光子晶体光纤液压传感技术研究进展

刘华北, 周雁, 邵杰, 管祖光, 陈达如∗

(1 浙江师范大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 311200;2 浙江师范大学信息光学研究所, 浙江 金华 321004)

0 引 言

光纤传感器因具有结构紧凑、灵敏度高、防电磁干扰等优点,受到各行业的广泛关注[1]。特别是在一些恶劣工作环境中,如高温、高湿度、电磁辐射等,光纤传感器相对于传统的电气类传感器表现出了更加良好的稳定性[2]。此外光纤传感器还适用于爆炸性或腐蚀性环境中,如地下煤矿,海上油井等[3]。光纤传感器的出现为这些行业从恶劣的工作环境中获取传感信息提供了新的机会。

光纤液压传感器在各工业领域具有重要的应用价值。光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是最早发展的较为成熟、可靠的光纤传感技术,通常用于压力、温度等物理量的测量[4,5],其低传输损耗和防电磁干扰的特性可以使光纤液压传感器进行远距离测量,然而单模光纤FBG 的液压传感器的灵敏度仅为3.04 pm/MPa 左右[6],不能满足很多实际应用的需求。为进一步提升探测灵敏度,光纤干涉技术被应用到液压传感中,如利用Fabry-P´erot(FP)干涉或Mach-Zehnder(MZ)干涉与单模光纤相结合构造出高灵敏的液压传感器[1]。然而由于单模光纤结构简单,限制了液压探测的灵敏度和分辨率。新型特种光纤的出现为得到更高灵敏度提供了新的窗口。光子晶体光纤(PCF)具有特殊的导光机理,其横截面具有高度灵活的设计空间,因此有望获得更高的液压敏感度[7]。同时PCF 液压传感器继承了传统的测压办法,如光栅法和干涉法,其中光栅型液压传感器通过光栅反射波长的漂移反映出压力的变化,PCF 具有更高的轴向应变,因此对液压变化更加敏感。已报道的PCF 光栅液压传感的灵敏度是单模光纤FBG 液压传感器的十倍[8]。干涉型PCF 传感器通常使用高双折射PCF(HB-PCF),通过改变空气小孔的排列可以实现高双折射光纤。干涉型光纤液压传感器结构简单,通常利用一个Sagnac 干涉结构就可以得到很高的液压灵敏度。此外在HB-PCF 中,由于两种偏振模式的存在,光栅会出现两个反射峰。因此,可以使用两个峰值的漂移量来同时测量压力和温度响应[9]。PCF 具有较高的双折射效应,利用PCF 双折射等特性可以开发出具有高灵敏度的液压传感器[10]。

本文回顾了四种典型的PCF 液压传感技术,介绍了相关的工作原理,并对其主要性能进行了比较和分析,最后总结了PCF 液压传感器的研究现状、发展特点及发展趋势。

1 PCF 及其液压传感原理

PCF 也可称为微结构光纤,其主要特征是在光纤横截面上规则地排列着各种气孔,即在其横截面上具有复杂的折射率分布。如图1(a)所示,传统的单模光纤(SMF)由纤芯和包层组成,纤芯具有更高的折射率,当光线满足全内反射条件时即可在纤芯内传播[11];如图1(b)所示,PCF 一般由单一的二氧化硅材料组成,光纤截面上规则排列的气孔提供了一种类似于阶跃折射率光纤的折射率分布,其导光机理为改进的全内反射;另外PCF 还可以是空芯的,如图1(c)所示,空芯PCF 的纤芯折射率低于包层,但当气孔间距和气孔直径满足一定条件时,包层可以对一定波长的光形成光子能隙,光就会被束缚在空芯中,这种机理被称为光子能隙导光机理[12]。

图1 (a)单模光纤;(b)PCF;(c)空芯PCFFig.1 (a)Single mode fiber;(b)Photonic crystal fiber;(c)Hollow-core photonic crystal fiber

由于PCF 结构的特殊性和设计的灵活性,使其具有许多独特的物理性质:可控的非线性、无尽单模特性、可调节的奇异色散、低弯曲损耗、大模场等[11,12]。同单模光纤类似,PCF 也可通过刻写光纤布拉格光栅或构建光学干涉实现液压传感[13]。如利用PCF 的高双折射特性设计出的双芯光子晶体,可应用于Mach-Zehnder 干涉的液体静压传感器[14]。PCF 由于引入了灵活分布的气孔,很容易引起双折射[15,16]。巧妙地设计PCF 结构,可以尽可能地提高PCF 传感器的灵敏度。

