基于空芯光纤的复合双腔光纤法珀盐度传感器

为实现高灵敏度的盐度测量，提出了一种基于空芯光纤的单模光纤–空芯光纤–单模光纤（SMF-HCF-SMF）复合双腔光纤法珀（F-P）盐度传感器。该传感器通过精密切割结合光纤熔接技术制备，结构小巧，工艺简单。通过HCF段空气腔与SMF段介质腔所对应的反射光谱干涉信号的振幅之比对盐度进行测量，可以有效剔除光源功率起伏以及其他外部干扰的影响，实现盐度的高灵敏度测量。利用该传感器进行了盐度测量实验，在0%～24%的范围内实现了高达0.101 %⁻¹的盐度测量灵敏度，同时传感器表现出了良好的线性响应。

Abstract

A compound dual-cavity fiber-optic salinity sensor based on hollow core fiber with a structure of single-mode fiber-hollow-core fiber-single-mode fiber (SMF-HCF-SMF) was proposed and demonstrated. The sensor achieves the salinity measurement through the amplitude ratio of the reflection spectral interferometric signals form the HCF air cavity and the SMF dielectric cavity. By using this method, interferes from fluctuations of the source power and other external disturbances can be effectively removed, so high sensitivity measurement of salinity can be realized. By precise cutting and fiber fusion, corresponding compound dual-cavity Fabry Perott sensing structure was fabricated, and real salinity measurement experiment was carried out. In a salinity range of 0%-24%, a salinity sensitivity of 0.101%^-1 was achieved. Meanwhile, the sensor shows a good linear response.

1 引　言

盐度是重要的水体参数之一，也是监测水质的重要因素。盐度测量在化学和生物分析、海洋环境监测、生产过程控制、季节性气候预测、生态系统保护和许多工业领域等 [1 - 3] 都起着重要的作用。

研究者与工程技术人员已提出多种测量盐度的方法和技术，较为成熟的方法有折射率法 [4] 、电导率法 [5] 、表面等离子共振法 [6] 、硝酸银滴定法 [7] 等。这些方法应用范围广泛，经过多年的发展，具有响应时间短、测量精度高、信号易于处理和控制等优点。但是，这些方法也存在着长期稳定性和互换性差的缺点，且表面等离子共振法的测量系统结构复杂、成本费用较高，硝酸银滴定法需要实验室分析或对环境参数敏感，电导率法会易受到电磁干扰的影响 [8 - 9] 。

近年来，光纤传感技术快速发展，与传统电学传感技术相比有很多不可替代的优势，如结构紧凑、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、响应速度快、抗电磁干扰、稳定性好、适用恶劣环境、使用灵活等 [10] 。光纤传感技术也被提出用于盐度测量，目前光纤盐度传感测量技术主要为剥层光纤法和光纤光栅法：剥层光纤法是用一根多模光纤（单模光纤也可以，多模光纤会更好），剥去包层和保护层，形成弯弧，浸入溶液中，通过测量折射率间接测量出盐度 [11] ；光纤光栅也可用于盐度测量 [12] ，光纤光栅作为传感器是利用应力-透射/反射光谱特性，即在应力作用下，光纤光栅周期发生伸长或缩短，从而引起反射光谱中心波长改变，实现传感，当将光纤产生应力的敏感器件由盐度敏感的材料做成，即为光纤光栅法盐度测量传感器。基于这些光纤盐度传感测量技术原理，不同类型的光纤盐度传感器也相继被提出 [13] ，Cong等 [14] 制作了基于drogel涂层光纤布拉格光栅盐度传感器，Liu等 [15] 通过蚀刻涂覆层优化了相同的结构，获得了约10.4 pm/%的灵敏度，并且制造复杂。2019年，Sun等 [16] 提出了基于光纤布拉格光栅（FBG）盐度传感器的实验研究并获得了-0.0358 nm/%的灵敏度。尽管FBG传感器具有简单的结构并适合于长期测量过程，但它们的灵敏度非常低。2020年，Lin等提出了一种基于单模光纤-单模光纤-无芯光纤-单模光纤-单模光纤（SSNSS）结构的光纤盐度传感器，通过测量溶液折射率达到测量盐度值，其灵敏度可以为-3.42 nm/% [17] ，此方法测量盐度的灵敏度有了一定的提高，但是存在制作复杂的问题。因此，研究一种制作简单、灵敏度高的盐度传感器具有重要意义。

