薄膜干涉型光纤温度传感器的偏振特性*

高晓丹，刘 岚，姚 敏，魏 纯

（武汉东湖学院 电子信息工程学院，湖北 武汉 430212）

0 引 言

将新型功能材料与光纤组合制成各种新型传感器是当前光纤传感技术领域的重要发展趋势［1］。纳米薄膜和光纤的结合为各种新型传感器提供了巨大的潜能［2～4］。在薄膜干涉型光纤传感器中，纳米薄膜作为传感器的敏感元件，可以从待测环境中获得相应的反馈和响应，而光纤作为反馈信号的载体，开拓了光纤传感器新的应用领域。基于薄膜干涉的光纤传感器具有测量参数多样性的优势［5］。通过适当的薄膜设计，不仅可以检测基于特征波长漂移原理的温度或应变等物理参数，还可以检测化学和生物参数。Dai J X等人通过在高低反射率配对的2 个布拉格光栅的光纤端面沉积WO3-Pd2Pt-Pt复合薄膜制备氢（H2）传感探针。在25 ℃室温下，H2传感器对氮（N2）气氛中10 ×10-6的H2有明显的响应［6］。Peng J K等人利用物理气相沉积技术沉积ZrO2和SiO2多孔薄膜制作了光纤湿度传感探头，所制备的传感器湿度检测范围为0.06%～70%RH［7］。Huang C J 等人在蓝宝石光纤端面沉积介质薄膜，提出了一种基于法布里—珀罗（Fabry-Perot，FP）结构原理的光纤高温传感器［8］。当环境温度从100.9 ℃变化到1111.0 ℃时，温度灵敏度达到1.8 ×10-5／℃。

薄膜干涉型光纤传感器通过在光纤端面镀制纳米级薄膜，利用薄膜的干涉实现光纤传感。传感探头尺寸即为光纤自身的尺寸，具有微型化、易弯曲的特点，同时兼具光纤传感器耐高温高压、抗腐蚀、抗辐射以及易于组网的特点，尤其适用于环境复杂、恶劣的测试场合［9，10］。

薄膜干涉型光纤传感器的核心是敏感元件—薄膜。敏感薄膜的镀制具有较高的工艺要求，重复性和可靠性依然是制约其工业应用的棘手问题。理论上，在光纤传感器中，光经光纤垂直入射敏感薄膜（即薄膜的光入射角为0°）；然而，在实际制作过程中，由于光纤的切割与磨平、光纤的装夹、镀膜机的均匀性等各种原因，传感器中敏感薄膜的实际光入射角可能偏离0°；而且光纤非常纤细，偏差不易被察觉，甚至可能存在较大的光入射角偏差。当光倾斜入射时，薄膜的有效厚度和折射率随之发生变化，电矢量垂直于入射面的振动分量（s—分量）和平行于入射面的振动分量（p—分量）会发生分离，从而产生偏振效应［11，12］，限制传感器的性能，甚至可能导致其无法正常应用。

本文以光纤温度传感器为例，研究偏振对于薄膜干涉型光纤传感器温度特性的影响。这对于镀膜前光纤的预处理，光纤夹具的设计安装以及镀制工艺的制定等具有指导意义。

1 理论模型

纳米薄膜干涉型光纤温度传感器的原理如图1 所示。从光源发出的光经光纤传输到敏感薄膜层形成反射干涉光谱。

图1 薄膜干涉光纤温度传感器原理

当光倾斜入射光学薄膜时，每层薄膜p 偏振光和s 偏振光的导纳均有不同

式中 nj为第j 层膜的初始折射率，θj由斯涅尔定律n0sin θ0＝nfsin θf＝njsin θj得出。这里nf，n0分别为光纤和出射介质的折射率；θf，θ0分别为入射角、折射角。膜层材料的热光系数αn受温度T变化量ΔT的影响。

第j层膜的温度特征矩阵为

式中 δj（T）为第j层膜的相位厚度，dj为第j层膜的物理膜厚，λ为波长，膜层材料的热膨胀系数αd与温度T有关

m层膜的膜系特征矩阵

多层膜的p偏振反射率Rp和s偏振反射率Rs的温度特性

其中，多层膜和光纤基底组合的导纳Y ＝C／B，而

多层膜的反射率

薄膜干涉型光纤温度传感器是通过对反射光谱干涉条纹的波长漂移量进行标定而获得相对应的温度［13］。当温度从T0变化到T时，特征波长λm的相对变化量

当光倾斜入射敏感薄膜时，s 偏振光和p 偏振光发生分离，势必会影响传感器的温度传感特性。

2 温度敏感薄膜的偏振特性

在光纤传感器中，光倾斜入射敏感薄膜时，会产生偏振效应。以文献［13］所设计的温度敏感薄膜的膜系Fiber｜ZrO2—68 nm／SiO2—1432 nm／ZrO2—68 nm｜AiR为例，光纤为蓝宝石光纤，设计入射角是0°入射。根据上述理论模型，采用MATLAB编程，模拟分析该设计薄膜的偏振特性。常温下，光以20°入射角倾斜入射时，敏感薄膜的偏振特性如图2所示。