随着光纤制作工艺的不断提升[17],各种光子晶体传感技术逐渐涌现,研究人员充分利用光子晶体的特性研制出了超高灵敏度的液压传感器[18],其中PCF 的双折射效应在液压传感方面应用最为广泛。光纤的相位双折射和群模态双折射可表示为[19]

式中:nx、ny分别是x、y方向两个偏振模态的有效折射率,λ 是光波长。由于光弹效应[20],光纤的折射率会随外界液压的变化而变化,施加液压后的光纤折射率为

式中:σx、σy、σz分别为x、y、z三个不同方向上的应力分量,C1= 6.5×10−13m2/N、C2= 4.2×10−12m2/N 为纯二氧化硅的应力-光学系数。采用宽带光源(BBS)作为输入光,将保偏PCF 置于液压变化的环境中,通过耦合器和光谱分析仪(OSA)会发现干涉峰的偏移,其压强灵敏度定义为

基于保偏PCF 的传感器可同时进行压力和温度的双参数测量[9,21]。由于PCF 具有非对称孔结构,快轴和慢轴对环境压力的响应不同,且一般慢轴具有较高的灵敏度。然而,由于两个轴表现出相似的热膨胀,导致两种极化对温度的响应差异非常小。各峰的波长漂移量可以体现出温度和压力的变化,即

式中Sx,p、Sy,p、Sx,T、Sy,T为x方向和y方向两个偏振模态的液压和温度灵敏度。

2 PCF 液压传感技术

2.1 双折射PCF 液压传感技术

PCF 的高双折射特性提供了构建Sagnac 干涉液压传感器的理想条件[22]。在图2 中,将保偏PCF 拼接到一个3 dB 耦合器环路中构成干涉回路;耦合器将输入的BBS 分成两个方向相反的光束,通过OSA在耦合器的另一端检测干涉信号。在静液压下,光纤因应力而产生的形变相对较小,干涉谱相位变化可认为主要源于双折射变化。液压灵敏度由双折射变化决定,通过优化气孔排列可以得到很高的双折射,进而提高液压灵敏度,这种基于PCF 的Sagnac 干涉仪(SI)传感器具有超高的灵敏度。2010 年,F´avero等[20]设计了一种高双折射PCF,并实验获得了3.4 nm/MPa 的液压灵敏度和0.29 pm/◦C 的温度灵敏度,证明了PCF 温度敏感性低于压力敏感性。虽然该传感器仅测试了2.5 MPa 和100◦C,但其工作范围将主要受到封装的密封能力的限制,纤维本身仍能够承受更高的压力和温度。2014 年,Liu 等[23]提出一种基于高双折射六孔悬浮纤芯光纤(HB-SCF)的液压传感器,其在0 ∼20 Mpa 液压范围内灵敏度可到达2816 pm/MPa。由于PCF 是由纯熔融二氧化硅制作,与标准的单模光纤FBG 温度传感(温度灵敏度为10 pm/◦C)相比,对50 ∼350◦C 的温度变化范围并不灵敏,此时其温度灵敏度仅有1 pm/◦C。2017 年,Ayyanar 等[24]提出了一种椭圆纤芯的PCF,其双折射率高达10−2数量级,并得到了87.5 pm/MPa 的灵敏度。2018 年,Liu 等[25]又提出一种基于双半圆孔PCF 的SI 液压传感器,在0 ∼3000 kPa 的压强下具有45000 ∼50000 pm/MPa 的超高灵敏度。

图2 (a)基于PCF 的Sagnac 干涉仪;(b)保偏PCFFig.2 (a)Sagnac interformeter based on PCF;(b)Polarization-maintaining PCF

