基于微结构光纤的温度传感器研究

耿优福， 李学金

1.深圳大学物理与光电工程学院，广东深圳518060

2.深圳市传感器技术重点实验室，广东深圳518060

3.深圳光纤传感网工程实验室，广东深圳518060

4.香港中文大学（深圳）理工学院，广东深圳518172

微结构光纤（microstructured optical fiber, MOF）因呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性而受到了广泛关注，并已成光学与光电子学领域的一个研究热点[1].微结构光纤或多孔光纤由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束来实现光的传导.微结构光纤的两个特性决定了其在光纤传感领域具有重要的应用价值和开发潜力.由于多孔结构，微结构光纤中的传输光可以增加与敏感物质的作用长度，从而提高传感灵敏度；光纤特性可以根据需要通过调整结构参数进行自由设计，进而提高传感器的选择性和灵敏度.传统的光纤温度传感器受光纤固定结构和确定性能的限制，在传感器设计和传感性能提高方面具有一定的局限性，因此微结构光纤温度传感器成为目前研究热点之一.

本文对包括基于模间Mach-Zehnder 干涉式[2]、Michelson 干涉[3]、F-P 干涉[4]、荧光[5-8]等原理的微结构光纤温度传感器开展了较为系统和深入的研究，建立了相关理论并研制出了一系列新型光纤温度传感器及其功能器件[9-12].同时，提出了一种新型的荧光光纤有源温度传感器，传感器输出的激发光、荧光波长、强度和寿命作为温度敏感参量的多参量温度传感器，通过激发光和荧光的关联性建立一种新的信号处理方法.利用液体填充微结构光纤制作出在线式、全光纤Mach-Zehnder 干涉式温度传感器的敏感度达-1.83 nm/°C.利用全固态光子带隙光纤内的高阶导模制作出了结构紧凑的Michelson 高温传感器，传感头尺寸仅为1.03 mm，灵敏度为0.11 nm/°C.基于柚子型小纤芯微结构光纤制作了微腔F-P 高温传感器，温度的灵敏度为17.7 pm/°C，测量温度达1 000°C.

1 微结构光纤荧光传感器

1.1 微结构光纤荧光温度传感器理论

在理论研究中，根据荧光和激发光的转换效率及在光纤中的传输损耗等因素，建立正向激发的微结构光纤荧光辐射模型，如图1所示，并给出在微结构光纤中荧光和激发光的传输方程.假设在理想情况下，荧光物质只填充于纤芯空气孔中，耦合进光纤中的激发光与荧光物质的重叠率为100%.

根据上述假设，光纤中传输的激发光和荧光之间的传输简化数学模型可由下面的微分方程来表示：

式中，Ie为光纤中激发光光强，If为光纤中荧光光强，g(T)为吸收的激发光到荧光的转换效率（即荧光物质的量子产率），αe(T)为激发光在光纤中的传输损耗系数，αf(T)为荧光在光纤中的传输损耗系数，ae为荧光物质对激发光的吸收系数，af为荧光物质对荧光自身的吸收系数，c(T)为荧光溶液（稀溶液情况下）的质量分数，k为某一波长下的荧光强度占整个荧光带的比例系数.

图1 激发光和荧光在光纤中同向传输示意图Figure1 Transmission schematic of excitation and fluorescence lights in fiber

式(1)右边第1 项表示激发光在光纤中的传输损耗，第2 项表示激发光通过荧光物质时的吸收损耗；式(2)右边第1 项表示荧光物质吸收的激发光能量转化为荧光，使荧光得到加强，第2 项表示荧光在光纤中的传输损耗，第3 项表示荧光通过荧光物质时的吸收损耗.解上述微分方程组，可得

式中，p=αe(T)+aec(T)g(T)，q=αf(T)+afc(T)g(T)(1-k)，B1和B2在某一温度下为常数，考虑初始条件：当光纤长度为0 时，Ie=Ie0，If= 0，此时可求出B1=Ie0；B2=

1.2 微结构光纤荧光温度传感器实验

实验中，本文选用的微结构光纤端面结构如图2(a)所示.微结构光纤纤芯孔直径为5.6 μm，包层空气孔直径为2.2 μm，占空比约为85%.实验装置如图2(b)所示，实验采用脉冲光源对已填充进MOF 里的诺丹明B 进行激发，在光纤出射端处加入滤波片对激发光进行过滤分离，在外界温度场的作用下检测荧光寿命随温度的变化规律，如图3所示.

