基于石英光纤材料的微腔电流传感应用

陈冀景

摘 要：基于光纤传感的蓬勃发展，各种光纤传感器已经竞相应运而生。以石英光纤材料为基础的传感器不胜枚举：光纤位移传感器、光线压力传感器（快门式、微弯式、动光栅式光纤水声、偏振调制光线压力与水声）、光纤角速度传感器、光纤加速度传感器、光纤温度传感器、分布式光纤传感器等。其中作者就从事光纤电流传感做了描述：包括微腔传感原理——WGM（whispering gallery mode）的介绍，光学微腔的介绍以及最后关于光学微腔的应用——光纤电流传感器的详细叙述。文中就一些新型的传感结构也做了简要的分析，便于对比现阶段作者所从事的课题。

关键词：WGM；光纤电流传感器；光学微腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.125

1 基于WGM的光学微腔的应用

WGM最早是基于声学现象的描述，在圣保罗大教堂的环形走廊上，对着墙壁轻声说话会有回音从背后传来。基于这种声学现象，即声波在内径远大于波长的光滑壁上传播时，能够以十分微小的衰减不断发生反射，从而能够传播很远的距离。基于WGM光学微腔，即以石英材料为基本组成，通过不同工艺以实现不同的微腔形式从而实现不同的传感特性。

1.1 高灵敏度光学微腔传感器

WGM光学微腔的高Q值、高集成度特点可构建小型、高灵敏度、低探测限的生物化学传感器[1]。

1.2 非对称垂直耦合的光子分子微盘激光器

在垂直方向对F-P模式进行有效地抑制，同时增加了回音壁模式自发辐射耦合效率，降低了激光阈值。三个相同的垂直耦合半导体激光器由于垂直方向的耦合周期增多，导致F-P模式更有效的被抑制，从而增大了自发辐射耦合因子。不同模式的强耦合导致的模式劈裂，比量子与腔模的耦合强度高至少一个数量级[2]。

1.3 电流电压传感器

光学传感器解决了原始的继电保护装置磁饱和、励磁等情况。由于高压侧信息是通过有绝缘材料做成的玻璃光纤传输到低电位的，因此其绝缘结构简单，且由于高低压之间只存在光纤联系，消除了电磁干扰对互感器性能的影响[3]。

2 光学微腔与电流传感

不同的光学微腔其结构与特性不同。在此，仅对有关电流传感微腔应用作说明。

2.1 微腔电流传感的发展

电流传感是微腔作为传感器的一个最直接的应用。国外光电电流互感器的研究始于20世纪60年代末至70年代初。到80年代和90年代初，OCT已经开始了产品化研究，目前许多大公司已经形成了成套产品。据有关资料统计，到1999年底，大约有2000多台OCT挂网试运行。但是，传统电磁式电流传感器的缺陷以如前所述。基于上述原因，微腔电流传感技术应运而生。其尺寸小、无标记探测等优点在电流电压的测量上体现了它前所未有的优势[3]。

2.2 基于石英光纤材料的电流传感器件——光学微腔的制备工艺[4]

（1）以PDMS基体液作为外层传感介质，将PDMS与固化剂按60：1的体积比混合。

（2）取一段石英光纤，用米勒钳剥去其表面的涂覆层大约2cm长度。

（3）加热光纤的一端然后拉伸使其形成一个在末端具有几何尖端的纤茎，其尖端直径25-50μm。

（4）将尖端浸入第一步配好的PDMS溶液大约2-4mm然后拉出。

（5）由于表面的张力和重力PDMS混合物会在光纤的尖端形成一个球，其直径取决于浸入的深度以及拉出的速度。范围为100μm-1000μm。

（6）将制备好的纤茎-球结构放到90℃炉中4小时使得PDMS通过交联反应固化。

2.3 电流传感结构的搭建

作者采用了一种比较经典的电流传感结构[4]。用两片黄铜板（2mm*2mm*1mm），间隔由实验时自行确定。确定的方法是根据平行板电容模型结合已有的函数信号发生器电压范围计算所需场强。同时与一块黄铜板上打孔，将上述工艺制备的微腔结构固定于孔中。实验时采用函数信号发生器来作为驱动电路。在经典的电流传感实验中采用了近MV的极化电场对微腔进行极化以增加其灵敏度。出于安全因素，本文不予采用。总体结构如图1示。

3 结论

继第五代光纤系统的问世，光纤材料的发展势必要迎合长波长、单模的要求。随着新一代光源的问世，如掺铒光纤激光器[5]，多量子阱结构激光器等，基本的石英光纤材料中更要具有不同的掺杂成分来满足与光源耦合的需要。

在其他传感方面，光栅传感也应运而生[6]；除此，非线性光学传感[7]逐渐进入了研究的视野为光纤的结构与发展另辟蹊径；而WGM微腔传感也成为了石英光纤材料发展历程中的一个里程碑。基于微腔传感的应用前述甚详，而研究的脚步却从未停止：在生物传感、电流传感的进程中，微腔的种种制备技术显示了WGM蓬勃的潜力；在电流传感中，以PDMS作为组织结构的经典模型已经成为了电流传感的一大特色；黄铜板电极/微球结构[4]成为了各个传感团队竞相改良与探索的主题。在此，作者对自己的老师与合作搭档们深表谢意。

参考文献：

[1]高严.薄壁柱对称微腔耦合系统设计及其实验研究[D].南京邮电大学，2017.

[2]ArmaniAM，KulkarniRP，FraserSE，etal.Label-free，single-moleculedetectionwithopticalmicrocavities[J].science，2007，317

（5839）：783-787.

[3]高阳，张海燕，张旭鹏.光电传感器在继电保护中的应用研究[J]. 沈阳工程学院院报，2006.

[4]Tindaro Ioppolo，Volkan ?tügen，Ulas Ayaz.Developmen tof Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical ElectricField Sensors[J].VisExp，2013.

[5]張晨芳.多波长掺铒光纤激光器和稀土掺杂光纤的研究[D].北京交通大学，2014.

[6] 庞丹丹.新型光纤光栅传感技术研究[D].山东大学，2014.

[7]胡君辉.基于瑞利和布里渊散射效应的光纤传感系统的研究[D]. 南京大学，2013.