2.2 PCF 光栅液压传感技术

光纤光栅技术普遍用于液压传感技术领域。采用高功率的紫外激光器可以在PCF 上刻蚀出高质量的布拉格光栅(FBG)[26]。布拉格反射波长由布拉格条件λB=2neffΛ 决定,其中neff为基模的有效折射率,Λ 为光栅周期。如图3,将PCF 置于一个充满液体的静压系统中,光纤会受到径向应力和轴向应力[27]。径向应力导致正应变,而轴向应力导致负应变,PCF 引入的空气孔使得二氧化硅面积相对减少,因此增加了轴向应变,具有更高的压敏特性。传统的光纤FBG 传感器通常被认为不适合高温工作。虽然光纤光栅压力传感器已采用紫外激光书写,但由于紫外诱导折射率变化的热稳定性较差,其工作温度限制在300◦C 以下[28],且普通单模光纤的液压敏感度约为−3 pm/MPa。2010 年,Jewart 等[29]采用超快激光在双孔光纤中写入了耐高温型光栅,并研究了在0.1∼13.8 MPa 范围内光纤光栅的共振波长漂移和峰值分裂随外界液压的变化规律,光栅压力传感器在800◦C 以上显示高稳定性。同年,Wu 等[26]报道了大空气孔的柚子型PCF,由于大幅度增加了空气孔的占比,使得轴向应变的压敏性占据主导地位,灵敏度相对于单模光纤提高了4 倍多,在0∼25 Mpa 范围内灵敏度为−12.86 pm/MPa,并且实验中还发现光纤头部的压力变化对光纤光栅的压敏性没有影响。2013 年,Liu 等[9]利用保偏PCF,通过检测不同偏振光的峰值漂移实现了同时对液压和温度进行测量。在液压0∼40 MPa 的范围内,快轴和慢轴的压力灵敏度分别为−1.96 pm/MPa和−5.13 pm/MPa;在20∼300◦C 温度范围内,快轴和慢轴表现出几乎一致的温度灵敏性(约为12 pm/◦C)。2016 年,Lin 等[30]设计了一种空气占比更大的悬浮单环PCF,进一步提高了灵敏度,在0∼−40 Mpa 范围内达到−18.92 pm/MPa。2017 年,Huang 等[31]提出了一种稳定飞秒脉冲宽度的蝶形微结构光纤内切光栅方法,用于超高压/超高温环境下的压力监测,并进一步研究了PCF-FBG 传感器的高温稳定性。实验测试了几种热处理方法,以稳定传感器的工作温度范围;此外,还研究了热瞬变对压力读数的影响,给出了在缓慢和快速温度变化环境下的压力系数。

图3 FBG-PCF 受到应力发生应变Fig.3 The strain of FBG-PCF under pressure

2.3 FP 腔PCF 液压传感技术

鉴于以上所述原理,很容易想到可以将法布里-珀罗(FP)腔与PCF 相结合。FP 腔的制作方式多种多样,可以在光纤端面涂敷反射层[32],或者直接做一个空气腔[33]。如图4(b)所示,将纤芯经掺杂处理的SMF 熔接到PCF 的两端也可构建成FP 腔。

图4 (a)基于PCF 的FP 干涉仪;(b)FP 腔Fig.4 (a)PCF-based FP interferometer;(b)FP cavity

当将FP 腔置于高压环境中,由于光弹效应,PCF 的有效折射率会发生改变。另外,PCF 的长度也会发生改变。FP 腔的液压灵敏度不依赖光纤长度,因此可以设计的十分紧凑。早在2007 年,Young 等[34]就介绍了使用PCF 错位拼接方法实现应变和温度的测量。由于PCF 是由纯熔融二氧化硅组成,相对于传统光纤,实验展现出更好的高温稳定性。2011 年,Wu 等[35]将较短的PCF 与标准单模光纤拼接而制成光纤FP 干涉仪,传感器在高温高压环境下的液压灵敏度为−5.57 pm/MPa。该传感器制作简单、成本低、体积紧凑,更适合应用于高压和高温的实际环境中。

2.4 双芯PCF 液压传感技术

由于PCF 具有灵活的设计空间, 高双折射的双芯PCF(DC-PCF) 逐渐被提出并应用到液压传感中[36−40]。如图5 所示,Chen 等[37]设计了一种用于液压传感的DC-PCF。图5(a)所示的光纤横截面中,两个实心纤芯被一个空气孔隔开,在PCF 内部形成两个独立的波导,并伴随着模式耦合;图5(c)分别是DC-PCF 的x方向偏振的偶模和奇模。当工作波长为1.5µm,方向偏振偶模和奇模的有效折射率分别为ne=1.398601 和no=1.398298。根据模式耦合理论[38],耦合长度为Lc=λ/(2|ne−no|)=2.55 mm,即光能量沿DC-PCF 经过2.55 mm 后将从其中一纤芯转换到另一纤芯,其传输能量可以表示为

图5 (a)双芯PCF(DC-PCF)[37];(b)新型侧孔DC-PCF[39];(c)DC-PCF X 方向偏振的偶模和奇模[37]Fig.5 (a)Dual-core photonic crystal fiber(DC-PCF)[37];(b)New type of side hole DC-PCF [39];(c)X-polarized even mode and odd mode of DC-PCF [37]

