFoundation(No.2019M661063);ResearchProjectSupported by Shanxi Scholarship Council of China(No.2023-039);Science and Technology InnovationProjectofLaoshanLaboratory(Qingdao)(No.LSKJ202204703)第17卷第2期中国光学(中英文)Vol.17No.22024 年 3 月ChineseOpticsMar.2024cessfullyfabricatedusingC
7、O2lasertechnologytofunctionincloseproximitytothedispersionturningpoint(DTP).AnLPFGoperatingnearDTPwasfabricatedinan80msinglemodefiberusingCO2lasermi-cromachiningtechnology.ThissuccessfulendeavordemonstratesthefeasibilityofdevelopingLPFGwithshortergratingperiodusingCO2lasermicromachingtechnology.LPFG
8、swithvaryingperiodswerefabric-atedbyadjustingthepreparationperiodofCO2lasertoensurethatthecladdingmodeLP1,9wasoperatingnearDTP,resultinginhigherrefractiveindexsensitivityofLPFG.Theaveragesensitivityof0.279nm/canbeachievedintheseawaterwithsalinityrangingfrom5.001to39.996,especiallywiththedualpeaksres
9、onanceLPFGataperiodof115.4m,thankstothedualpeaksresonanceeffect.ThedualpeaksresonanceLPFGseawatersalinitysensorexhibitshighsensitivityandalargeattenuationloss,suggestingpo-tentialapplicationinseawatersalinitymonitoring.Keywords:fiberoptics;longperiodfibergrating;dispersionturningpoint;seawatersalini
10、ty;CO2lasertech-nology1引言海洋约占地球表面积的 71%,其环境的变化影响人类的生存和发展。盐度是表征海水特性的重要参数之一,对海洋环境监测具有重要意义1。目前,海水盐度的检测方法主要包括电导率测量法2-3、微波遥感测量法4-5和光纤传感测量法6。其中,光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点,受到了国内外研究者们的广泛关注。光纤海水盐度传感器主要依赖于盐度与折射率的关系7,根据其工作原理可分为光纤干涉仪8-9,光纤表面等离子体共振传感器10-11,布拉格光栅(FBG)12-13和长周期光纤光栅(LPFG)14-16等类型。然而,光纤干涉仪和光纤表面等离子体共振传
11、感器带宽较宽,解调精度低,难以满足海水盐度高精度测量要求。FBG 的带宽非常窄,故信号解调精度高,但是其折射率灵敏度较低,同样无法满足海水盐度的测量要求。相较于其他光纤传感器,LPFG 对外界折射率变化敏感且带宽较窄,故基于 LPFG 的海水盐度传感器成为研究较多的光纤传感器件之一。然而,基于传统 LPFG 海水盐度传感器的灵敏度只有几 pm/,仍然无法满足实际测量需求。目前,提高 LPFG 灵敏度的方法主要有三种:减小包层直径,使 LPFG 工作在色散转折点(DTP)附近产生双峰谐振或模式转换区内。2019 年,Yang 等14制备出一种涂覆水凝胶的 LPFG 海水盐度传感器,其灵敏度约为
12、0.1255nm/。2023 年,Zhao等15制备出一种涂覆 TiO2的 LPFG 海水盐度传感器,其灵敏度约为 0.1633nm/。虽然文献 14和 15 通过涂覆纳米膜的方式将 LPFG 限制在模式转换区,但是应用在传统 LPFG 上,其灵敏度提高幅度有限。2015 年,DelVillar17在理论上已经证明将 3 种增敏方法相结合可以获得 1.43105nm/RIU 的超高折射率灵敏度,而双峰谐振增敏效应是获得高灵敏 LPFG 海水盐度传感器的基础。目前,制备双峰谐振 LPFG 的方法主要包括飞秒激光写入法18-21和紫外激光曝光法22。然而,飞秒激光器和紫外激光器价格昂贵,操作复杂,
