20世纪70年代后期,伴随着光通信技术的发展,光纤传感技术发展成为一项光学检测技术,当外界环境因素(压力、温度、磁场、电场)作用在光纤上,会引起光纤中的传播光强度、位相、偏振等特性的变化,以此来检测一系列物理量、化学量或生物量的变化^[1-2]。微纳光纤或微纳光波导传感器是目前光纤传感重要发展方向之一,以它为结构基础的微纳光学器件在光学传感、光通信等领域都有广阔的应用前景。利用微纳光纤产生的大比例的倏逝波与外界被测参量相互作用,导致探测到的输出光强度或位相的改变,从而实现光学传感功能。影响这类传感器灵敏度和响应速度的主要因素是倏逝波的大小,若光纤直径越小,倏逝场越强,则对外界环境因素越敏感,所需的被测量越少,传感器的灵敏度越高^[3-4]。本文讨论了外界环境折射率对相同直径微纳光纤传输光强的影响,进而为制作新型高灵敏度的传感器提供了实验依据。 1 原 理

倏逝波传输是微纳光纤的一个显著特点,许多光学器件都是基于此原理。倏逝波比例的大小与微纳光纤的直径有着密切的联系,若微纳光纤直径越小,则倏逝波比例越大,损耗也越大。但是研究发现微纳光纤的直径不能无限地减小,它存在一个能传输光的极限值。当微纳光纤的直径减小到波长的十分之一以下时,由于表面粗糙度引起的散射损耗增大,光将不能通过微纳光纤^[5]。

微纳光纤的包层为空气,通常直径的大小会对微纳光纤传输光产生影响,同样空气折射率的改变也会对微纳光纤输出光强产生影响^[6-7]。许多实验室通过采用在光纤外面镀膜的技术来达到改变包层折射率的办法,来实现制备光学器件的目的。本文则通过选择两种折射率不同的气体,并把它们加入到密闭气室里对空气的折射率进行调制,通过光谱分析仪和模场分析仪来测量和观察微纳光纤中传输光场的变化。 2 实 验

将普通单模光纤拉制出直径为5 μm的光纤,然后将其固定到气室,测量微光纤对丙酮和二甲苯的光强响应。实验装置如图 1所示,选择光源为可调激光器,并输出1 550 nm的激光,输出光强大小通过光谱仪来测量。丙酮测量结果如图 2所示,从图中可以看出微光纤在加入3 mL丙酮液体后,待其挥发完全微光纤的输出光强没有明显的衰减,光强大小只随时间随机性跳变。而在加入3 mL二甲苯后(如图 3所示),输出光强有比较明显的衰减,这主要是因为二甲苯的折射率与微光纤成分的折射率几乎相等,较大体积的二甲苯对气室里空气折射率进行调制,使微光纤对光的束缚能力减弱,表面的倏逝场增强。

图 1

Fig. 1

图 1 气体传感实验装置 Fig.1 The experimental system of gas sensing

图 2

Fig. 2

图2 丙酮环境下输出光强的变化曲线 Fig.2 The output light intensity for acetone gas

图 3

Fig. 3

图 3 二甲苯环境下光强的变化曲线 Fig.3 The output light intensity for xylene gas

再用模场分析仪观察能量分布的变化,实验装置如图 4所示,光源为1 550 nm的可调激光器,微光纤通过气室后直接进入到模场分析仪,通过相关软件对其传输光场进行观察。可以清楚地从图 5(a)中看到1 550 nm的激光在微光纤中传输呈高斯分布,高阶模能量较小,能量分布具有轴对称性。当向气室加入3 mL的丙酮液体后,实验结果如图 5(b)所示,从图中可以看出加入丙酮前后通过微光纤后的光场能量分布没有明显变化,能量分布依然呈现高斯分布,具有轴对称性,光强大小也几乎不变,这与前面用光谱仪测量的丙酮光强传感实验结果一致。

图 4

Fig. 4

图4 模场实验装置 Fig.4 The experimental system of mode field

图 5

Fig. 5

图 5 微光纤在3 mL丙酮环境下的能量分布 Fig.5 The energy distribution of microfiber for acetone whose volume is 3 mL

再向密闭气室加入二甲苯液体,实验结果如图 6所示,从图 6(a)可以清楚地看到,高斯分布的1 550 nm激光在通过微光纤后呈现高斯分布,能量分布具有轴对称性。当向气室中加入3 mL的二甲苯后,挥发的二甲苯气体与气室中的空气相互作用,形成具有一定折射率的混合气体,并且这种混合气体充当了微纳光纤的包层结构。在这种气体环境下,可以从图 6(b)中看出1 550 nm的激光在通过较高浓度的二甲苯气体环境后的微光纤输出光仍然服从高斯分布,具有轴对称性,但是纤芯传输光强的大小有比较明显的减小,这也与前面用光谱仪测量的气体传感实验结论相吻合。

图 6

Fig. 6

图 6 微光纤在3 mL二甲苯环境下的能量分布 Fig.6 The energy distribution of microfiber for xylene whose volume is 3 mL

当微纳光纤的包层为空气时,通过加入丙酮和二甲苯对包层空气的折射率进行调制。实验发现,加入折射率为1.359 0的丙酮和1.494 6的二甲苯时,相同直径的微光纤表现出光强的变化不一样。在丙酮环境下,光强的大小只是随机地跳变,没有规律,模场实验也得出相同的结论;而在二甲苯环境下,微光纤的光强表现出明显的衰减,具有一定的规律,模场实验也观察到纤芯传输的能量减小。微光纤对特殊折射率气体表现出的传感特性,为我们寻求高灵敏度的新型气体传感器提供了借鉴。