微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 10 (2013) 104218 微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究* † 刘颖刚 车伏龙 贾振安 傅海威 王宏亮 邵敏 ( 西安石油大学, 陕西省光电传感测井重点实验室, 西安 710065 ) ( 2012年11月16 日收到; 2012年12月12 日收到修改稿) 利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉 格光栅(MNFBG) 反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG 反射波长的变 化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结 果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率 的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过 对纤芯半径为0.5 m 的MNFBG 在 1.20—1.30 和 1.33—1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了 477.33 nm/RIU 和856.30 nm/RIU 的波长灵敏度以及99.58 %和99.7% 的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间 划分测量方案的正确性, 为MNFBG 折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词: 微纳光纤, 光纤布拉格光栅, 折射率传感, 数值模拟 PACS: 42.81.Qb, 42.81.Pa, 78.20.Bh DOI: 10.7498/aps.62.104218 水折射率的测量, 在25 ◦C—60 ◦C 范围内, 获得了 1 引言 小于0.5% 的测量误差, 验证了进行液体折射率传感 的可行性. 而且测量过程中所具有的单反射峰和窄 1 折射率是材料物质的一个基本光学参数 , 在 线宽特性, 相对于长周期光纤光栅折射率传感器, 物理、化学以及生化领域有着重要的应用价值, 而 不仅能提高测量的准确性, 而且易于实现多传感器 光纤传感技术的发展, 为不同物质折射率的准确 的网络化复用. 有关MNFBG 应用于不同物质环境 测量提供了新的方法, 特别是微纳光纤技术与光 折射率测量理论与技术已经成为国内外光纤传感 纤光栅传感技术的有效结合, 使光纤光栅折射率传 领域的研究热点2311−14 , 先后提出了微纳光纤紫 感成为可能. 微纳光纤布拉格光栅(micro/nanofiber 外光刻写、化学腐蚀以及飞秒激光器加工等多种 Bragg grating, MNFBG) 是一种直径在微米或纳米 制作MNFBG 的方法712−16 . 由于诸多文献并未 量级的新型光波导器件, 结合了微纳光纤倏逝场传 输和光纤布拉格光栅强波长选择的光学特性2−4 , 对MNFBG 的折射率传感特性进行系统研究, 我们 被用作传感器不但具备体积小、响应速度快、可 通过光纤波导理论, 在基模传输特征方程基础上, 靠性强、不受电磁干扰以及在易燃易爆环境中安 利用Gauss 场近