如图6(a),将2 cm 的DC-PCF 两端与单模光纤熔接在一起,光纤需要适度错位以保证熔接时DC-PCF的一个纤芯和单模光纤的纤芯对接。当宽带光源注入到DC-PCF 并从另外一端的单模光纤输出时,其光谱分布服从(7)式。当DC-PCF 受到的静水压强改变时,光弹性效应将导致熔融石英折射率变化,进而导致偶模和奇模的有效折射率改变。将传感器置于最大压力为45 MPa 的静液压力容器中,所施加的液压由高精度压力表测量。使用中心波长为1.55µm 的宽带光源,并利用分辨率为0.02 nm 的光谱分析仪检测透射光谱。每次增加5 MPa 液压,记录0∼45 MPa 的静压干涉光谱。图6(b)为某一干涉峰与静液压强的关系函数,其灵敏度为−54.06 pm/MPa,线性拟合良好(R2=0.99836),并拥有很高的重复性。为了进一步提高液压灵敏度,Hu等[39]设计出新型侧孔DC-PCF,其光纤横截面如图5(b)所示,两个实心光纤芯被几个小气孔和两个大气孔包围,两纤芯被一个小气孔隔开;两个大的空气孔称为侧孔,本质上提供了一个内置的转换机制,以增强液压从而诱导折射率变化;通过不断优化结构,已获得的高压灵敏度可达110.8 pm/MPa。此外DC-PCF 也可用于压力和温度的同时测量。2015 年,Wu 等[21]设计了一种温度交叉灵敏度较小的DC-PCF 压力传感器,其压力灵敏度分别为−21.7 pm/MPa 和18.0 pm/MPa,温度灵敏度分别为11.6 pm/◦C 和10.7 pm/◦C。同年Revathi 等[40]进一步优化设计了DC-PCF,提高了灵敏度,计算得到的压力灵敏度为−10.5 nm/MPa,温度灵敏度为20 pm/◦C。

灵敏度是评价液压传感器的重要参数之一。相较于单模光纤,PCF 因其结构不对称性而具有更高的液压敏感性。此外PCF 一般只有熔融二氧化硅单一材料构成,对温度的稳定性较高。同时基于PCF 的液压传感器因采用的原理不同,液压灵敏度和温度依赖性也存在较大差异。此处挑选了一些具有代表性的光纤液压传感器的主要参数进行比较,如表1 所示。由1 表可见,采用高保偏PCF 的SI 干涉方法可以得到超高的压力灵敏度,同时还有较高的温度灵敏性,这主要是由PCF 本身的高双折射特性造成的。除HB-SCF/SI 方法外,其他方法得到的温度相关系数约为10 pm/◦C,与液压灵敏度相差不大,这可能导致光栅、FPI 或MZI 方案的交叉灵敏度问题,而SI 的高液压灵敏度可以大大降低温度交叉的影响。

表1 不同类型PCF 液压传感器的相关参数Table 1 Related parameters of different types of PCF pressure sensors

3 分析讨论

基于PCF 的液压传感技术基于石英光纤的光弹效应,通过光学特征量例如光谱的测量来实现对折射率改变的感知,从而实现对液压的传感。同时,PCF 具有灵活的横截面设计空间,通过独特的光纤设计可进一步改进液压增敏技术方案。本文回顾了几种典型的PCF 液压传感技术:1)双折射PCF 液压传感技术,其特征是液压带来光纤双折射变化,通过Sagnac 干涉光谱探测实现液压传感。该技术可实现很高的液压灵敏度,但由于采用了Sagnac 光纤环结构,尺寸较大,难以实现多个传感器复用。2)PCF 光栅液压传感技术,其基于光纤布拉格光栅反射波长与液压带来的应变及应力导致的折射率变化的关系实现液压传感。由于尺寸很小的光纤布拉格光栅的传感解调及复用技术非常成熟,使得该技术具有大规模复用的巨大优势并且具有很小的传感单元。3)FP 腔PCF 液压传感技术,其特征是采用FP 干涉光谱探测实现液压传感。通常是采用不同介质(包括空气)界面反射形成FP 腔,传感单元结构紧凑,液压灵敏度依赖FP腔的结构和材料,能够实现传感单元的复用。4)双芯PCF 液压传感技术,其特征是在PCF 内设计了两个相互耦合的光波导结构,液压对耦合特性有影响,通过探测耦合特种光谱实现液压传感。该技术体现了PCF 灵活设计带来的优点:直接在光纤内部构建液压传感单元。相关研究报告表明双芯PCF 可以实现高灵敏度的液压传感,具有成本低、结构简单等优点。

PCF 液压传感器的发展特点及趋势归纳如下:1)追求传感单元小型化;2)进一步提高液压灵敏度;3)解决与其他物理量的交叉影响;4)增强PCF 液压传感器的复用水平。

4 结 论

光纤晶体光纤液压传感技术在传感单元层面已有相当深入的研究,相关技术也展示了巨大的潜在优势,相关传感结构可以用于温度、振动、折射率等物理量的传感,除了液压应用领域,也可能在生物、医学(如微创手术)、心血管疾病检测等方面得到应用。但与其他光纤传感技术发展状况类似,仍面临着系统集成、降低成本等问题。