光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器研究进展

赵春柳， 李嘉丽， 徐 贲， 龚华平， 王东宁

中国计量大学光学与电子科技学院，杭州310018

光纤传感的原理是外界环境对光波的特征参数如波长、强度、偏振态、相位等产生影响，通过光电转换后利用特定的仪器将这些变化呈现出来，使光波与外界环境有一定的特殊相干关系[1-7].经过多年的发展，光纤传感技术因具有本质安全、无源、抗电磁干扰等优点[8-17]弥补了传统传感器的不足.更重要的是，光纤传感可测参量较多，因而可以实现多参量同时测量，大大节约了成本.因此，除常见领域外，光纤传感在石油化工、强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境下也能实现安全传感[18-31].

目前，针对光纤的各种优点，已经研发出了种类繁多的光纤传感器.根据光纤在动态范围、可靠性等方面的明显优势所研发的光纤制导导弹等，已逐步在军事上得到应用[32]；光纤因易于嵌入材料内部，能够在复杂严酷的空间环境安全传感等优点，在航天结构的损伤监测等方向的应用具有重要意义[33]；此外，光纤耐久性好、抗干扰性强的优点使其广泛应用于水利工程等的安全监测[34].

光纤微腔法布里-珀罗干涉型传感器因结构紧凑、灵敏度高、成本低廉等优点受到了广泛关注，已用于温度[35-40]、压力[41-45]、折射率[46-51]、氢气质量分数[52-54]等物理量和化学量[55-58]的测量.光纤微腔的制作方法主要分为以下4 种[59]：

1）化学腐蚀法[60-62]

光纤的主要成分为二氧化硅（SiO2），它能与氢氟酸（HF）发生化学反应，利用HF 腐蚀光纤端面可产生微凹孔.利用化学腐蚀法在光纤中引入气泡形成光纤微腔，具有制作难度低、成本低廉等优点，但液态HF 易挥发且对人体造成伤害.

2）激光加工法[63-67]

飞秒激光具有快速和高精度的材料加工能力，对制造光纤器件是一种非常有效的工具，通过飞秒激光可在光纤内部制作多个微通道或微孔直接形成马赫曾德尔干涉仪（Mach Zehnder interferometer, MZI）或法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer, FPI），从而用于外界环境传感.利用飞秒激光可以保证结构制作的可重复性和精确性，克服了其他制作方法制作微孔形态不一致的问题.

3）直接熔接法[68-72]

将单模光纤（single mode fiber, SMF）与特种光纤直接熔接也可获得光纤微腔结构.利用特种光纤中的空隙直接熔接保留空隙即可形成光纤微腔.这种方法操作简单且避免使用昂贵的飞秒激光器，使传感器制备成本大大降低.

4）聚合物辅助填充法[73-76]

通过将SMF 与带有空隙的特种光纤熔接并在特种光纤内部填充聚合物，聚合物固化后将空气密封在SMF 与聚合物之间，从而形成密闭的空气腔.这种传感器利用聚合物的高热膨胀系数和高弹性系数，一般具有较高的灵敏度.

本文主要介绍近年来光纤微腔法布里-珀罗干涉型传感器在温度、气体压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量测量的应用，详细介绍了每种传感器的技术方案、制作方法、传感原理和实验结果，并进一步介绍了实现光纤微腔法布里-珀罗干涉型传感器的增敏解调方法.

1 光纤微腔气压传感器

1.1 基于双毛细管光纤FPI 气压传感器

基于双毛细管的光纤FPI 气压传感器可有效降低光纤气压传感器的检测极限，该传感器通过两段内径不同的毛细管错位熔接（两段毛细管分别称为主毛细管和进气毛细管）并将主毛细管与单模光纤熔接在一起制成.气体通过进气毛细管进入主毛细管，由于气压对气体折射率的影响，FPI 的反射光谱将随气体压力的变化而漂移.实验结果表明，该传感器的高气压灵敏度为4 147 pm/MPa，在标准大气压下温度交叉灵敏度小于0.30 kPa/°C，检测极限低至4.81 kPa.坚固的尖端结构、超紧凑的传感器尺寸、易于制造的特性，使得该传感器成为在精确位置进行可靠且高度灵敏的气压测量的理想之选[77].

1.1.1 传感器结构

图1为光纤微腔法布里珀罗干涉仪（micro-cavity fiber Fabry-Perot interferometer, MF FPI）传感器结构的示意图和显微图.FPI 的制作采用两种不同类型的石英毛细管分别命名为C1 和C2，内径分别为50 μm（TSP050150）和5 μm（TSP005150），外径均为150 μm.首先用光纤熔接机（Fujikura，FSM-45P）将一段C1 熔接至单模光纤（SMF，Corning，SMF28），切割C1 后仅留下与SMF 连接的一小段；然后将C1 的另一端与C2 的一部分错位熔接形成FP 腔；最后切割C2 并在毛细管形成一小段倾斜端面以防止在玻璃与空气界面产生不必要的菲涅尔反射.其中C1 长度约为35 μm，纤芯偏移约为8 μm，C1 和C2 的总长度小于150 μm，FPI 的腔长约为65 μm.

图1 光纤微腔FPI 传感器Figure1 Micro-cavity fiber Fabry-Perot interferometer sensor

1.1.2 理论分析

当宽带光源从SMF 的左端入射时，光束会在微腔C1 的两个玻璃与空气界面处反射并合并形成FP 干涉光谱.干涉仪的输出光强度可以表示为

式中，I1和I2分别为两束反射光的强度，φ为初始相位.当满足φ=(2m+1)π时，干涉条纹出现波谷，其中m为整数.对于两个相邻的波谷的中心波长λ1和λ2，其波长间隔可用自由光谱范围（FSR）表示，即

式中，n为FPI 中的气体折射率，L为FPI 腔的长度，λ为自由空间中的光波长.当气压P升高时，FP 腔内气体的折射率随之增加，FPI 的干涉光谱也随之移动.假设腔长恒定，通过追踪第m级干涉条纹波谷的中心波长λm，FPI 的气压灵敏度可以表示为

式中，dn/dP在室温下可认为是一个常数2.879 3×10-9/Pa.式(3)表明干涉光谱的波长漂移与空气中的压力呈线性关系.较长的工作波长可提供更高的灵敏度，因此可采用覆盖长波长范围的宽带光源来提高传感器的灵敏度.