本文选用激励源LED 的峰值波长为504 nm，归一化的504 nm 激发光强度的微结构光纤和580 nm 的荧光信号随着温度变化如图4所示.温度从30°C 增加到62°C，504 nm 的激发光的振幅呈指数上升，580 nm 处的信号的振幅与温度呈线性下降.随着温度的升高，荧光强度降低，激发光增强，实验结果与理论模拟吻合.

图2 微结构光纤横截面图及实验装置Figure2 Cross section of microstructured fiber and the experiment setup

图3 荧光寿命随温度变化图Figure3 Fluorescent lifetime versus temperature

由图4可以看出，微结构光纤中传输的激发光与荧光都对温度敏感，均可作为测温参量.如果将激发光与荧光信号进行信号处理，激发光与荧光信号的强度比随温度变化如图5所示.激发光与荧光信号的强度比也可作为温度测量参量，且具有非常高的灵敏度，因而可实现多参量荧光温度传感器.

1.3 基于量子点填充的微结构光纤荧光温度传感器

量子点具有激发光波长范围宽、荧光波长可调、荧光谱峰窄等无可比拟的荧光特性.实验中采用简化型空芯微结构光纤（simplified hollow-core microstructured optical fiber, SHCMOF）作为工作光纤，它是耦合抑制型微结构光纤的一种，该光纤由一个较大的空气孔纤芯和一层空气孔包层构成，空气孔之间有很薄的石英壁.SHC-MOF 具有非常优异的特性：当气孔填充功能材料后，光仍能被限制在纤芯中进行传输，这为采用该光纤进行溶液填充提供了良好的条件.实验中采用的SHC-MOF 由长飞光纤光缆有限公司研制和生产，其横截面的结构如图6所示.纤芯为六边形空气孔，在纤芯孔的周边围绕着6 个扇形的包层气孔，包层气孔的外侧为石英包层，在包层气孔与纤芯气孔间由薄层石英相隔.SHC-MOF 的导光机理基于反谐振式反射光波导（anti-resonant reflecting optical wave-guides, ARROW）模型.

图4 微结构光纤输出的激发光强度和荧光强度随温度变化图Figure4 Intensities of output excitation laser and fluorescence light versus temperature

图5 激发光与荧光信号的强度比随温度变化图Figure5 Intensity ratio of excitation laser to fluorescence light versus temperature

图6 SHC-MOF的横截面图片Figure6 Cross section of SHC-MOF

图7 全光纤型量子点荧光温度传感实验装置Figure7 Experiment setup for a quantum dot filled all-fiber temperature sensor

图7为全光纤型量子点荧光温度传感实验的结构示意图.激发光源采用中心波长位于400 nm 的LED，激发光通过一个40 倍的物镜耦合进入多模尾纤，由多模尾纤传输到填充了量子点水溶液的微结构光纤，激发量子点产生荧光.荧光经另一端的多模尾纤传输到光纤光谱仪（ocean optics HR-4000-CG）对荧光光谱进行测量.图8为荧光波长和荧光强度在不同温度下的情况.从图中可以看出，随温度的升高荧光峰值波长向长波方向移动，荧光峰的半高宽增大，而荧光峰值强度则随温度的升高而下降.

图8 荧光特性随温度的变化Figure8 Fluorescence performance changed with temperature

1.4 反射式结构微结构光纤荧光温度传感器

反射式结构的温度传感器实验装置原理如图9(a)所示.LED 光源通过100 倍的准直透镜耦合到多模光纤中，从端口2 经过一分二的耦合器，将激发光传导到端口1 并激发传感器探头中的量子点，产生的反向荧光信号和部分反射的激发光通过端口3 导入到光谱仪中，最后通过PC 端获取光谱信号如图9(b)所示.

将制备的传感器进行温度特性测试，结果如图10所示.荧光光谱随着温度的升高发生斯托克斯红移，荧光强度也随之减小.通过多次升降温检测传感器探头对温度敏感的重复性并对检测得到的数据进行处理发现，荧光峰值波长和峰值强度在0°C～80°C的范围内均随温度发生线性变化，经过线性拟合后得到峰值波长与温度的关系式为y=-0.108x+654.32(R2= 0.999 49)，则荧光峰值波长对温度的灵敏度为107.5 pm/°C；其荧光峰值强度与温度的关系式为y=-6.17x+976.08（R2=0.999 35），则峰值强度对温度的灵敏度为6.17 counts/°C.

