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基于多芯微纳光纤的高灵敏度折射率传感器
摘要：针对低折射率问题，提出了一种基于多芯微纳光纤的折射率传感器。首先，利用有限元模型分析了锥形多芯光纤的模场分布，然后计算了折射率灵敏度与多芯微纳光纤直径之间的关系。最后，对四种不同尺寸的传感器进行了研究，当锥度长度为16.20mm，传感器的折射率灵敏度可达5815.50 nm/RIU,与理论分析一致。折射率测量误差小于0.5%,具有很高的实际应用价值。锥度长度越长，纤维直径越小。根据理论分析，当纤维直径小于4.864 mu; m时,传感器结构的折射率灵敏度高于10000nm/RIU。同时，当传感器的锥度长度为15.99mm时，其温度敏感性为0.1084 nm /C。与单模光纤相比，该传感器具有稳定性好、结构紧凑、灵敏度高等优点，在海水盐度测量领城具有一定的应用前景。
关键词:光纤传感器;折射率测量;多芯光纤
- 介绍
折射率测量在生物、化学、水环境监测等领域具有重要的应用价值。最小偏转角法和阿贝折射仪[3]是测量液体折射率的两种主要方法。这些技术灵敏度低，需要大量的人工操作，不适合实际的工业应用。近年来，光纤传感器以其结构简单、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点在折射率测量领域引起了广泛关注[4]。
光纤折射率传感器主要包括光纤光栅折射率传感器[5]和光纤干涉折射率传感器[6]。2017年，Shen等人。制作了一种长周期光纤光栅折射率传感器，对25mu;m紫外（UV）周期进行了刻划和表征。该传感器的折射率灵敏度在1.315到1.395范围内为312.5nm/RIU[7]。但光纤光栅折射率传感器制造成本高，不能满足超高灵敏度测量的需求，限制了其在折射率测量领域的进一步应用。与光纤光栅折射率传感器相比，光纤干涉传感器具有稳定性好、生产成本低、灵敏度高的优点。2017年Cheng等人。研制了法布里-珀罗干涉折射率传感器。本文研究了一种折射率修正点（RIMD)。利用飞秒激光对单模光纤的近端面进行了诱导。在此基础上，由光纤端面和RIMD构成法布里 -珀罗干涉仪。这个传感器的灵敏度在RI为1.435时高达2523.2dB/RIU[9]。但是，上述光纤干涉传感器在1.33~1.34的低折射率范围内灵敏度较低。
本文提出了一种用于低折射率传感的多芯微纳光纤干涉传感器。该传感器由单模光纤（SMF）、105/125mu;m多模光纤（MMF）和三芯光纤（TCF）组成。理论模拟表明，当光纤直径小于4.864mu;m时，传感器的折射率灵敏度可达10000 nm/RIU。然后，制作了四种不同的传感器，其锥度分别为14.50 mm、15.99 mm、16.10 mm和16.20 mm。实验结果表明，其折射率灵敏度分别为1920.79nm/RIU、2665.06nm/RIU、3509.44nm/RIU和5815.50nm/RIU。对于锥度为16.20 mm的传感器，在1.332‒1.34范围内，测量误差小于0.5permil;。最后，利用该多芯微纳光纤干涉传感器进行了温度传感实验。当锥度长度为15.99mm时，温度灵敏度为-0.1084nm/℃。
- 理论分析
多芯微纳光纤传感器结构如图1所示。光纤经过锥形后，光在偏心轮内传输，TCF的中间芯有光程差，会造成干涉。由于锥的直径较小，TCF的有效折射率受外溶液折射率的影响，而偏心芯的有效折射率受外溶液的影响比中间芯大。
图1
建立TCF模型进行数值模拟，其有限元模型如图2所示。利用有限元法计算了晶体的透射模式，得到了不同模式下晶体的有效折射率值。当外部折射率为1.3320时，TCF的有效折射率和传播常数的仿真结果如图3所示。从图3可以看出，HE11模式的有效折射率和传播常数随着直径的增大而增大 。
图2
图3
多芯微纳光纤结合了模式干涉和倏逝场特性，利用干涉谱的漂移来监测外部折射率的变化。折射率灵敏度的表达式为
式中，是入射光的波长，是TCF中间芯和偏心芯之间的有效折射率差，是外部液体的折射率值，G是群有效折射率差。在图4中，当=1.3320时，显示了折射率灵敏度RI S与多芯微/纳米光纤直径之间的关系。
从图中4可以看出在直径为3.7处有一个转折点，曲线在转折点两边的值相反，在拐点附近，折射率灵敏度较高当光纤的直径逐渐变细，接近拐点时，就很容易获得超高折射率灵敏度，但拐点左侧存在一个干扰截止区。此外，直径越小，纤维越脆弱。因此，微纤维直径应该控制在转折点右侧。
图4
- 实验与结果分析
3.1实验系统构建
本文提出的多芯微/纳米光纤传感器结构由SMF-MMF-TCF-MMF-SMF方案构成，如图5所示，TCF的两端融合两段长度为1mmMMFs，然后将两段MMFs的另一端分别融合到两个SMFs中。MMF、TCF的电镜像图像如图6所示。被用于传感器的MMF的核心直径为105。TCF的三个核心排列在一条线芯直径为8，且核心间距为28的线上。
图5
图6
图7
光纤熔接机型号为Furukawa Electric 。SM-MM自动焊接方式用于SMF与MMF的熔合，MMF与MCF之间的熔合采用手动焊接方式。熔融结构如图7所示，焊接完成后，将多芯光纤缓慢拉伸，使锥度角光滑，减少锥度对不同传播方式的干扰现象。通过降低锥度速度和调节加紧度，可以得到光滑的锥度角。