为了评估传感器的性能必须考虑检测极限（detection limit, DL），L与干涉条纹的半高全宽（full width at half-maximum, FWHM）值成正比；对于FPI，随着腔镜反射率的增加，条纹垂度的FWHM 会变窄，其消光比（extinction ratio, ER）可通过以下方式定量评估：

1.1.3 实验研究

基于双毛细管的气压传感器的实验装置如图2所示，用波长范围为1 450～1 650 nm的自发放大光源（amplified spontaneous emission, ASE）和分辨率为0.05 nm 的光谱分析仪（optical spectrum analyzer, OSA）运行该系统并记录反射光谱.传感器放入气室，用强力胶将腔室密封，将尾纤支撑在腔室外部以用于实时测量，实验所用气体为高纯度氮气.在室温下，将腔室内压力从0 MPa 增加至1.52 MPa（步长0.04 MPa）进行测量.

图2 气压测量的实验装置示意图Figure2 Experimental setup for gas pressure measurement

图3(a)为25°C 下不同气压条件下传感器的反射光谱，随着气压的增加反射光谱向长波长方向漂移，且空气折射率的增加使光程差（optical path difference,OPD）增加.如图3(b)所示1 588 nm 处波谷波长变化与气压之间呈线性关系且具有4 147 pm/MPa 的高气压灵敏度.气压引起的光程差变化也可通过如图3(b)所示的快速傅里叶变换（fast Fourier transform,FFT）进行解调，从图中可观察到该传感器的高压力OPD 灵敏度为277 nm/MPa.

图3 不同压力下传感器光谱图及曲线拟合Figure3 Spectra and fitting curves of the sensor under different gas pressures

图4(a)显示了不同环境温度下传感器反射光谱，可以看出，光谱随温度的变化没有明显漂移，通过对1 588 nm 处的波谷进行线性拟合，如图4(b)所示，其灵敏度约为1.18 pm/°C，可见该传感器的温度交叉敏感度非常低.

图4 不同温度下传感器光谱图及曲线拟合Figure4 Spectra and fitting curves of the sensor under different temperatures

1.2 基于光纤内部微腔FPI 气压传感器

带有微通道空气腔的光纤FPI 气压传感器的空气腔是通过飞秒激光钻孔后在SMF 内部形成的.该传感器具有尖端结构坚固、尺寸微小、灵敏度高（4.028 nm/MPa）、易于制造等特点，可用于高度灵敏和精确的气压测量[78].

1.2.1 制备工艺

如图5所示，基于空气腔的FPI 气压传感器制作过程如下：首先将飞秒激光聚焦在SMF的端面S1 上制作一个微孔，将S1 熔接至另一段SMF 的一端并将S2 切割为平整端面，此时在光纤内形成了一个椭圆形的气泡作为FP 腔，其长度约为72.8 μm；然后将S1 的单模光纤末端切割，切割后整个光纤长度为124.8 μm；最后利用飞秒激光制作直径约为44.5 μm的微通道，使其垂直穿过空气腔便于气体流入.图5(e)显示了所制备传感器的显微图.该传感器包含M1、M2、M3 这3 个反射镜，如图5(d)所示.

图5 传感器的制作Figure5 Fabrication of the sensors

1.2.2 理论分析

图6显示了该气压传感器在正常大气压下的反射光谱及相应的快速傅里叶变换，A和B两个峰在频域约为0.060 nm 和0.190 nm，光程长度（optical path length, OPL）分别为144.15 μm和456.48 μm.

图6 传感器的反射光谱及快速傅里叶变换Figure6 Reflection spectrum and the fast Fourier transform of the sensor

式中，n和L分别为介质的折射率和腔体长度.根据式(5)计算得理论腔长分别为72.1 μm和196.1 μm，与测量值近似.根据峰A和B的振幅可以得出，传感器的干涉条纹主要由腔M1-M2 决定，而腔M1-M3 的影响相对较弱，且腔M2-M3 在传感器的输出频谱中可忽略不计.在图6(b)中出现的其他峰值可以认为是腔M1-M2 和M1-M3 共振频率的谐波或谐波的混合.

对于第1 个腔M1-M2，其OPL 与气压和周围温度变化导致的腔中气体的折射率变化和腔长度的变化有关，在15°C～30°C 的温度范围内密封室内的标准空气的折射率可表示为[79]

式中，nair、P、T分别为空气的折射率、压力、温度，显然空气折射率会随着P的增加而增加.空腔中充满的空气热光系数很低[80]，因此由热光效应引起的折射率变化可忽略；由于气腔的存在，光纤纤芯可以在纵向自由膨胀，但气腔长度将随着纤芯的热膨胀而减小，且光纤包层作为气腔的侧壁，气腔长度会因包层的热膨胀而增加，因此光纤整体的热膨胀效应可以忽略[81].可见，气腔的OPL 主要由腔内气压决定.

假设腔长恒定，通过追踪第m级干涉条纹的波谷和中心波长，光纤内FP 腔的压力灵敏度可用式(3)表示.干涉光谱的波长偏移与气腔中的压力具有线性关系，因此可计算出1 520 nm 时，气压灵敏度约为4.008 nm/MPa.

气压对玻璃腔M2-M3 OPL 的影响较小，但由于热光效应和热膨胀效应对折射率和腔长的影响，周围温度对OPL 的影响不容忽视.因此气腔M1-M2 对气压较敏感，而玻璃腔M2-M3对温度敏感.当气压和温度变化时，传感器不同腔的变化会有所不同，导致了不同的光谱响应.由于传感器的反射光谱是由各腔的综合作用产生的，因此对于特定谐振波长上的主导空腔，不同的波峰和波谷具有不同的灵敏度.利用传感器的这种特性，可以通过监测不同的波峰或波谷波长漂移，实现同步检测气压和温度.

1.2.3 实验研究

由图7(a)可以看出，随着气压的变化，干涉条纹向长波长方向漂移且不同的波谷灵敏度不同.图7(b)给出了两个相邻波谷C（1 510 nm）和D（1 518 nm）的波长变化与气压的关系，两个波谷对气压的灵敏度不同，其灵敏度分别为1.820 nm/MPa 和0.965 nm/MPa.

图7 不同气压下传感器光谱图及曲线拟合Figure7 Spectra and fitting curves of the sensor under different gas pressures

如图8所示，温度和波长漂移之间具有良好的线性关系，两个波谷的温度灵敏度分别约为3.7 pm/°C和8.3 pm/°C.由于反射光谱中的不同波谷对气压和温度具有不同的线性响应，这恰好满足构建同时测量压力和温度的二阶矩阵的条件，代入测得的气压和温度的灵敏度系数构建矩阵如式(7)所示，从图9可以看出计算压力和温度最大误差的值分别为25 kPa 和1.2°C.

