光纤干涉仪传感器简介资料

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1、1 绪 论 1 1 研究背景 光纤干涉仪利用了光纤来实现光的干涉 被大量的用在传感领域 是种重要 的光纤传感器件 因此 有必要先介绍下光纤传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介 以光波为载体的新型传感技术 起源于 上世纪七十年代 伴随着光通信和光电技术的发展 光纤干涉仪传感技术在过去 几十年取得了巨大进步 光纤传感器逐渐商用 取代传统传感技术的能力明显增 强 同时为重要参数的传感提供新机会 目前 光纤传感技术已在钢筋混凝土结 构监测 电力系统 化学传感 医药 生物 石油天然气和航空航天等领域取得 重要应用 相对于传统的传感技术来说 光纤传感技术具有许多固有的优势 具 体表现在以下方面 1 适

2、合极端环境下工作 光纤传感器的抗电磁干扰能力强 同时具有耐 高温 耐腐蚀和耐高压等特性 2 重量轻 结构小巧 适合嵌入式环境监测 3 具有低的传播损耗 适合远程监控 适合波分复用和分布式监测 传 输容量大 5 具有优异的传感性能 其灵敏度高 分辨率高 可测量参数种类多 可以实现多参量同时高效的传感 6 可以进行活性探测和非接触式测量等 利用光纤传感器对生物分子进 行传感不需要先对生物分子进行标定 光纤传感器种类众多 根据传感区域是否为光纤本身 可以大体分为本征 型和非本征型两类 本征型光纤传感器是指传感器由光纤自身构成 外界环境 参量作用于光纤 改变光纤中传播的光的参量从而进行传感 本征型光纤

3、传感 器同时具备了传输光信号和传感两个功能 非本征型光纤传感器的光需要离开 光纤到达光纤外的传感区域 然后光返回光纤 光纤主要起到传递光信号的功 能 根据工作原理中调制的光参数不同 光纤传感器主要有波长调制型 1 振 幅调制型 2 偏振调制型 3 和相位调制型 4 四类 目前波长调制型主要依靠光 纤光栅实现 在光栅中谐振波长会随着外界环境的变化产生漂移 振幅调制型 主要是基于对光的直接耦合和损耗原理 偏振调制型主要基于外部环境使光的 偏振状态发生变化来进行传感 相位调制型是通过检测外界环境对相位产生的 变化来进行传感的 但是光电探测器只能检测光强信号 所以相位调制型一般 需要通过干涉原理将相位

4、信号转化成强度信号来进行传感 事实上光纤相位传 感器又叫做光纤干涉仪传感器 光纤干涉仪传感器在大的动态范围具有优越的传感性能 是一种具有高灵 敏和高分辨率的光纤传感器 5 6 1 2 光纤干涉仪概述 光纤具有优良的导光性能 光纤干涉仪和其它干涉仪一样 其干涉的实现主 要包括分光和合束两个过程 在光纤中可以通过灵活设计使光在一处分开 然后 以不同的方式在光纤中传播 最后在另一处合并 满足干涉条件就发生干涉现象 应用于传感的光纤干涉仪在设计过程中需要考虑到外界环境的因素能造成干涉 光之间的相位差产生变化 从而能够实现对外界环境的监测 在军事应用的驱动下 早在上世纪 70 年代便开始了光纤干涉仪传感

5、器的研 究 目前 具有代表性的光纤干涉仪可以分为光纤法布里 珀罗干涉仪 Fabry Perot Interferometer FPI 马赫 泽德干涉仪 Mach Zehnder Interferometer MZI 迈克尔逊干涉仪 Michelson Interferometer MI 和萨格纳克干涉仪 Sagnac Interferometer SI 四种类型 下面主要对这四种类型的光纤干涉仪从原理 实现方式和应用领域进行简要的介绍 1 2 1 光纤 Mach Zehnder 干涉仪 光纤 Mach Zehnder MZ 干涉仪基于双光束干涉原理 两束光发生干涉后 输出光强可以用下式 1 1

6、 表示 式中 MZ 表示两光束的相位差 对于 MZ 干涉仪 主要由两光束有效折射率差和传播路径造成 外界环境变化造成的相位差变化会 引起输出光谱的改变 从而能实现对外界环境的传感 121 2 2cos MZ I III I 1 1 早期的光纤 Mach Zehnder 干涉仪如下图 1 1 所示 通过一个 3dB 耦合器将 一束光分成两束在两段光纤中传播 然后在另一个 3dB 耦合器处合并 两束光的 光程不同会产生固定相位差从而发生干涉 在这种结构中 一个臂为参考臂 另 一个臂为传感臂 传感臂受外界环境影响会使两束光的相位差改变 从而会导致 干涉光谱的变化 通过对干涉光谱进行检测就能对环境变化