图9 实验装置及荧光信号Figure9 Experiment setup and the fluorescence signal

图10 传感器温度特性Figure10 Temperature characteristic of the sensor

1.5 波分复用式量子点填充微结构光纤温度传感器

为使复用传感系统更加实用化并避免串联结构所导致的相互吸收和激发光的串扰，波分复用式量子点填充微结构光纤传感系统采用反射式并行结构，如图11所示.激发光源仍采用波长为400 nm 的LED，激发光通过一个40 倍的物镜耦合进入2×2 光纤耦合器（分光比50:50）的端口1，通过光纤耦合器分别传输到连接至光纤耦合器端口3 和4 的传感器处，激发量子点产生荧光.传感器产生的荧光又经光纤耦合器进入到光谱仪中得到被测光谱.

在温度传感实验中，将复用的两个光纤温度传感头放入温控箱中，温度的变化范围仍设定在-10°C～120°C，得到光谱随温度变化的情况如图12所示.从图中可以看出，在光谱中存在2 个荧光峰，在室温下分别位于610 nm 和655 nm 处.

在-10°C～120°C 的温度范围内测量，2 个荧光峰均随温度的升高向长波方向移动，峰值波长的温度灵敏度约为130.9 pm/°C，这与单独传感器的一致且2 个荧光峰值波长的温度灵敏度基本相同.在实验温度测量范围内，峰值波长随温度的变化具有较好的重复性，这表明复用式光纤荧光温度传感器非常适用于温度传感.我们认为基于量子点填充的微结构光纤温度传感器和复用技术的结合，将为多点测量提供一种新的思路和方法.

图11 波分复用分布式传感系统结构原理图Figure11 Structure of WDM quantum dot microstructured optical fiber distributed sensing system

图12 不同温度下反射式复用微结构光纤荧光温度传感系统的光谱Figure12 Output spectra of multiplexing microstructured fiber fluorescence temperature sensor system at different temperatures

2 干涉式微结构光纤温度传感器

2.1 超灵敏液体填充Mach-Zehnder 温度传感器

与传统光纤相比，微结构光纤主要由周期性排列的微空气孔构成，在前期制作过程中可以精确控制空气孔大小及其排列方式，从而为设计出优异的模式、色散、非线性特性提供较高的自由度.此外，还可以通过后处理技术在周期性分布的微空气孔中填充各种液相、固相、气相材料，使微结构光纤的传输特性及其功能发生转变.例如，在众多径向小孔中填充传感工作物质，其位置非常接近纤芯模场，因此可有效提高消逝场传感的灵敏度[13].在微气孔内也可以填充某种折射率可控的材料，通过控制该填充材料的折射率影响光纤的传输特性，从而制作出各种光功能器件，如填充液晶的电控光开关[14-15]、填充热敏材料通过温度控制的可调节滤波器[16]、电控的液晶填充光子带隙光纤偏振仪等.

图13为本文制作的液体填充双模微结构光纤Mach-Zehnder 模间干涉器结构及工作原理.该干涉器具有简单的三明治结构，采用的微结构光纤为双模运转全内反射微结构光纤，并在包层的微孔内填充有温敏液体.由于选用的温敏液体折射率小于背景石英的折射率，此时光纤包层有效折射率仍然小于纤芯折射率，因此光纤仍然为全内反射的导光机制.

图13 液体填充双模MOF Mach-Zehnder 模间干涉器示意图Figure13 Schematic of an intermodal Mach-Zehnder interferometer with a liquid-filled dualmode MOF

实验中所用的微结构光纤为全内反射型微结构光纤，其横截面图如图14(a)所示.光纤的外直径为125 μm，纤芯的大小约为7 μm.包层中的空气孔按三角格子排列，空气孔的大小d约为3.6 μm，空气孔的周期Λ约为5.7 μm，空气填充率d/Λ为0.63.空气孔的层数5 层，光纤的纤芯由缺失一个空气孔构成.根据文献[17]报道，当空气填充率d/Λ在0.45～0.65 的范围内时MOF 支持双模运转特性，因此实验中所用的光纤具有无截止的双模运转特性.