图8 不同温度下传感器光谱图及曲线拟合Figure8 Spectra and fitting curves of the sensor under different temperatures

图9 不同气压和温度组合计算得出的传感器输出Figure9 Calculated sensor output for different gas pressure and temperature combinations

图10(a)显示了传感器在不同气压下的滤光光谱，带通频率范围为0.040 0～0.080 0 nm-1，滤波后的干涉图样近似为正弦曲线，且随着气压增加波谷向长波长方向漂移.图10(b)显示了波谷波长漂移与气压变化的拟合结果.从波长范围内的多个波谷中任意选择波谷M和N，从图中可以看出这些波谷对气压表现出的响应几乎相同，灵敏度约为4.028 nm/MPa，非常接近计算值4.008 nm/MPa，二者之间的细微差异可能是由于环境温度导致的.

图10 不同气压下该传感器滤光光谱图及曲线拟合Figure10 Filtered spectra and fitting curves of the pressure sensor under different pressures

与带有玻璃微腔的光纤压力传感器相比，本节所介绍的传感器灵敏度更高、尺寸更小且仅使需用SMF，因而更加坚固耐用且可用于长期测量.

1.3 光纤微腔FPI 传感器用于气体压力和温度同时测量

光纤压力传感器温度的交叉敏感是影响测量精度的关键因素，特别是对于低气压灵敏度或在高压环境工作的传感器温度的交叉敏感不可忽视，必须采用温度补偿.本节介绍一种基于光纤FPI 的气体压力和温度同时测量的方法，干涉光谱对气体压力和温度的变化有不同的响应，可实现气压和环境温度同时测量[82].

1.3.1 传感器结构

图11为气体压力和温度同时测量FPI 传感器的结构示意图和显微图.FPI 制作过程为：将一小段内径约50 μm 的毛细管（TSP050150）熔接到标准单模光纤（Corning, SMF28），锥形光纤尖端具有相对较强的范德华力，可用于捕获直径约44.4 μm 的玻璃微球（Cosphere）；带毛细管的SMF 和带微球的锥形光纤尖端被固定在熔接机的两个平移台上，通过控制平移台可将玻璃微球放置在毛细管中，在SMF 端面和微球之间将会封闭形成空气腔.

图11 气体压力和温度同时测量的FPI 传感器Figure11 FPI sensor for simultaneous measurement of gas pressure and temperature

1.3.2 理论分析

图11所示的FPI 包含3 个微腔，其中一个位于SMF（S1）的端面和玻璃微球的前表面（S2），称为C1；在玻璃微球表面前部（S2）和其背面（S3）之间形成另一个空腔，称为C2；S1 和S3 形成第3 个微腔，即最长的腔.在3 个微腔中，3 束光穿过SMF 的端面发生干涉，干涉总光强可表示为[83]

式中，A1、A2、A3均为反射光的幅度；λ为真空中的光波长；φ1和φ2分别为C1 和C2 处反射光强的相位差，二者可分别可表示为

式中，L1和L2是C1 和C2 的腔长，L1可被调整，L2为玻璃微球的直径（44.4 μm），nair和neff分别为空气和玻璃微球的折射率.当气压和温度变化时，由于玻璃微球的杨氏模量较大，弹光系数较小，因此气压变化对C2 的影响忽略不计，而气压和环境温度对C1 的影响都很大.因此，不同空腔的光谱变化不同，从而导致不同的干涉波谱的波长偏移.由于空腔的干涉光谱是叠加的，而不同腔具有不同的灵敏度，因此可通过监测光谱的漂移同时测量气压和温度.

1.3.3 实验研究

图12(a)显示了1 520～1 535 nm 波长范围内传感器在不同气压下的反射光谱，随着气压的增加反射光谱向长波长方向漂移.当气体压力从0 MPa 升高至1.12 MPa 时，波谷A和B的波长漂移如图12(b)所示，通过线性拟合其灵敏度分别达到2 126 pm/MPa 和1 711 pm/MPa，当气压从1.12 MPa 降低为0 MPa 时，与气压升高时波长的变化基本一致.

图12 不同气压下传感器光谱图及曲线拟合Figure12 Spectra and fitting curves of the sensor under different gas pressures

图13(a)显示了不同环境温度下传感器的反射光谱，在约1 524 nm 和1 531 nm 处的2 个波谷，其随波长变化随温度的变化是不同的，如图13(b)所示通过线性拟合，2 个波谷的温度灵敏度分别约为7.1 pm/°C 和5.6 pm/°C.因此，根据2 个波谷之间的灵敏度差异，通过矩阵法计算可实现气压和温度的同时测量.

图13 不同温度下传感器光谱图及曲线拟合Figure13 Spectra and fitting curves of the sensor under different temperatures

在恒定温度下气压变化和恒定气压下温度变化的传感器输出如图14所示，利用矩阵法计算所得最大误差为35 kPa 和1.5°C，这可能是由于实验中使用的OSA 的分辨率为0.05 nm，温度的分辨率为0.1°C，从而在一定程度上引起了较大的测量误差.通过对实验仪器准确校准或改变玻璃微球材料以提高其温度灵敏性并有效减小误差.

2 光纤微腔折射率传感器

本节介绍一种可同时进行液体折射率和温度测量的高灵敏度光纤FPI 传感器，液体的折射率和环境温度可以通过测量反射光谱中波长漂移确定.在折射率为1.30 时，传感器的最高灵敏度为216.37 dB/RIU.该传感器尺寸紧凑（＜400 μm）且空间分辨率较高，有望应用于高精度生物化学传感[84].

图14 恒定温度下气压变化和恒定气压下温度变化的传感器输出Figure14 Sensor output for an applied gas pressure at constant temperature and a temperature variation at constant gas pressure

2.1 传感器结构

图15为光纤微腔折射率传感器的结构示意图.首先将石英毛细管（TSP050150）的一端熔接到一段SMF 上，然后再将石英毛细管切割成极短一段，长度为d，接着将石英毛细管的另一端与长度为L的另一段SMF 熔接.毛细管与SMF 端面（M1 和M2）一起形成空气腔FPI.2 个反射镜M1 和M2 不与外部液体接触，因此可将空气FPI 视为固有的FPI；SMF 的2 个平整端面之间的长度为L，则M2 和M3 形成另一个FPI，而M3 与周围的液体接触可认为是外在的FPI.毛细管的内径和外径分别为50 μm 和150 μm.

图15 所提出的传感器的结构示意图Figure15 Schematic diagram of the proposed sensor

2.2 理论分析

从光源发出的光经单模光纤传输并在传感器的M1、M2、M3 表面反射，用光谱分析仪采集的整个反射光谱可表示为

式中，R1、R2、R3分别为反射镜M1、M2、M3 的反射系数，且R1与R2相等；α1和α2分别为在空气和光纤中的传输损耗；由于光束在空气腔中发散，因此α1随空气腔长度的增加而增加；φ1和φ2分别表示在空气腔和光纤腔中的传播相移，可以分别表示为φ1= 2πnaird/λ和φ2= 2πnSMFL/λ，nair和nSMF分别为空气和光纤的有效折射率，d和L分别为空气腔和光纤腔的长度，λ为在自由空间中输入的光波长.