图2 常温下敏感薄膜的偏振分离（20°入射角）

当光以不同的入射角入射敏感薄膜，由于偏振效应的影响，常温下0°和15°入射时设计薄膜的干涉光谱如图3所示。当光以15°角倾斜入射敏感薄膜时，相较于0°垂直入射，干涉光谱向短波方向漂移。主要是因为光倾斜入射敏感薄膜时，薄膜的有效光学厚度受到膜层折射角θj的影响变为njdjcos θj。可见，当敏感薄膜倾斜入射时，随着入射角度的增加，干涉光谱会向短波方向漂移。

图3 常温下0°和15°入射角时干涉光谱

以干涉光谱峰值波长的平均值作为特征波长λm，分别研究25，500，1 000 ℃时干涉光谱的特征波长相对变化量随入射角的变化情况如图4所示。

图4 不同温度下，干涉光谱特征波长的相对变化量随入射角变化情况

考虑到敏感薄膜的偏振效应是光纤端面预处理、夹具安装及镀制工艺误差等因素导致，所以分析时只考虑了0°～30°的入射角范围，且以光谱向长波方向漂移为正。由图4可以看出，敏感薄膜干涉光谱的波长漂移量受光入射角度的影响较大。随着入射角度的增加，光谱呈现出较明显的向短波方向漂移的特征。光入射角度越大，波长漂移量越大。在常温（25 ℃）条件下，0°～30°的入射角范围内，干涉光谱向短波方向漂移的波长相对变化量达到0.53。对比500 ℃和1000 ℃的波长漂移情况，随着温度的升高，波长相对变化量略有减小的趋势。在1 000 ℃时，干涉光谱向短波方向漂移的波长相对变化量为0.38。这主要是因为光纤温度传感器的感测原理，温度升高，膜层材料的折射率和厚度发生变化，干涉光谱向长波方向漂移，通过对反射光谱干涉条纹的波长漂移量进行标定来确定温度信息。也就是说，温度升高所引起的波长漂移方向与偏振效应所引起的漂移方向相反，从而抵消了少量偏振效应的影响。

3 偏振对传感特性的影响

在薄膜干涉型光纤传感器中，当光垂直入射敏感薄膜时，反射光谱干涉条纹的波长漂移量只取决于温度。而当光倾斜入射敏感薄膜时，干涉条纹的波长漂移量同时受偏振效应和温度的影响。

0°垂直入射时，传感器的温度特性如图5 中黑色细实线所示。可见，理想情况下，反射光谱的干涉条纹随温度的升高向长波方向漂移，当温度变化范围为0～1 200 ℃时，其干涉条纹的波长相对变化量为0.035，对比图4 中光倾斜入射敏感薄膜时，反射光谱的干涉条纹向短波方向漂移，波长漂移的相对变化量达到0.5 左右。可见，相较于温度而言，干涉条纹的波长漂移特性对偏振效应更加敏感。

图5 光入射角对传感器温度特性的影响

考虑到实际测试应用情况。在光倾斜入射的偏振条件下，以常温25℃时测试光谱的特征波长为参考波长，随着温度的升高，分析不同角度入射时干涉光谱的温度特性。图5中对比0°，10°，20°，30°不同入射角下，光纤传感器在各自偏振效应下的温度特性。定义光纤温度传感器的灵敏度为k，由于光入射角度的变化，产生灵敏度误差ξ

k ＝（Δλ／λ）／ΔT，ξ ＝｜Δk｜／k×100% （10）

随着入射角度的增加，传感器的灵敏度逐渐降低。灵敏度及其误差如表1所示。

表1 不同入射角度下的传感器灵敏度及灵敏度误差

4 结 论

通过对薄膜干涉型光纤温度传感器的偏振特性分析。可以发现，在光纤传感器中，光倾斜入射敏感薄膜时，所引起的偏振效应会导致薄膜的反射光谱干涉条纹向短波方向漂移，与温度升高所引起的干涉条纹的漂移方向相反，且干涉条纹的波长漂移特性对偏振更加敏感。因此，对于以光谱干涉条纹的波长漂移特性来进行物理感测的薄膜干涉型光纤传感器，如温度、湿度、折射率等光纤传感器，都有必要考虑偏振对传感器传感特性的影响。