本文提出并设计了一种基于空芯光纤的单模光纤-空芯光纤-单模光纤（SMF-HCF-SMF）复合双腔法珀光纤盐度传感器，由于通过HCF段空气腔与SMF段介质腔所对应的反射光谱干涉信号的振幅之比对盐度进行测量，故可有效剔除光源功率起伏以及其他外部干扰的影响，实现盐度的高灵敏度测量。

1 结构与制作

所提出的基于空芯光纤的SMF-HCF-SMF复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器，由一段SMF、一段HCF和一段一定长度的SMF构成，如图1所示。其中， ${R_1}$为SMF段后端面与HCF段空气腔前端面的界面反射率， ${R_2}$为HCF段空气腔后端面与一定长度SMF段介质腔前端面的界面反射率， ${R_3}$为一定长度SMF段介质腔后端面与NaCl溶液的界面反射率。HCF部分长度为几十微米量级，其两端的SMF端面相互平行构成一个空气腔，HCF右侧SMF长度为百微米量级，其两个端面平行且垂直于SMF轴线，构成一个介质腔。

图 1. Structure diagram of composite dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core Fiber基于空芯光纤的复合双腔法布里–珀罗光纤盐度传感器结构简图

Fig. 1.

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SMF-HCF-SMF结构的复合双腔法珀光纤盐度传感器的基本制作流程如下。

步骤一：去除两根单模光纤以及空芯光纤的端面附近的涂覆层后，使用光纤切割刀切除裸光纤的不平整端面，并做抛光处理，保证光纤端面绝对平整并严格垂直于光纤轴线；

步骤二：使用熔接机将一根切平端面的SMF与切平端面的HCF熔接；

步骤三：在光学显微镜下使用五维精密调节架精准调节熔接之后的HCF在光纤切割刀刀口上的位置，切割出所需长度空芯光纤；

步骤四：将此结构再与另一根切平端面的SMF熔接，在显微镜下使用光纤切割刀切割得到所需长度的SMF，形成SMF-HCF-SMF结构的复合双腔法珀光纤盐度传感器。

根据上述制作方法，使用内径为75 μm，外径为125 μm的空芯光纤与包层直径为125 μm的标准单模光纤制作了基于SMF-HCF-SMF结构的法布里-珀罗光纤盐度传感器，如 图2 所示，其中HCF部分构成的空气腔长度为39 μm，SMF部分介质腔腔长为560 μm。

图 2. Micrograph of compoud dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber基于空芯光纤的复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器显微图

Fig. 2.

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2 盐度传感原理

复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器三个界面的反射率分别为

${R_1} = {R_2} = {\left( {\frac{{{n_{{\rm{SMF}}}} - {n_{{\rm{air}}}}}}{{{n_{{\rm{SMF}}}} + {n_{{\rm{air}}}}}}} \right)^2}$ (1)

${R_3} = {\left( {\frac{{{n_{{\rm{SMF}}}} - {n_{{\rm{NaCl}}}}}}{{{n_{{\rm{NaCl}}}} + {n_{{\rm{SMF}}}}}}} \right)^2}$ (2)

式中： ${n_{{\rm{S\!MF}}}}$为单模光纤折射率； ${n_{{\rm{air}}}}$为空芯光纤空气腔折射率； ${n_{{\rm{NaCl}}}}$为NaCl溶液折射率。由于 ${n_{{\rm{S\!MF}}}}$为1.4682， ${n_{{\rm{air}}}}$为1，常温下 ${n_{{\rm{NaCl}}}}$通常介于1.33～1.38之间，故由式（1）和式（2）知复合双腔三个界面的反射率远小于1，因此两个法珀腔均可视为低细度法珀干涉仪。如果光谱功率密度为 ${I_i}\left( \lambda \right)$的宽带光照射进入该传感器，干涉光可近似为

${I_r}(\lambda ) = {I_0}(\lambda ) + {I_{{\rm{HCF}}}}(\lambda ) + {I_{{\rm{SMF}}}}(\lambda ) + {I_{{\rm{HCF}} + {\rm{SMF}}}}(\lambda )$ (3)

其中，

${I_0}\left( \lambda \right) = \left( {{R_1} + {R_2} + {R_3} + {R_1}{R_2}{R_3}} \right){I_i}\left( \lambda \right)$ (4)