2.3 实验研究

2.3.1 液体折射率和温度测量实验

图16 25 °C 时S1 传感器对RI 的响应Figure16 Response of the sensor to surrounding RI for S1 at 25 °C

图16显示了传感器S1（d= 5.5 μm,L= 248.7 μm）在25°C 时对不同液体RI 的响应，分别对液体RI 从1.300～1.400（步长0.01）和从1.400～1.432（步长0.004）进行了测试.从图16(a)可以看出，随着液体RI 的增加，反射光谱中波谷的强度减小但没有波长漂移.最低波谷反射光强的总变化为14.6 dB.在图16(b)中显示了波谷漂移与RI 之间的关系，波谷在RI 较低时表现出较高的灵敏度，而在RI 较高时表现出较低的灵敏度.当RI 为1.30 时，灵敏度达到216.37 dB/RIU.与常见的传感器相比，该传感器对RI 的响应具有不同的特性，例如基于各种混合光纤干涉仪，光纤尖端对较高的RI 具有高灵敏度（接近光纤包层的RI），但对较低的RI（接近1.330 或更低的RI）灵敏度较低，由于体液的RI 通常接近水的RI，因此该设备非常适合生物传感.

为了进一步研究传感器S1 的性能，分别测试了传感器对不同盐溶液的响应，盐溶液质量分数分别为1.64、9.19、13.85，20.58、31.14、50.19、61.90、69.45、78.59，对应RI 值分别为1.333 3、1.334 7、1.335 5、1.336 8、1.338 7、1.342 2、1.344 3、1.345 7、1.347 4.从图16(c)可以看出，在较小的RI 范围内，最低波谷的波长漂移与RI 近似呈线性关系，所获得的灵敏度约为133.52 dB/RIU，比基于强度监测的传感器要的灵敏度高得多，实验结果显示了该传感器的优势.商用OSA 的强度分辨率可达到0.01 dB，这表明该传感器在RI 1.333 3～1.347 4 范围内预期的RI 分辨率可以达到7.49×10-5.

为研究传感器S1 的温度响应，将传感器S1 浸入纯净水中，将水的温度从10°C 升高至60°C（步长5°C，分辨率为0.1°C）.图17(a)显示了加热过程中S1 传感器的反射光谱，随着温度的升高，反射光谱发生红移，图17(b)显示了反射波谷和温度之间的关系，可以发现二者有良好的线性关系，温度灵敏度为10.85 pm/°C.

图17 折射率为1.333 时传感器S1 对水温的响应Figure17 Response of the sensor S1 to temperature in water with RI of 1.333

为了研究不同长度传感器对折射率的响应，制作一个与S1 结构相似的新传感器S2（d=17 μm,L= 244 μm）.图18显示了传感器S1 和S2 对RI 的响应.S1 和S2 反射光强的最大变化分别为12.59 dB 和8.02 dB，传感器S2 的平均RI 灵敏度小于S1，是因为S2 较S1 有长的空气腔.

2.3.2 盐溶解过程测量实验

人或动物体液的RI 接近纯净水，为证明传感器具有生物传感的潜力进行了NaCl 溶解测试实验，盐水的RI 在1.333～1.375 范围内.实验过程中，首先向烧杯中注入约30 mm 的纯净水，然后将NaCl 填入烧杯底部直到看到多余的NaCl 颗粒，在添加NaCl 过程中至禁止搅拌液体.接着将传感器S2 浸入盐水中，浸入长度约为3 mm.图19(a)显示了传感器S2 在溶质扩散过程中的反射光谱，插图清楚地显示了反射光谱强度的变化.随时间逐渐增加，NaCl 液体质量分数逐渐变化，传感器S2 附近局部液体的RI 在扩散过程中逐渐增加，由于未进行搅拌，扩散过程进行得非常缓慢.图19(b)显示了不同时间的反射光波谷强度，在160 min内总变化达到2 dB，对应于RI 变化为0.016 6，这表明尽管溶质扩散，传感器也足够灵敏且在一个相当缓慢的过程仍可以进行测量.

图18 传感器S1 和S2 对RI 的响应Figure18 Response of the sensor S1 and S2 to RI

图19 传感器S2 对NaCl 扩散的响应Figure19 Response of the sensor to S2 NaCl diffusion

此时，将传感器S2 拿起并再次浸入盐水中，浸入长度从0 mm 增加到10 mm（步长500 μm）.图20展示了每个浸没长度下传感器S2 的反射光谱.显然，随着浸入长度的增加，光强的下降由于液体RI 的增加而增加.靠近水面的RI 比靠近烧杯底部的RI 低，因此可以用这种简单的方式获得液体RI 在垂直方向上的分布，其空间分辨率为500 μm.由于传感部分仅为光纤端面，因此预期可以达到更小的空间分辨率，而大尺寸的体式折光仪是无法实现的.这样的特征使该传感器适用于具有高空间分辨率和微小样本的生物传感.

2.3.3 牛血清白蛋白质量分数检测

为了证明传感器在蛋白质直接检测中的应用，测试了不同浓度的牛血清白蛋白（BSA）溶液的折射率.图21(a)显示了传感器S2 对不同浓度的BSA 溶液的响应，随着BSA 浓度的增加反射波谷强度明显增加，在3～6 mg/ml 质量分数范围内，斜率达到了0.4 dB/（mg/ml），这表明该传感器具有以高灵敏度区分不同质量分数的BSA 溶液的能力.用对细菌敏感的材料镀到传感器端面，有望检测到其他种类细菌的生长速率.图21(b)显示了90 min 内所用光源的输出功率，从图中可以看出功率波动仅为±0.01 dB，与OSA 的幅度分辨率相当.可见，传感器的精度受到光源稳定性的限制.

图20 传感器S2 对盐水浓度逐渐变化的响应Figure20 Response of the sensor S2 to salt water with gradually varied concentration

图21 传感器S2 对BSA 溶液的响应Figure21 Response of the sensor S2 to BSA solution

3 光纤微腔氢气传感器

3.1 基于聚合物填充空芯光纤FPI 氢气传感器

光纤氢气传感器体积小、重量轻，与传统的电传感器相比本质更安全，近年来受到了广泛关注.本节介绍一种基于聚合物填充空芯光纤并涂覆有Pt/WO3/SiO2氢敏材料粉末的FPI型氢气传感器，这种氢气传感器具有灵敏度高、尺寸紧凑、响应和恢复时间快速等优点[85].