图14 所用微结构光纤及实验装置Figure14 Microstructured fiber we used and the experimental setup

填充液体选用n0=1.38 的折射率匹配油（T0=25°C，采用589 nm 波长的光较准），其热光系数α= 3.56×10-4/K.采用毛细作用力将折射率匹配油填充入MOF 的微气孔内，MOF填充过渡区及完全填充的侧面显微图如图14(b)和(c)所示.由于在MOF 的微空气孔中填充了液体，并且熔接点处光纤不对芯，因此MOF 与普通单模光纤熔接损耗较大，实验中整个Mach-Zehnder 干涉器的插入损耗约为10 dB.实验装置如图14(d)所示，光源为囟钨灯白光光源，有效波长范围为600～1 900 nm，采用光纤光谱仪（Agilent 86146B）对干涉光谱进行记录.

利用不同长度的MOF 制作液体填充Mach-Zehnder 干涉器，图15展示了长度L分别为53.0 mm、32.0 mm、19.5 mm、7.5 mm，在1 150～1 300 nm 波段内的干涉光谱.双模干涉长度与条纹间距满足关系式Λ=λ20/(ΔneffL)，因此可以测量不同长度的液体填充MOF 和得到的干涉条纹间距，进而从实验上得到液体填充的MOF 中LP01和LP11模的有效折射率差值.本文对液体填充的MOF 温度传感特性进行了数值模拟，在填充了折射率（1.38）匹配液的MOF 中，LP01模式与LP11模式之间的有效热光系数ξ约为8.37×10-4.该有效热光系数为未填充材料时微结构光纤热光系数（4.6.×10-6）的180 倍，因此，可以预测7.5 mm 和19.5 mm 的干涉器在1 200 nm 处的温度敏感度分别约为1.52 nm/°C 和1.61 nm/°C.光纤长度越长敏感度越高，但自由光谱范围较小，测量过程中往往平移多个条纹.

图15 不同MOF长度的液体填充Mach-Zehnder 干涉器光谱图Figure15 Output spectra of liquid filled Mach-Zehnder interferometers with different MOF lengths

本文从实验上测量制作出的液体填充MOF Mach-Zehnder 干涉器的温度灵敏度，其结果如图16(a)所示.图16(a)为长度L= 7.5 mm 的液体填充MOF Mach-Zehnder 干涉器温度响应曲线，从图中可以看出，不同干涉峰具有不同的温度灵敏度，长波长处的灵敏度更高，在1 281 nm 和1 199 nm 的干涉峰敏感度分别为-1.83 nm/°C 和-1.09 nm/°C，均随温度的升高发生蓝移现象.

2.2 全固态光子带隙光纤Michelson 干涉式高温传感器

目前光纤高温传感器的研发相对滞后，如工程中广泛使用的布拉格光纤光栅在高温环境中反射谱会发生退化现象.为了解决光纤传感器在高温测量中的问题，文献[18]研制出了一种多模光纤干涉式高温传感器，在23°C～700°C 的测量范围内灵敏度为15 pm/°C.文献[19]研制了一种混合结构的F-P 干涉高温传感器，测量范围达1 000°C.2010年，文献[20]利用细芯径的光纤成功制作了Mach-Zehnder 干涉式的高温传感器，温度灵敏度为18.3 pm/°C，测量的温度可以达到850°C.由于微结构光纤完全由石英材料拉制而成，非常适用于高温传感，在电网高温设备、炉膛燃烧、火山喷发监测、火灾报警、高温油井、高温冶炼等方面有着广泛的潜在应用.

图16 液体填充的MOF Mach-Zehnder 干涉器的温度响应曲线Figure16 Response to temperature for liquid filled MOF Mach-Zehnder interferometer

大部分微结构光纤干涉式高温传感器的温度灵敏度均不高.根据多模干涉的理论可知，这主要是由于传感光纤的有效热光系数较小引起的.例如，在全内反射的微结构光纤及空芯的光子带隙光纤中，光纤的材料主要由石英单一材料拉制而成，不同模式之间随温度变化的幅度小，从而造成了高温测量的灵敏度不高.因此，利用有效热光系数较大的光纤结构将可以极大地提高传感器的温度灵敏度.从光纤中模间有效热光系数的定义ξ=(1/Δneff)∂Δneff/∂T中可以看出，不同模式之间的有效热光系数是不同的，因此利用不同导模之间干涉制作出的干涉器其温度的灵敏度也必然不同.本文尝试利用全固态光子带隙光纤（all-solid photonic bandgap fiber, AS-PBF）内的更高阶导模来制作模间干涉式的高温传感器，不仅能有更高的温度敏感度，而且由于高阶导模与基模间的有效折射率差更大，该传感器的结构要更加紧凑.