通过这种方法，通过这种方法，制造了四个不同的传感器，其锥度长度分别为14.50mm、15.99mm、16.10mm和16.20mm，对应的腰锥直径分别为10mu;m、8.56mu;m、7.45mu;m和5.92mu;m。
3.2折射率传感实验
折射率传感装置如图8所示。锥形区域固定在一块玻璃上，以确保传感区域处于直线状态。然后，将整个传感器浸入NaCl溶液中。
图8
四个不同锥度长度的传感器的干涉谱如图9所示。随着锥长的增加，干涉谱的自由谱宽变窄。
图9
图10显示了不同锥形长度的光谱和波长与折射率之间的关系曲线。从10（a）、10（c）、10（e）和10（g）中可以看出随着外溶液折射率的增加，透射光谱发生红移。这是因为随着折射率的增加，中间核和偏心核之间的光程差发生变化。根据图4的模拟结果，当TCF的直径大于3.7mu;m时，折射率灵敏度为正值，导致光谱发生红移。实验数据与仿真结果吻合较好。
通过分析槽形漂移与NaCl溶液折射率变化的关系，得出了槽形漂移与NaCl折射率变化的关系，得到了四个传感器的折射率灵敏度曲线[图3]。10(b)、10(d)、10(f)和10(h)]。从图10(b)、图10(d)、图10(f)和图10(h)可以看出，本文提出的传感器对折射率的变化非常敏感，并且是线性的。当锥度长度分别为14.50 mm、15.99 mm、16.10 mm和16.20 mm时，SRI最高可达1920.79 nm/RIU、2665.06 nm/RIU、3509.44 nm/RIU和5815.50 nm/RIU。
如第3.1节所述，当锥度长度为14.50 m m、15.99 mm、16.10 mm和16.20 mm时，相应的腰锥直径分别为10.00mu;m、8.56mu;m、7.45mu;m和5.92mu;m。表1显示了数值模拟和实际测量结果之间的差异。由表1可以看出，模拟和实验结果显示出相同的规律性，随着锥长的增加，折射率灵敏度变大。然而，实验得到的SRI值总是小于理论模拟得到的SRI值。其主要原因是在建立仿真模型时，锥形区域近似等价于梯形区域，而实际锥形区域是逐渐变化的。
传感器与其它类型折射率传感器的比较结果见表2。由表2可以看出，基于多芯微纳光纤的模态干涉传感器具有较高的折射率灵敏度。
3.3折射率传感器的准确度检测
首先制备了两种标准溶液，用阿贝折射仪测得其折射率值分别为1.3371和1.3385。然后，在三个不同的地点和两个不同的海洋深度采集六个海水样本。它们被标记为浅、深、浅、深、浅、深、浅、深。用16.20毫米锥长的传感器测量了6个海水样品的折射率。被测溶液和标准液体的光谱如图11所示。将A浅、B浅和B深的光谱与标准液体的光谱n=1.3371进行了比较。比较了深、浅、深的光谱与标准液体n=1.3385的光谱。
图11
根据上述数据，可以计算出未知海水样品的折射率值。为保证测量精度，选取多个波谷作为参考点，得到了多个被测样品的折射率，并计算了其平均值。同时，以阿贝折射仪为标准值，对海水样品的折射率进行了测量。测量值的误差分析见表3。由表3可以看出，本文所述结构传感器的测量误差小于0.5permil;。
3.4温度传感实验
温度实验的装置如图12所示。传感器的环境温度可由温度控制箱来控制。
图12
采用15.99mm锥度的传感器进行温度传感实验。在图13中测量和分析了不同温度下的透射光谱。随着温度的升高，光谱向短波方向移动，如图13（a）所示，并且传感器的温度灵敏度为-0.1084nm/℃，具有良好的线性，如图13（b）所示。
由[16]可知，传感器还可以与光纤布拉格光栅（FBG）级联[17]，和是FBG中心波长和1550 nm附近的观察点之间的波长漂移。
A和B分别是FBG折射率和温度灵敏度；C和D是多芯微/纳米光纤传感器的折射率和温度灵敏度；和分别是折射率和外部环境温度的变化。这意味着多芯微纳光纤传感器有可能实现折射率和温度的同时测量。
- 结论
针对高精度折射率测量的需要，研制了一种多芯微纳光纤传感器。提出了一种SMF-MMF-TCF-MMF-SMF级联结构的多芯微纳光纤传感器。采用有限元法对传感器的折射率灵敏度进行了分析，理论分析表明，当光纤直径小于4.864mu;m时，传感器的折射率灵敏度大于10000 nm/RIU。制备了四种不同的折射率测量传感器，分别为14.50 mm、15.99 mm、16.10 mm和16.20 mm锥形长度，实验研究表明，SRI最高可达1920.79 nm/RIU、2665.06 nm/RIU、3509.44 nm/RIU和5815.50 nm/RIU。当SRI达到5815.50 nm/RIU时，折射率测量误差小于0.5permil;。实验结果还表明，多芯微纳光纤传感器具有稳定性好、线性好等优点。我们认为，本文提出的传感器在海水盐度测试、生物、化学等领域具有广阔的应用前景。
感谢在撰写本文期间帮助我的每一个人。我非常感谢论文中的所有研究人员，他们为完成本文的研究工作而努力工作。我还要特别感谢《华尔街日报》的评论员和编辑们请我提供指导和建议，使论文更加完整。这项工作得到了国家自然科学基金（批准号61735011和61405173）、河北省自然科学基金（批准号F2016203389和C2015003053）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（批准号2018D01A25）和科学资助项目的资助河北省高等学校技术计划（批准号：ZD2017082）。
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