${I_{{\rm{HCF}}}}\left( \lambda \right) = 2\sqrt {{R_1}{R_2}} \left( {1 + {R_3}} \right){I_i}\left( \lambda \right)\cos \left( {\frac{{4{\text{π}} }}{\lambda }{n_{{\rm{air}}}}{L_1}} \right)$ (5)

${I_{{\rm{SMF}}}}\left( \lambda \right) = 2\sqrt {{R_2}{R_3}} (1 + {R_1}){I_i}\left( \lambda \right)\cos \left( {\frac{{4{\text{π}} }}{\lambda }{n_{{\rm{SMF}}}}{L_2}} \right)$ (6)

${I_{{\rm{HCF}} + {\rm{SMF}}}}(\lambda ) = 2\sqrt {{R_1}{R_3}} {I_i}(\lambda )\cos \left[ {\frac{{4{\text{π}} }}{\lambda }({n_{{\rm{air}}}}{L_1} + {n_{{\rm{SMF}}}}{L_2})} \right]$ (7)

式中： ${I_0}\left( \lambda \right)$代表了基底光谱功率密度，其光谱形状与光源一致； ${I_{{\rm{HCF}}}}\left( \lambda \right)$、 ${I_{{\rm{SMF}}}}\left( \lambda \right)$和 ${I_{{\rm{HCF}} + {\rm{SMF}}}}\left( \lambda \right)$分别代表HCF段空气腔、SMF段介质腔以及HCF与SMF两段所组成法珀腔前后界面的F-P干涉信号光谱功率密度，F-P干涉信号均为幅值固定的余弦信号。式（5）与式（6）中 ${I_{{\rm{HCF}}}}\left( \lambda \right)$与 ${I_{{\rm{SMF}}}}\left( \lambda \right)$的光谱功率密度振幅比为

$\eta = \frac{{{I_{{\rm{HCF}}}}(\lambda )}}{{{I_{{\rm{S\!MF}}}}(\lambda )}} = \frac{{\sqrt {{R_1}} (1 + {R_3})}}{{\sqrt {{R_3}} (1 + {R_1})}}$ (8)

由于 ${n_{{\rm{HCF}}}}$和 ${n_{{\rm{air}}}}$为常数，显然，光谱功率密度振幅之比 $\eta $仅为NaCl溶液折射率 ${n_{{\rm{NaCl}}}}$的函数，与光源光谱无关，也不受光强扰动的影响，并且在 ${n_{{\rm{NaCl}}}}$变化较小时，与 ${n_{{\rm{NaCl}}}}$成正比。参考前人研究所得NaCl溶液盐度与其折射率 ${n_{{\rm{NaCl}}}}$的正比关系[18]

${n_{{\rm{NaCl}}}} = 0.0018S + 1.333$ (9)

式中S为盐度。可知 $\eta $是NaCl溶液盐度S的函数， $\eta $的变化量与盐度S变化量成正比关系。因此，通过获取该复合双腔法珀传感器的反射光谱，计算得到HCF段介质腔与SMF段空气腔对应光谱功率密度振幅比 $\eta $，可以实现盐度传感测量。该测量结果不受光源功率起伏或外部扰动引起光强变化的影响。

但是，由于复合双腔法珀盐度传感器的反射光谱信号较为复杂，很难通过直接获取光谱功率密度振幅的方式得到其比值 $\eta $，为此结合傅里叶变换与滤波的方法进行信号处理。首先，将由光谱仪获取的反射光谱信号由波长域变换至频域，并通过插值处理，使之成为等频率间隔的离散信号；然后，采用带通滤波和反傅里叶变换分别获取HCF段空气腔和SMF段介质腔对应的频域干涉信号；最后，获取两个频率干涉信号的幅值，并计算得到其振幅比 $\eta $。

3 实验与分析

为验证并测试所提出复合双腔光纤盐度传感器的性能，搭建了如 图3 所示的盐度实验测量系统，该系统由宽带光源、光纤环行器、复合双腔光纤盐度传感器以及光谱分析仪（OSA）构成。其中，宽带光源为超辐射发光二极管（SLD），最大输出功率5.7 mW，中心波长1568 nm，3 dB带宽约为90 nm，输出光谱为高斯型，如 图4 所示。光谱分析仪（OSA）采用日本Anritsu公司生产的高精度光纤光谱分析仪（MS9740A），其光谱测量范围为0.6～1.75 μm，最高波长分辨率可达0.03 nm。复合双腔光纤盐度传感器，通过光纤夹持器固定于机械升降台上，并垂直伸入盛放于玻璃烧杯中不同配比的NaCl溶液里。实验中，NaCl溶液盐度范围为0%～24%。

图 3. Schematic diagram of compound dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensing experimental system复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感实验装置示意图

Fig. 3.