13、不具备普遍适用性。相较于飞秒和紫外激光器,CO2激光器具有成本低、操作简单等优点。因此,本文旨在探索一种低成本、易制备、高灵敏度的海水盐度传感器。利用 CO2激光微加工技术制备出双峰谐振 LPFG,并通过优化周期使高阶包层模式 LP1,9耦合的 LPFG 工作在 DTP 附近,大大提高了海水盐度传感器的灵敏度。2理论与模型LPFG 的基本原理是耦合模式理论,即光纤内相互正交的模式受到干扰后不再正交而发生耦合23-24。此时,在纤芯中传播的特定波长的光被耦合到包层中形成损耗峰,特定波长 表示为:=(ncoeffncleff),(1)ncoeffncleff其中,为 LPFG 的周期,和分别为纤芯
14、模式和包层模式的有效折射率。当光栅确定之后,292中国光学(中英文)第17卷LPFG 的周期和纤芯的有效折射率不再变化,而包层模式的有效折射率与外部环境的折射率相关。因此,在测量海水盐度的过程中,LPFG 的谐振波长取决于外部环境的折射率。LPFG 的折射率灵敏度与包层模式的阶次有关,包层模式的阶次越高,越容易耦合出双峰谐振 LPFG,对应的折射率灵敏度越高。此时,在特定波长范围内,每个光栅周期都对应两个谐振波长。在 DTP 处,参与耦合的包层模式的相位匹配曲线(PMC)斜率达到最大值。当光栅周期确定时,随着波长的增加,包层模式的有效折射率比纤芯模式的有效折射率下降得更快,这使得双峰谐振 LP
15、FG 可以获得更高的折射率灵敏度。D1D2D3利用 CO2激光器制备 LPFG 的过程中,激光的热效应使光纤表面形成周期性微槽,同时光纤材料的密度也会发生变化。此外,由于热传递作用,纤芯和包层的折射率会进一步改变,进而发生模式耦合。图 1(彩图见期刊电子版)是 CO2激光器制备的 LPFG 结构示意图,其中 是光栅周期,是光栅槽的深度,是相邻光栅槽之间的距离,是光栅槽的宽度。由于双峰谐振 LPFG 的包层模式阶次较高,故所需光栅周期较小。当LPFG 的周期小到一定范围,相邻的光栅槽将会发生重叠,则无法耦合形成 LPFG。根据 CO2激光器(CO2-H10C,大族激光)的技术手册可知,激光光斑的
16、直径约为 100m,因此本设备可以制备周期大于 100m 的双峰谐振 LPFG。D1D2D3CoreCladdingGrating groove图1CO2激光器制备的 LPFG 结构Fig.1LPFGstructurefabricatedusingCO2laser3仿真分析海水盐度传感器依赖于 LPFG 的折射率传感特性,因此折射率灵敏度是首要研究的关键指标。本文 LPFG 的仿真模型是基于 80m 单模光纤(SMF13-2(21111)-3B,中国电子科技集团公司第四十六研究所)建立的,其纤芯和包层的折射率分别为 1.471 和 1.46,纤芯的直径为 5.2m。此外,由于 CO2激光器制备
17、 LPFG 的方式是单侧打标调制,因此耦合的包层模式为非对称模式25。利用 COMSOL 仿真软件分析 LPFG 的折射率传感特性。当外界折射率为 1 时,基于 80m 单模光纤的 LPFG 的 PMCs 如图 2 所示,在 12001800nm波长范围内,随着包层模式阶次的增加,PMCs 的斜率逐渐增大。当包层模式增加到 LP1,9时,出现双峰谐振效应,此时光栅周期为 107.14m。因此,利用 CO2激光器制备双峰谐振 LPFG 在理论上是可行的。801 2001 3001 400Wavelength/nm1 5001 6001 7001 800160240LP1,3LP1,4LP1,5L
18、P1,6LP1,8LP1,10LP1,7LP1,9Grating period/m320400图2基于 80m 单模光纤的 LPFG 的 PMCsFig.2PMCsofLPFGbasedon80msinglemodefiber在仿真分析过程中,为了更好地对比分析理论与实验结果,用海水折射率代替盐度。两者关系如图 3 所示。01.3331.3341.3351.336Refractive index/RIU1.3371.3381.339DipPolynomial fit of dip5101520R2=0.998y=0.000 003x2+0.000 001x+1.333 5Salinity/25