3.1.1 传感器结构及原理

图22显示了氢气传感器的示意图，包括光纤布拉格光栅（FBG）和一小段聚合物填充的空芯光纤（hollow core fiber, HCF），在SMF 的界面和聚合物之间处的气隙形成微型FP 腔.HCF的侧面涂覆有对氢敏感的Pt/WO3/SiO2粉末，覆盖在HCF 端面的碳粉用于消除光反射.当传感器暴露于氢气环境中时，氢敏材料粉末与氢气发生化学反应放出热量使局部HCF 温度发生变化，HCF 中填充的聚合物受热膨胀导致FP 微腔的长度变化，因此通过监测温度变化引起FPI 的波长漂移就可以实现对氢气质量分数的测量.但在氢气环境中，周围的温度变化会也会引起干涉波长的漂移.为了消除环境温度带来的影响，在FPI 远端采用FBG 作为温度补偿，FBG 的布拉格波长ΔλB由环境中温度变化ΔTFBG引起，可表示为

式中，λB为FBG 的布拉格波长，αF为光纤的热膨胀系数，neff为光纤纤芯的有效折射率，dneff/dT为热光系数，以上参数均为常数，因此布拉格波长偏移与温度的变化成正比.

图22 基于聚合物填充空芯光纤的FPI 型氢气传感器结构示意图Figure22 Schematic diagram of FPI hydrogen sensor based on polymer-filled hollow fiber

3.1.2 制备工艺

所述氢气传感器的制作如下：首先将一段HCF 拼接到FBG 的SMF 端，将HCF 尖端插入光学胶65（NOA65），由于毛细作用使NOA65 逐渐渗透到HCF 中并形成气隙，微腔长度可以通过监测其反射光谱并调整填充时间来控制.当气隙达到所需长度时，将HCF 从NOA65 中取出，然后将其暴露在紫外线下能够减少HCF 尖端端面上发生的光反射，同时HCF 中的NOA65 在紫外光照射下完全变成固体，在NOA65 未完全固化前采用浸涂法将碳粉覆盖到聚合物端面.最后，同样采用浸涂法在HCF 尖端涂覆Pt/WO3/SiO2粉末.图23显示了氢敏材料涂层的FPI 微腔的显微图，空气腔长约为30 μm，HCF 的总长度约为242 μm，Pt/WO3/SiO2涂层的厚度小于20 μm.由于FBG 距FPI 约30 mm，超出了所用显微镜的视野范围，因此此处未显示.

图23 Pt/WO3/SiO2 涂层FPI 微腔的显微图Figure23 Micrograph of FPI microcavity with Pt/WO3 /SiO2 coating

3.1.3 实验研究

该测量系统由宽带光源（BBS）、光谱分析仪（OSA）、FBG、FPI 传感器、热电冷却器（TEC）、气流控制器、真空泵组成.将涂覆有氢敏材料涂层的FPI 置于氢气气室内，FBG置于气室外，来自氢气发生器的纯化氢气和来自空气泵的室内空气分别输入流量控制器的两个通道，通过调节这两个通道的流速可调节气室内的氢气质量分数.

图24 基于聚合物填充空芯光纤的FPI 型氢气传感器实验装置示意图Figure24 Schematic diagram of experimental equipment of FPI hydrogen sensor based on polymer-filled hollow fiber

图25 25 °C 下传感器对氢气的响应Figure25 Response of the sensor to hydrogen at 25 °C

实验结果表明，氢气质量分数在0%～4.0%范围内，氢气灵敏度最大值为17.48 nm/%，响应时间小于30 s；随着温度的升高FBG 的布拉格波长将向长波长漂移，温度变化45°C 时总波长漂移约为420 pm，布拉格波长与温度之间有良好的线性关系，拟合结果显示FBG 的温度灵敏度为10.7 pm/°C，该结果为氢气测量的温度补偿提供了一种简单准确的方法；由于氢敏材料粉末以粒子形式涂覆在光纤表面，与整体镀金属膜相比有更强的范德华力，因此该氢气传感器在室温环境中无剧烈振动条件下具有良好的重复性，而且能够长期保持稳定.

3.2 基于PDMS 的双C 形光纤微腔氢气传感器

本节介绍一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的内嵌WO3/SiO2粉末的双C 形光纤氢气传感器.该传感器由SMF 和一小段HCF 组成，传感区域长度仅为123 μm.HCF 被PDMS 分隔成2 个C 形空腔，内侧C 形空腔构成一个微型空腔FPI，外侧的C 形空腔内嵌WO3/SiO2粉末作为传感区域.当与氢气相接触时，WO3/SiO2粉末与氢气发生氧化还原反应放出热量使PDMS 受热膨胀从而改变腔长实现氢气质量分数测量.在氢气质量分数为0%～1%范围内，氢气灵敏度为-15.14 nm/%.反应时间约为23 s.该传感器的一个显著优点在于，基于PDMS 的内嵌WO3/SiO2粉末的双C 形光纤氢气传感器有效地解决了敏感材料容易脱落的问题，可长期使用且具有广阔的应用前景[86].

3.2.1 制作工艺及传感原理

图26是双C 形空腔制作工艺示意图.首先将一段HCF 与SMF 相熔接，HCF 的长度约为123.5 μm.将传感头竖直插入液态PDMS，因毛细效应液态PDMS 会渗入HCF 中，空气被密封在内部，因此PDMS 将HCF分离成两个气隙称为双C 形腔.内侧C 形空腔为被空气填充的FP 腔，其长度可以通过监测反射光谱来控制，本实验中空气腔长度约为55.5 μm；外侧C形空腔为开放腔，长度为32.5 μm，PDMS 的厚度为35.8 μm.当微腔的长度处于理想值时用酒精擦掉结构外表面附着的PDMS，然后将结构放入加热炉中在60°C 的环境下加热3 min 使其达到半固化状态.随后将传感头竖直插入Pt/Pd/WO3粉末中使其粘附在PDMS 的外表面.

图26 双C 形FPI 微腔制作流程图Figure26 Fabrication process of the double-C type FPI micro cavity

轻弹光纤使未粘附的粉末脱落，然后用酒精擦拭结构外表面使其不附着粉末，最后将结构放入加热炉中在60°C 的环境下加热3 min 固化.通过上述操作使部分粉末紧密粘附在PDMS 表面，Pt/Pd/WO3粉末有很多间隙和小孔利于氢分子的扩散.PDMS 的外表面呈现一种内凹的状态，使HCF 的外壁可以防止粉末脱落.这种特殊的自我保护结构可以有效地提高传感器的重复性.