基于全固态光子带隙光纤模间干涉式的原理如图17所示.长度为L的全固态光子带隙光纤一端用光纤切割刀切平，另一端经由光纤锥形区与单模光纤相接.光纤锥的作用与传统Michelson 光纤干涉器的中光纤分束/合束器的作用类似，这里用来激发全固态光子带隙光纤中的高阶模式，由于所用光纤截面均有圆对称性，可以预测所激发的高阶模式为LP0m模（m为大于1 的整数）.高阶模LP0m与光纤中的基模LP01模经自由端面的菲涅尔反射重新返回光纤锥中，由于LP0m模与LP01模具有不同传播常数，在经过2L的传输距离后积累一定的相位差，经由光纤锥合束而产生Michelson 模间干涉现象.

实验所用的全固态光子带隙光纤的外直径为123.0 μm，光纤纤芯的大小为11.8 μm.光纤高折射率棒的周期A为9.3 μm，高折射率棒和低折射率区域的相对直径为dGe/A= 0.39和dF/A= 0.7.纤芯的大小与普通单模光纤匹配较好，在熔接过程中采用手动模式，放电加热并拉伸制作出普通单模光纤SMF-AS-PBF 光纤锥，锥腰直径dt约为100 μm，lt锥长约250 μm，其x、y方向侧面显微图如18(a)所示.该光纤锥与其他已报道的微结构光纤锥（仅有数十个μm）相比锥腰直径大，因此实现的SMF-AS-PBF 锥同时也具有极好的机械强度.全固态光子带隙光纤Michelson 模间干涉器实验装置如图18(b)所示，所用的入射光源为ASE宽带光源，有效波长范围为1 525～1 565 nm，入射光经3 dB 光纤耦合器后进入传感头，干涉光谱经光纤耦合器后由光纤光谱仪测量.

图17 全固态光子带隙光纤Michelson 光纤干涉器原理图Figure17 Schematic of all-solid photonic bandgap fiber-based Michelson interferometer

图18 所用微结构光纤及实验装置Figure18 Microstructured fiber we used and the experimental setup

对不同长度全固态光子带隙光纤的干涉光谱进行测量，图19给出了所用光纤长度L分别为19.50 mm、14.50 mm、3.80 mm、1.03 mm时的干涉光谱，可以看出，干涉光谱条纹间距随着光纤的长度减小而逐渐增大.值得注意的是，当所用光子带隙光纤的长度大于30 mm 时，干涉光谱较难观察到或其对比度较小.随着光纤长度的减小，条纹对比度逐渐增大，本文认为这主要是由全固态光子带隙光纤的中LP0m高阶模传输损耗较大造成的.如图19所示，当所用光纤长度仅为1.03 mm 时，干涉条纹对比度达25 dB，并且此时该干涉器具有较大的自由光谱范围为41.32 nm，便于实现大动态范围的高温测量.

为了验证该反射式Michelson 干涉器作为高温传感器的可能性，利用管状高温炉测试其温度响应特性，结果如图20所示.所选用的干涉器长度为1.03 mm，具有最大动态范围和最大对比度，温度的测试范围为从室温到600°C.实验中对两个升温/降温过程分别进行观测记录，升温/降温的每个步长为50°C，每个步长稳定时间为30 min.从图20(a)中可以看出，在逐渐升温的过程中，波长为1 556.8 的干涉谷发生红移，并且在两个测量过程中均具有很好的重复性.对实验结果进行多项式拟合，波长平移与温度之间具有较好的二次关系式：λ= 1 554.1+0.055 9T+5.265 5×10-5T2，拟合的修正决定系数R2= 0.999 7.可以得出，该全固态光子带隙光纤Michelson 干涉器具有极高的温度敏感度，在500°C 时敏感度为0.11 nm/°C.因所使用ASE 光源的限制，未能测量更高温度的响应情况.图20(b)展示了升温过程中的光谱平移情况，在波长大于1 590 nm 时，干涉光谱对比度发生一定的退化，这可能是由于使用ASE 光源在长波长处强度非常弱而造成干涉强度较低.