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图 4. Output spectrum of the SLDSLD光源输出光谱

Fig. 4.

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SLD光源发出的宽带光，通过光纤环行器后，照射进入复合双腔光纤盐度传感器，其中部分光被传感器空气腔和介质腔的三个界面反射并发生干涉，该部分反射光由光纤环形器2端口返回，并由3端口出射至光谱分析仪。通过光谱分析仪获取的复合双腔的反射光谱，进行分析处理，获取空气腔和介质腔光强对比度之比，从而得到盐度信息。

室温下，对盐度间隔为3%、范围为0%～24%的9组不同盐度的NaCl溶液进行了测量，盐度为0%、12%、24%时的归一化反射光谱如 图5 所示。该反射光谱表现出了明显的复合双腔的光谱特征，为一个收到快速振荡信号调制的缓变多峰干涉光谱。其中，缓变的多峰值干涉光谱来源于腔长较短的HCF空气腔，快速振荡的光谱调制信号来源于腔长较长的SMF介质腔。可以看出，光谱峰峰间隔不受盐度变化影响，盐度变化影响主要体现在快速振荡的光谱调制信号的幅值，即主要影响介质腔的对比度大小，这与理论预期相符。通过测量介质腔的光谱信号对比度，可以实现对盐度的监测。

Normalized reflection spectra of the dual-cavity F-P salinity sensor for three different salinity of 0%, 12%, and 24%.盐度为0%、12%和24%时复合双腔F-P盐度传感器的归一化反射光谱

图 5. Normalized reflection spectra of the dual-cavity F-P salinity sensor for three different salinity of 0%, 12%, and 24%.盐度为0%、12%和24%时复合双腔F-P盐度传感器的归一化反射光谱

Fig. 5.

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不同盐度NaCl溶液的反射光谱进行傅里叶变换结果如图6所示，共存在三个峰。峰1、峰2和峰3分别对应39 μm的HCF段空气腔、560 μm的SMF段介质腔以及HCF与SMF共同构成的F-P腔。从图中亦可明显观测到NaCl溶液盐度变化对反射光光谱功率密度振幅的影响。通过滤波处理并进行反傅里叶变换，分别得到峰1和峰2对应的干涉光谱信号，如图7所示。显然NaCl盐度的变化，只影响光谱振幅，不改变干涉光谱的相位。通过获取不同盐度条件下，图7（a）和（b）两组干涉光谱的幅值并计算得到振幅比 $\eta $，振幅比 $\eta $与盐度之间的关系曲线如图8所示，两者之间有着良好的线性关系，并且随着盐度的增大，振幅比 $\eta $线性增大。通过线性拟合，可得其盐度测量的灵敏度为0.101 %−1，对应线性度R2为0.9856。

图 6. Spatial frequency spectrum of the sensor传感器空间频域光谱

Fig. 6.

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图 7. Cosine signal after inverse Fourier transform反傅里叶变换后余弦信号

Fig. 7.

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4 结　论

本文提出了一种基于空芯光纤的SMF-HCF-SMF复合双腔法珀光纤盐度传感器，利用不同盐度NaCl溶液引起的折射率变化对反射光谱干涉信号的影响，以及两信号幅值之比与盐度的线性关系，实现盐度测量。采用精密切割与光纤熔接技术制备了HCF空气腔长度为39 μm和SMF介质腔长度为560 μm的复合双腔法珀光纤盐度传感器，并进行了盐度测量实验。结合傅里叶变换、带通滤波与反傅里叶变换的方法对光谱信号进行处理，在0%～24%的盐度范围内获得了反射光谱信号振幅比与盐度的良好线性关系，其测量灵敏度达到了0.101 % - 1 ，该SMF-HCF-SMF复合双腔法珀光纤盐度传感器具有易于制造、结构紧凑、灵敏度高和抗干扰能力强的优点。

The relationship curve of light intensity amplitude ratio and salinity of composite dual cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber基于空芯光纤的复合双腔法布里–珀罗光纤盐度传感器光强幅值比与盐度关系曲线

图 8. The relationship curve of light intensity amplitude ratio and salinity of composite dual cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber基于空芯光纤的复合双腔法布里–珀罗光纤盐度传感器光强幅值比与盐度关系曲线

Fig. 8.

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