传感器暴露在氢气环境中时，Pt/Pd/WO3粉末内嵌在PDMS 的外表面，因此在PDMS的外表面氢敏材料与氢气会发生氧化还原反应，进而导致传感器局部温度发生变化，PDMS受热膨胀从而改变空气腔长.因此，干涉波长随着氢气质量分数的增加而发生改变，通过监测干涉光谱的移动，就可以实现氢气质量分数的测量.

3.2.2 实验研究

图27(a)为氢气质量分数在0%～1.0%范围内传感器的反射光谱.氢气质量分数从0%升高至1%，反射光向短波方向移动了15.11 nm.图27(b)为氢气质量分数在0%～1.0%范围内波谷与氢气质量分数的关系，二者具有良好的线性关系，氢气灵敏度为-15.14 nm/%.灵敏度高的原因是PDMS 的热膨胀系数远高于其他用于增加温度灵敏度的金属材料，如Al 和Ni[87]，且由PDMS 膨胀直接导致的腔长变化量比PDMS 包覆在光纤外表面所导致的腔长变化量大.

图27 传感器对不同质量分数氢气的响应Figure27 Response of the sensor to hydrogen under different hydrogen concentration

传感器的氢气灵敏度取决于腔长L与腔长变化量ΔL的比例.空腔的长度由制作工艺决定，而腔长的变化量由内嵌的Pt/Pd/WO3粉末数量和PDMS 厚度决定.Pt/Pd/WO3粉末用量越大，可吸收的氢气越多，因此由Pt/Pd/WO3粉末与氢气发生氧化还原反应所释放的热量就越多.PDMS 越厚，当温度升高时的体积变化量越大，腔长变化量也越大.

图28为基于PDMS 的双C 形光纤氢气传感器的响应时间和重复性实验图.在25°C 条件下，气室中的氢气质量分数连续从0%变化到1.0%.氢气质量分数的快速变化是通过控制氢气阀门通断的同时保持气泵运行来控制的.当氢气质量分数从0%急剧变化到1%时，记录波谷的波长如图28(a)所示.氢气扩散时间t1是指从打开氢气阀门到传感器响应的时间间隔，约为12 s.氢气扩散后波谷向短波方向迅速漂移，随后漂移速度减慢并最终到达稳定状态.这种变化趋势可以由氧化还原反应解释[88].氢气质量分数增加时的响应时间t2约为23 s.随后氢气质量分数在1%处保持约7 s（t3）.然后进行相反的过程，将氢气质量分数从1%降到0%.波谷向长波方向迅速漂移，随后漂移速度减慢，最终到达稳定状态.氢气质量分数减少时的响应时间t4约为24 s，与氢气质量分数增加时的响应时间t2（23 s）相接近.重复上述过程2 次，整个反应过程与第1 次类似.该传感器的响应时间极短，原因在于传感器结构紧凑（总长度只有约123 μm）.如图28(b)所示，氢气传感器在不同测试周期中的谷值波长变化几乎相同，这说明该氢气传感器具有良好的重复性.

图28 所提出传感器对氢气响应时间和重复性实验Figure28 Response time to hydrogen of the proposed sensor and repeatability experiments

4 基于游标效应的光纤微腔传感器

4.1 基于游标效应的光纤级联FPI 传感器结构及传感原理

基于游标效应的光纤级联FPI 传感器示意图如图29所示.整个结构由一段HCF 和一段大模场光纤（large mode area fiber, LMAF）组成.因此，当光通过单模光纤传输到光纤微腔级联结构时，一部分光发生反射，另一部分光则通过界面传输到LMAF.从HCF 与LMAF 反射的光产生干涉.所以，HCF 与LMAF 形成了2 个FP 干涉腔，分别称为空气腔与石英腔，干涉腔的长度分别为L1与L2.

图29 所提出传感器的结构示意图Figure29 Schematic diagram of the proporsed sensor

当光入射到光纤微腔级联结构时，由反射导致的相位差可分别表示为

式中，n2和n2分别为HCF 和LMAF 的有效折射率，λ为入射光波长.Mirror1 和Mirror2 组成一个FPI，其反射光谱为双光束干涉光谱.因此，从SMF 入射的光经过Mirror1 和Mirror2反射回到SMF 中的光强IHCF可表示为

HCF 与LMAF 的自由光谱范围（FSR）可分别表示为

式中，FSR1为空气腔的自由光谱范围，FSR2为石英腔的自由光谱范围.为方便研究，定义FSR1和FSR2的差值D= FSR1-FSR2.当两个腔的自由光谱范围差相近但不同时将会产生游标效应.此时的干涉光谱为两个FP 干涉光谱的叠加谱.同时满足两个FPI 的干涉极大值处形成叠加光谱的最大值，反之则形成叠加光谱的最小值.该叠加谱是由一系列不同强度的干涉条纹组成的具有周期性的光谱.该光谱包络的自由光谱范围可以表示为

对于单个石英腔FPI，当光程差是2π 的整数倍时，波长为干涉光谱的某一级干涉极小值的波长λm，表示为

当温度变化时，光纤会受热膨胀使长度增加.同时，热光效应导致有效折射率发生变化.因此单个石英腔FPI 的温度灵敏度可表示为

式中，k为热光系数，ξ为光纤的线性膨胀系数，k和ξ都是常数.根据式(22)可知，当温度升高时，干涉光谱会发生红移.空气腔FPI 的温度灵敏度的分析与石英腔FPI 的温度灵敏度分析相似.当温度升高时，空气腔的外壁也会受热发生膨胀从而使空气腔的长度增加，同时有效折射率也会因热光效应发生变化.但对空气腔FPI 而言，温度对有效折射率的影响不大，因此空气腔FPI 的温度灵敏度可以表示为

式中，空气腔FPI 的波长漂移量与温度线性相关.同时，石英腔FPI 的温度灵敏度高于空气腔FPI 的温度灵敏度.由于游标效应的存在，包络的温度灵敏度被放大.包络的温度灵敏度可表示为石英腔FPI 的温度灵敏度的M倍[89]

式中，FSR1和FSR2都是常数，所以级联结构的干涉光谱漂移量与温度的变化量呈线性相关，可表示为

由式(25)可知，当光纤微腔级联形成游标效应后，光纤微腔级联结构的灵敏度将高于单一光纤微腔的灵敏度.游标效应形成的前提是级联的两个FPI 的FSR 相近但不相同.当温度升高时光纤微腔级联结构FPI 的波长漂移方向由两个微腔结构的FSR 之间的关系决定.如图30所示，当D ＞0 时, 干涉谱包络的温度灵敏度是正值，干涉谱向长波方向移动；当D ＜0时, 干涉谱包络的温度灵敏度是负值，干涉谱向短波方向移动.