图19 不同长度的全固态光子带隙光纤Michelson 模间干涉光谱Figure19 Intermodal interference spectra of all-solid photonic bandgapfiber-based Michelson interferometers with different fiber lengths

2.3 柚子型微结构光纤高温传感器

光纤F-P 干涉传感器具有体积小、灵敏度高、测量范围广、响应速度快、多参数测量等独特优势，近年来在温度、应力、压力、折射率等测量领域越来越受到关注.按照结构的不同，F-P 可以分为两大类：本征型F-P 干涉器和非本征型F-P 干涉器.非本征型F-P 干涉器存在模式不匹配、腔长短、插入损耗大等问题，测量过程中还受环境温度的影响；本征型F-P干涉腔是由光纤构成，光被限制在波导中传输，F-P 腔的两个端面不需要严格平行.目前报道的典型本征型F-P 干涉腔包括以下几种：1）在两根单模光纤直接熔接多模光纤[21]、光子晶体光纤[22]、光子带隙光纤[23-24]；2）利用普通熔接机熔接微结构光纤和单模光纤时，在连接点处形成空气泡[25-26]；3）利用化学腐蚀法[27]、飞秒打孔技术[28]、聚焦离子束方法[29]在光纤中刻蚀微腔.

图20 传感器温度特性Figure20 Temperature characteristics of the sensor

本文研制了一种本征型微结构光纤F-P 高温传感器，由一小段微结构光纤和单模光纤熔接而成.传感器干涉光谱的对比度可达20 dB，对传感器的温度特性进行了理论计算和实验分析，通过记录光谱随温度的变化情况，发现它对温度的灵敏度在1 000°C 时，可以达到17.7 pm/°C.所提出的传感器结构紧凑、容易制作、在高温传感领域具有重要的应用前景.

所提出的F-P 传感器原理图如图21所示.它是由一段小纤芯的微结构光纤和单模光纤熔接而成.微结构光纤一端与单模光纤熔接，另外一段利用切割刀切平.当入射光传输到两种光纤的交界面时，由于纤芯不匹配，在交界处会存在菲涅尔反射，透射光在微结构光纤中继续传输.由于光纤与空气的折射率不同，当传输到微结构光纤的端面时发生第2 次菲涅尔反射.这两部分反射光在交界面处重新耦合到单模光纤中并发生干涉.这里，两部分反射光分别用I1和I2表示.其中I1包括两部分：1）在两种光纤纤芯的交界面因折射率不同而产生的菲涅尔反射，但由于二者折射率差非常小，所以这部分可以忽略，2）在单模光纤的纤芯与微结构光纤的空气孔交界面处因纤芯与空气孔的折射率不同而发生菲涅尔反射，其大小主要取决于单模纤芯与微结构光纤空气孔的交叠区域的大小.

图21 F-P传感器原理图Figure21 Schematic of the F-P sensor

根据双光束干涉的理论，输出的干涉光强可写作

式中，φ为两模式之间的位为相差，L为光纤长度的函数，neff为微结构光纤基模的有效折射率，λ为波长.I1和I2分别为两部分反射光的光强，I1=I0αR1，I2=I0(1-α)2R2，R1和R2均为菲涅尔反射系数，由下式决定：

α为两种光纤的耦合损耗，表达式为

在F-P 传感器的实际应用中，光谱的对比度是一个重要的参数，表达式为

式中，Imax和Imin分别为光谱强度的最大值和最小值.根据根据式(7)～(9)，可以发现光谱的对比度与耦合损耗α有关，即与微结构光纤的纤芯尺寸有关.计算对比度随微结构光纤中基模束腰大小的变化关系如图22所示.从图中可以发现，当束腰直径为3.7 μm 时，光谱的对比度最大，此时理论上α=61.8%.