7、进行监测 图 1 1 早期光纤 MZ 干涉仪结构示意图 早期的这种结构具有应用困难 容易受环境影响 稳定性差 体积大等诸多 缺点 所以很快被全光纤型的 MZ 干涉仪取代 全光纤型 MZ 干涉仪让两路光在 同一段光纤中传播 这包括以不同的模式传播和不同的路径传播 从而克服了早 期的光纤 MZ 干涉仪的缺点 目前已经有很多种实现全光纤干涉的办法 但主要 还是基于分光和合束两个步骤 下面介绍些目前常见的实现全光纤 MZ 干涉仪的 办法 1 通过锥形结构实现分束和合束 如图 1 2a 所示 在锥形处由于光纤结构 发生了突变 使得纤芯和包层的结构遭到破坏 从而包层和纤芯之间的光会发生 耦合 在第一个锥形

8、处纤芯的部分光耦合到光纤包层传输 到第二个突变的锥体 时 在包层中传播的部分光耦合回纤芯从而形成 MZ 干涉 7 这种锥形可以通过 熔接机熔接或者火焰熔化拉锥的方式形成 制作简单 另外 通过熔接等方式制 作的向上凸起的锥形也有相似效果 8 这种结构的 MZ 干涉仪适合温度和弯曲等 参量的传感 图 1 2b 也是通过拉锥的办法形成 MZ 干涉仪 不同的是将单模光 纤拉锥成 s 形 这样在光纤中传播的光由于遇到突变 一部分从纤芯传播 一部 分从空气中传播 然后在下一个锥形汇合 从而形成 MZ 干涉 这种光纤 MZ 干 涉仪因为部分光在空气中传播所以可以方便实现高灵敏的折射率传感 在折射率 1 40

9、7 到 1 421 范围 其折射率灵敏度达到了 2066 nm RI 另外因为被拉成 s 型可 以实现高灵敏的应变传感 其平均应变灵敏度达到了 183 4 pm 9 图 1 2 a 锥形结构的光纤 MZ 干涉仪结构示意图 b 拉锥成 s 形 9 2 采用错位熔接的方式是一种很简单的实现 MZ 干涉的方法 如下图 1 3 所示 通过微小的错位 使部分纤芯的光耦合进包层 在包层中传输 在第二个 错位处包层的光耦合回纤芯 从而形成 MZ 干涉 这种制作方法相当简单 需要 注意的是综合考虑损耗和对比度 寻找到合适的偏移量 两个熔接处的偏移方向 也会影响到光谱特性 这种结构可以全用单模光纤制作 也可以使

10、用不同种类的 光纤来制作 最近 许多光子晶体被用来制作这种结构的传感器 并在温度 角 度 应力和弯曲的传感有广泛的应用和出色的表现 4 10 11 图 1 3 错位熔接构成 MZ 干涉仪示意图 3 通过在熔接处形成坍塌的办法实现纤芯和包层之间光的耦合 用单模光 纤与光子晶体光纤熔接 在熔接处因光子晶体光纤坍塌导致包层模式被激发 从 而可以实现包层模式与纤芯模式的干涉 12 4 通过将不同芯径的光纤熔接在一起也是一种构成光纤 MZ 干涉仪的简单 方法 如下图 1 4a 所示 可以在单模光纤中插入一段多模光纤 由于芯径失配 会激发出多模光纤中其它模式 从而形成干涉 与图 1 4a 不同 图 1 4

11、b 中在单 模光纤中插入长度较短的一段多模光纤 从而使一部分光在单模光纤包层中传播 一部分光在纤芯传播 然后在第二个插入的多模光纤处部分光耦合回纤芯 从而 形成 MZ 干涉 相对于图 1 4a 的结构来说 因为这种结构的干涉主要发生在包 层模式和纤芯模式之间 其温度灵敏度传感特性得到大幅提高 但是因为熔接点 增多使得结构更加复杂 光谱损耗也更大 图 1 4c 是通过在单模光纤中插入比 单模光纤纤芯更细的光纤来实现 MZ 干涉 这种结构减少了熔接点 同时利用了 纤芯模式和包层模式之间的干涉 13 15 各种新型结构和材料的光纤的使用有助于 进一步拓展该种类型结构的传感器的性能 图 1 4 不同芯