图30 基于游标效应的FPI 温度传感器的干涉光谱Figure30 Interference spectra of the FPI temperature sensors based on the vernier effect

4.2 基于游标效应的光纤级联FPI 氢气传感器

本节介绍一种基于游标效应的光纤级联FPI 氢气传感器.传感器外表面涂覆有Pt/WO3/SiO2氢敏材料，当在氢气环境中时，Pt/WO3/SiO2与氢气发生氧化还原反应，导致传感器周围的温度发生变化.游标效应使传感器的灵敏度大大提高，在氢气质量分数0%～2.4%范围内，氢气灵敏度为-1.04 nm/%，传感器反应时间约为80 s[90].

4.2.1 传感器结构及原理

图31为所介绍的氢气传感器的示意图.传感器采用4.1 节所述结构并在传感器外侧涂覆有Pt/WO3/SiO2氢敏材料.当氢气传感头暴露在氢气环境下，传感头外表面涂覆的Pt/WO3/SiO2氢敏材料与氢气发生的氧化还原反应将会导致传感头温度变化，因此通过监测干涉光谱的移动可以实现对氢气质量分数的测量.HCF 与LMAF 形成了两个FP 干涉腔，经单模光纤传输到光纤微腔级联结构的光经过HCF 与LMAF 反射后形成干涉，从而形成游标效应，进而大大提高传感器的灵敏度.

图31 该传感器的结构示意图及显微图Figure31 Schematic diagram and microscopic image of the proposed sensor

4.2.2 实验研究

图32(a)为基于游标效应的光纤级联FPI 温度传感器在氢气质量分数0%～2.4%范围内的反射光谱.随氢气质量分数的增加，反射光谱的下包络呈现出明显蓝移.图32(b)为在氢气质量分数0%～2.4%范围内的反射光谱下包络图.图32为氢气质量分数与包络峰值移动的关系，由图可见，线性拟合度良好（0.99），氢气灵敏度为1.04 nm/%.

图32 基于游标效应的光纤级联FPI 温度传感器在氢气质量分数0%～2.4%内的反射光谱Figure32 Reflection spectra of fiber-optic cascade FPI temperature sensors based on the vernier effect within 0% to 2.4% hydrogen concentration

图33 氢气质量分数与下包络峰值波长的关系Figure33 Relationship between hydrogen concentration and the envelope dip

与各种类型的基于布拉格光纤光栅的氢气传感器相比较，本节介绍的传感器由于游标效应的存在氢气灵敏度更高.除此之外，传感结构更微小也更强健.虽然氢气灵敏度低于一些干涉型传感器，但因其尺寸微小而在实际应用中仍有巨大应用潜力.

4.3 基于游标效应的光纤级联FPI 的VOC 传感器

为了研究基于游标效应的光纤级联FPI 在其他气体中传感的应用，本节介绍一种基于游标效应的光纤级联FPI 挥发性有机物传感器，灵敏度可达20×106pm/%.该传感器结构紧凑、灵敏度高、防水性好、气体选择性好，为实现有机挥发物的检测提供了一种可行的、小型化的结构[91].

4.3.1 传感器结构及原理

图34为涂覆PDMS 膜的光纤微腔有机挥发物（organic volatile componet, VOC）传感器的结构示意图，同样采用4.1节所述结构，LMAF 和HCF 的长度分别为440.4 μm 和577.1 μm，总长度约为1.0 mm.传感器外部采用浸镀法涂覆PDMS 薄膜，浸镀后将传感器在60°C 下加热5 h，PDMS 膜在LMAF 中部和HCF 中部的厚度约为30 μm 和15 μm.当传感器暴露在混有异丙醇的环境中时，PDMS 膨胀产生的张力将转移到下面的传感器.由于弹光效应和应变效应，LMAF 的长度和折射率都会发生变化，当有机挥发物质量分数增加时传感器的反射光谱会发生漂移.特别是当级联的FPI 实现了游标效应，光谱包络的漂移将会更加明显，这将大大提高传感器的灵敏度.如式(24)所示，相较单一石英腔FPI 的VOC 灵敏度，包络波长的漂移量被放大了M倍.

图34 涂覆PDMS 膜的光纤微腔VOC 传感器Figure34 Optical fiber microcavity VOC sensor coated with PDMS film

4.3.2 实验结果

图35为传感器在25°C 下的反射光谱，气室中的环境被控制在44.5%.反射光谱表现出较好的周期性，反射光谱由一系列强度不同的干涉条纹组成.波长间距约为2.03 nm.包络的FSR 约为17.27 nm.随着有机样发物质量分数的增加，反射光谱明显朝长波方向移动.

图35 25 °C 下VOC 传感器的反射光谱Figure35 Reflection spectrum of the VOC sensor at 25 °C

图36 不同有机挥发物质量分数下反射光谱包络图Figure36 Envelope of reflection spectrum at different VOC concentrations

图36为不同有机挥发物质量分数下反射光谱包络图.有机挥发物质量分数从0%升高到5×10-4%，图36(a)中的反射光谱上包络向长波方向移动了约10.20 nm，图36(b)反射光谱下包络向长波方向移动了约10.15 nm.图37为有机挥发物质量分数与不同包络波长之间的关系.上包络的线性拟合公式为y= 0.02x+1 552.92，拟合系数为0.998.下包络的线性拟合公式为y= 0.02x+1 543.97，拟合系数为0.998.上下包络的有机挥发物灵敏度均为20×10-6pm/%.本文介绍的传感器因使用了游标效应而具有更高的灵敏度.

4.4 基于游标效应的级联光纤FPI 传感器增敏解调方法

制备完成的FP 传感器，特别是已应用于工程实际中的传感器，其参数已经确定.为了在不破坏其结构与测量精度的基础上进一步提高灵敏度，可对传感器进行增敏解调.本节介绍一种基于游标效应的增敏解调方法，通过使用两个平行的FPI 结构形成游标效应，两个FPI 分别作为传感FPI 和参考FPI，单个FPI 温度传感器的温度灵敏度为0.653 nm/°C，利用游标效应后其灵敏度得到了极大的提高，传感器的灵敏度可达到17.758 nm/°C[92]，同时，这种光纤传感器可用于远距离传感.