图22 干涉光谱对比度随微结构光纤中基模束腰大小的变化关系Figure22 Spectral contrast versus the waist value of the fundamental mode in microstructured fiber

根据上述理论分析，实验中采用长飞公司研制的柚子型微结构光纤来实现较大的干涉光谱对比度.微结构光纤的横截面示意图如图23(a)所示，图23(b)为局部放大图.微结构光纤的结构参数为：纤芯直径为3.80 μm，空气孔有两个不同的圆角，曲率半径分别为2.95 μm 和10.00 μm，整个空气孔的长度为9.60 μm，空气孔之间的距离为0.43 μm.本文制作的F-P 传感头如图23(c)所示，微结构光纤一段与单模光纤熔接，另外一段在显微镜下由切割刀切平，这样可以较好地控制微结构光纤的长度且制作的重复性较高.两根光纤熔接时熔接机的参数也非常重要，如果放电功率太大会造成微结构空气孔的坍塌，降低反射率；如果放电功率太小，在切割时熔接处容易断裂.经过试验摸索，设定的熔接参数为放电功率为-60 bit，放电时间为200 ms.图23(d)为试验装置图，包括波长范围为1 525～1 610 nm 的宽带光源、安捷伦光谱仪（Agilent, 86146B）、光纤环形器.

图23 微结构光纤、制作的传感器及实验装置Figure23 Microstructured fiber, fabricated sensor and the experimental setup

图24 不同微结构光纤长度的F-P 传感器干涉光谱Figure24 Interference spectra of F-P interferometers with different photonic crystal fiber lengths

图24给出了微结构光纤长度分别为110.0 μm、79.6 μm、45.0 μm 的F-P 传感器干涉光谱图，当L= 79.6 μm 时，在光谱仪分辨率为0.06 nm 时干涉光谱的对比度可以达到20 dB.在F-P 传感器中，光纤长度的增加可以是由轴向应力或光纤的热扩展引起的，有效折射率差主要是由光纤的热光效应引起的.由环境温度变化引起的波长的平移量Δλ可以写作

式中，α= (1/L)∂L/∂T为光纤的热扩展系数，ξ= (1/Δneff)∂Δneff/∂T为光纤的有效热光系数.

图25 传感器温度特性Figure25 Temperature characteristics of the sensor

为了更好地证明该F-P 高温传感器的可行性，本文进行了高温响应测试.首先将制作好的高温传感头拉直并放入一管状高温炉内，高温炉的最高温度可达1 200°C.加热的温度范围为30°C～1 000°C，温度间隔为100°C.每个温度点加热并保持30 min，然后记录每个温度点的干涉光谱.图25(a)为F-P 传感器干涉光谱随温度的变化情况，其中L=79.6 μm，可以看出随着温度的升高，光谱向长波方向漂移.图25(b)为1 570 nm 波长处干涉光谱的温度响应，在第1 次加热到1 000°C 的过程中，当温度低于300°C 时，光谱的变化比较平缓；从400°C升高到1 000°C 的过程中，干涉光谱的变化比较明显.在1 000°C 时，将传感头在高温炉内保持2 h 后降温.在降温的过程中发现干涉光谱波长有一定的漂移，这可能是由于在高温保持的过程中掺锗粒子发生扩散，或在高温条件下光纤内的残余应力释放造成的.在第2 次的加热和降温的过程中重复性比较好.在温度为1 000°C 时，温度灵敏为17.7 pm/°C.此外从图25(b)中还可以发现，在加热过程中干涉条纹没有退化，因此本文制作的基于部分反射的F-P微结构光纤高温传感器的稳定性较好.

3 结 语

微结构光纤的多孔结构为填充敏感物质提供了方便，为实现低温区的超灵敏传感提供了可能；由于自身单一的石英材料，微结构光纤也可以实现超高温的温度传感.本文在荧光光纤有源温度传感器理论、多参量温度传感特性、波分复用式量子点填充微结构光纤温度传感等方面提出了新理论与传感方法.基于微结构光纤灵活的结构设计特性，设计并制作了一系列新型全光纤的模间Mach-Zehnder 干涉器、Michelson 干涉器、F-P 干涉器，在超灵敏的低温传感、超高温传感及多参量传感方面进行了深入的探索.基于微结构光纤的非线性特性，提出并构建了基于光纤四波混频效应的超灵敏微结构光纤温度传感器，并分析了其灵敏度、分辨率及稳定性，探索了微结构光纤温度传感的新方法[30-32].传统的光纤温度传感器受光纤固定结构和确定性能的限制，传感器在设计和性能提高方面具有一定的局限性，可以看出，基于微结构光纤的温度传感器由于其灵活的几何结构与材料特性，微结构光纤温度传感器仍是研究热点之一.