19、30354045图3海水折射率与盐度的关系Fig.3Seawaterrefractiveindexasafunctionofsalinity利用阿贝尔折射仪(WAY-3S,上海仪电物理光学仪器有限公司)测量中国系列标准海水溶液(GBW(E)130011,国家海洋标准计量中心)的折射率,当海水盐度从 5.001变化到 39.996时,海第2期杜超,等:基于双峰谐振长周期光纤光栅的海水盐度传感器293水折射率从 1.33356 增大到 1.33849。此外,为了简化仿真过程,将折射率范围设置为 1.331.34,而LPFG 的折射率灵敏度通过波长变化来近似表示。选择包层模式 LP1,9来研究双峰谐
20、振 LPFG的折射率传感特性。在 1.331.34 折射率范围内,LPFG 的 PMCs 如图 4(a)所示,当光栅周期为107.3m 时,两个谐振波长之差为 246.663nm。然而,在 DTP 处,光栅周期为 107.974m。因此,在 DTP 附近较小的光栅周期变化就会获得较大的折射率变化。折射率灵敏度与光栅周期之间的关系如图 4(b)所示。在远离 DTP 时,折射率灵敏度变化不明显,且右峰灵敏度大于左峰。当光栅周期大于 107.3m 时,LPFG 的折射率灵敏度开始显著增加。根据 CO2激光器的技术手册可知,激光器的精度约为 1m,因此需要反复调整光栅周期来获得更高的灵敏度。4实验与结
21、果分析双峰谐振 LPFG 不仅对折射率敏感,还对弯曲、应力同样敏感26。传感探头及测量装置如图 5 所示,在滑轮一端的光纤上悬挂 5g 砝码,使 LPFG 在测量过程中始终保持拉直状态,以减小弯曲和轴向应力对测量结果的影响。超连续谱光源(SC-5,安扬激光)与光谱仪(AQ6370D,YOKOGAWA)通过光纤连接,形成完整的回路,以实时监测双峰谐振 LPFG 光谱的变化情况。其中,超连续谱光源的波长范围为 8001700nm,光谱仪的监测范围为 6001700nm。在测量过程中,光谱仪的监测范围设置为 11001700nm。此外,由于测量间隔小于 1min,因此环境温度变化对折射率测量的影响可
22、以忽略不计27。CoreCladdingLPFGSeawaterPulleySensing regionLight objectOptical spectrumanalyzerOptical tableOptical pillarSupercontinuum sourceClamp图5传感探头及测量装置示意图Fig.5Schematicdiagramofsensingprobeandmeasuringdevice根据图 1 可知,光纤微槽的宽度会影响 LP-FG 的传感特性,因此为了保证光栅的一致性,在利用 CO2激光器(额定功率 10W)制备 LPFG 的过程中,激光功率选用总功率的 20.
23、5%,且调制次数选择 1 次。周期为 112m 的双峰谐振 LPFG透射光谱如图 6(a)所示。可见,当外部折射率为 1 时,出现两个谐振波长。但是,当折射率从1.33356 变化到 1.33849 时,右峰偏移出光谱仪的监测范围。如图 6(b)所示,双峰谐振 LPFG 左峰谐振波长的变化量为 1.357nm。为了获得更高的灵敏度,需增大光栅周期使双峰谐振 LPFG 的右峰出现在光谱仪的监测范围内。利用 CO2激光器制备周期为 113m 的双峰1041 2001 3001 4001 5001 600Wavelength/nm1 7001 8001 900(a)1.331.34105106107
24、108Grating period/m107.3 m107.974 m1 430.523 nm246.663 nm1 677.186 nm=109110103.54 5003 5002 5001 5005001 500500Refractive index sensitivity/(nm/RIU)2 5003 5004 500(b)104.5Longer wavelengthShorter wavelength105.5106.5107.5Grating period/m107.3 m108.5图4当折射率从 1.33 变化到 1.34 时:(a)包层模式为 LP1,9的 LPFG 的 PMC
25、s;(b)折射率灵敏度与光栅周期之间的关系Fig.4(a)PMCsofLPFGwithLP1,9claddingmodeand(b)seawaterrefractiveindexsensitivityasafunc-tionofgratingperiodwhenrefractiveindexchangesfrom1.33to1.34294中国光学(中英文)第17卷谐振 LPFG,透射光谱如图 7(a)所示。可见,在1.333561.33849 折射率范围内,出现了两个谐振波长。谐振波长与折射率的变化关系如图 7(b)所示,双峰谐振 LPFG 左峰和右峰的平均灵敏度分别为114.446nm/RI
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