图37 有机挥发物质量分数与不同包络波长之间关系Figure37 Relationship between VOC concentration and different envelope wavelengths

4.4.1 基于游标效应增敏解调的级联FPI 传感器装置示意图

基于游标效应增敏解调的FPI 传感器实验装置如图38所示.2×2 耦合器的4 个端口分别连接到BBS、OSA、FPI1、FPI2.用于温度传感的FPI1结构放在传感区域的温度控制器上，FPI2放置在检测区域中，检测区域的温度恒定.当光传播到2 个FPI 时，可以检测到具有包络的周期性反射光谱，它是由一系列强度不同的正弦波组成的，反射光谱的包络线FSR远大于单个FPI 的数据，传感器的灵敏度放大了M倍.

图38 基于游标效应增敏解调的FPI 传感器的实验装置示意图Figure38 Experimental setup of the FPI sensor based on the vernier effect increasing sensitivity demodultion

图39显示了PDMS 填充的FPI 温度传感器的示意图和显微图.传感器由一段单模光纤和一小段空芯光纤熔接并在空芯光纤内部填充PDMS 材料制成，FPI2是通过在一段SMF 和尾部SMF 之间夹一段长度为165.58 μm（L2）的HCF（TSP075150）制成的.

4.4.2 实验研究

如图40所示，温度从46°C 升至50°C，包络线向长波长方向漂移约71.43 nm，显然传感器的灵敏度大大提高了.图41显示了具有游标效应的传感器的线性拟合曲线，其温度灵敏度为17.758 nm/°C，远高于单个传感器的温度灵敏度0.653 nm/°C，传感器的检测极限由解调设备灵敏度和精度决定.

图39 FPI1 温度传感器的结构示意图和显微镜图Figure39 Schematic diagram and micrograph of the FPI1 temperature sensor

图40 46 °C～50 °C 时游标效应传感器反射光谱中提取的下包络曲线Figure40 Lower envelop curves extracted from the reflectance spectra of the sensor with the vernier effect when temperature ranges from 46 °C to 50 °C

图41 游标效应的波长漂移和温度之间的关系Figure41 Relationship between the wavelength shift and temperature of with the vernier effect

4.5 通过级联MZI 实现FP 传感器的增敏解调

为进一步实现对已有传感器的增敏，本节介绍一种基于游标效应的FP 传感器增敏解调的新方法.通过FPI 传感器与MZI 级联，利用游标效应大大提高了传感器的温度灵敏度.其中，由一段HCF 制成的FPI 用于温度传感，MZI 用作可以提高灵敏度的解调部分，两个干涉仪的自由光谱范围（FSR）非常相近能够产生游标效应，从而大大提高整个传感器的温度灵敏度.实验结果表明，级联传感器的温度灵敏度为-107.2 pm/°C，与FPI 的温度灵敏度1.2 pm/°C相比，灵敏度提高约89 倍.此外，用于传感的FPI 和用于解调的MZI 可以间隔很长距离，因此该方法同样适用于远距离传感[93].

4.5.1 级联MZI 实现FP 传感器增敏解调的实验装置示意图

图42(a)显示了与MZI 级联的FPI 温度测量装置示意图.波长范围为1 500～1 600 nm的宽带光源（BBS）作为输入光源，通过光谱分析仪（OSA）测量光谱，其波长分辨率为0.02 nm.来自BBS 的光首先被FPI 反射，然后穿过MZI，最后被OSA 采集分析.FPI 的长度约为497 μm，MZI 的两个臂的长度差约为620 μm，HCF 的外径和内径分别为150 μm 和75 μm.FPI 通过在两段单模光纤（SMF）之间熔接一小段HCF 制成，可用于温度传感，其显微结构如图42(b)所示.由2 个3 dB 耦合器组成的MZI 用作解调部分.由于MZI 的反射光谱形状与FPI 的反射光谱类似，因此当二者FSR 相近但不相同时，就会产生游标效应，混合级联传感器的输出光谱等于各独立光谱的乘积，因此最终输出光谱是由一系列不同幅度的干涉条纹组成的周期性包络.包络FSR 和FPI 的温度敏感度的计算方法与4.1 节所述相同.

图42 温度增敏解调装置示意图及单个FPI 显微图Figure42 Schematic diagram of temperature sensitivity demodulation device and micrograph image of the single FPI

4.5.2 实验研究

30°C 下单个FPI（红色）和MZI（绿色）的光谱如图43(a)所示.可以看到，FPI 和MZI的FSR 分别为2.26 nm 和2.51 nm，其光谱是具有明显消光比的周期性光谱，因此可以得到基于游标效应的级联结构的光谱，如图43(b)所示，该周期光谱的FSR 约为20.3 nm，与理论值22.6 nm 相符.下包络和上包络几乎对称，本文选择红色上包络的漂移进行分析，另外，FPI的光谱对比度低于MZI 的光谱对比度，因此可以通过MZI 解调FPI 来提高整体包络的对比度.

首先测试单个FPI 的温度特性，图44(a)显示了单个FPI 在20°C～120°C 温度范围内的反射光谱，当温度升高时波长红移约为0.12 nm.图44(b)显示了温度和波长漂移之间的关系，二者有明显的线性关系，单个FPI 的温度敏感度极低，约为1.2 pm/°C.

图45(a)显示了30°C 和80°C 温度下级联结构的反射光谱，分别对应红色和蓝色.如图45(b)所示，提取上包络然后获得温度从30°C 升高至80°C 的上包络的光谱漂移，选择波长约为1 539 nm 的峰值以跟踪波长偏移.图45(c)显示了温度与包络波峰之间的关系，升温过程的温度灵敏度为-107.2 pm/°C，降温过程的温度灵敏度为-91.5 pm/°C，升温和降温过程中灵敏度不一致主要是由MZI 易受环境干扰引起的.FPI 和MZI 的混合级联结构大大提高了温度敏感度，与单个FPI 的温度敏感度相比，游标效应的放大因子约为89，远高于单个FPI的温度灵敏度.

图43 单个传感器的反射光谱和级联结构光谱Figure43 Reflection spectra of the single sensor and spectrum of the cascaded structure

图44 单个FPI 对不同温度的响应Figure44 Response of the single FPI to different temperatures

5 结 语

本文对光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器进行了系统研究.针对光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器可测参量多并能够实现多参量同时测量的特点，重点介绍了其对温度、气体压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量的测量.详细介绍了传感器的制作方法、传感原理、实验结果.介绍并实现了基于游标效应的光纤级联FPI 传感器，通过增敏解调有效提高了已有传感器的测量灵敏度.光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器体积微小，可用于狭小区域.此外，该传感器还具有灵敏度高、响应速度快、安全性能好、制作工艺简单等优点，在电力监测、石油化工、生物化学、环保和国防等领域，有着非常重要的应用价值.

图45 级联结构对不同温度的响应Figure45 Response of the cascaded structure to different temperatures