12、径光纤熔接构成 MZ 干涉仪 5 利用长周期光栅也能实现光在纤芯和包层之间的耦合 从而形成光纤 MZ 干涉仪 如下图 1 5 所示 在光纤中刻写入长周期光栅 光在光栅处会通过光栅 实现纤芯和包层之间的耦合 16 因为光通过长周期光栅在纤芯和包层之间耦合 的发生与波长相关 所以这种结构的干涉仪受到波长范围的限制 图 1 5 通过长周期光栅实现 MZ 干涉仪 上面给出了些在光纤中实现 MZ 干涉的常见方法 但是不局限于上面的方 法 事实上 很多情况下也可以通过各种办法组合使用来达到需要的传感效果 另外 光子晶体光纤等特种光纤的大量应用也拓展了其实现光纤 MZ 传感器的方 法和其传感领域 这也将继续

13、成为光纤 MZ 干涉仪重要研究方向 1 2 2 光纤 Michelson 干涉仪 光纤 Michelson 干涉仪同样是基于双光束干涉 与光纤 Mach Zehnder 干涉 仪不同的是光纤 Michelson 干涉仪利用了反射 早期的光纤迈克尔逊干涉仪如下图 1 6 所示 经过 3dB 耦合器将光分成两束 分别沿传感臂和参考臂传播 臂末端存在反射面 反射面一般通过沉积金属或电 解质构成 两束光反射然后沿原路返回通过 3dB 耦合器合在一起形成干涉 17 19 图 1 6 早期的 Michelson 光纤干涉仪结构示意图 光纤 Michelson 干涉仪和光纤 MZ 干涉仪很像 从上面的结构上

14、来看 光纤 Michelson 干涉仪很像光纤 MZ 干涉仪的一半 两者最大的区别是光纤 Michelson 干涉仪存在反射面 观测的是反射光谱 而光纤 MZ 干涉仪观测的是透射谱 所 以很多情况下迈克尔逊干涉仪制作方法可以参考 MZ 干涉仪 如下图中 1 7a 所 示 将单模光纤和一段几厘米长的单模光纤错位熔接 然后在单模光纤端面镀上 500 nm 金膜形成反射面 就形成了一个 Michelson 干涉仪涉 该结构中包层模的 有效折射率会受到周围环境折射率的影响 进而影响两光束之间相位差 所以可 以用来测量折射率 20 这种方法就像把基于错位熔接构成的光纤 MZ 传感器截 断了一半 相对于光

15、纤 MZ 干涉仪来说光纤 Michelson 干涉仪结构紧凑了很多 最近 通过飞秒激光微加工的方式在单模光纤中制作 Michelson 干涉仪 使得 Michelson 干涉仪结构更加小巧 如图 1 7b 所示为通过飞秒激光微加工制作的 Michelson 干涉仪的实物照片 在该结构中 通过飞秒激光微加工将单模光纤切 割形成阶梯结构 从而将光纤纤芯构分成两个光束臂 利用切割的光纤端面作为 反射面 该结构得到的反射光谱条纹可见度为 18 dB 应用于温度传感 其温度 传感灵敏度可达到 14 72 pm 21 与图 1 7b 相似 图 1 7c 中同样用飞秒在单模 光纤中构造了迈克尔逊干涉仪 不同

16、的是在单模光纤端面镀了一层金膜构成反射 面 从而可以进行折射率传感 该传感器在折射率为 1 484 处折射率传感灵敏度 可以达到 975 nm RIU 22 图 1 7 a 错位方式形成 MI 20 b c 通过飞秒微加工制作的 MI 21 22 1 2 3 光纤 Sagnac 干涉仪 光纤 Sagnac 干涉仪一般的结构如下图 1 8 所示 一束光经 3dB 耦合器分成 两束 具有不同偏振态的两束光沿着相反方向传播 然后又经过 3dB 耦合器合在 一起输出 其中偏振控制器能够实现对光束偏振态的控制 由于传感用的那段光 纤为双折射光纤 不同偏振方向光传播速度不同 所以两束光会形成相位差 外 界环境影响双折射系数从而造成相位差的变化 进而能够实现对外界环境参数的 传感 其相位差可以由下面公式给出 s 2 fs BL Bnn 1 2 式中 B 表示双折射系数 其中 f n和 s n分别表示光纤的快轴和慢轴的有效折 射率 L 为双折射光纤长度 传感用光纤主要使用了各种保偏光纤 其中比较热 门的包括光子晶体光纤 光子晶体光纤结构设计更加灵活 如采用全石英的结构 能减小温度的影响 23 26 图