0 引 言

折射率(RI: Refractive Index)傳感器由于其在食品安全、 環(huán)境監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療等許多領(lǐng)域的應(yīng)用而引起了廣泛的關(guān)注。光纖傳感器具有抗電磁干擾、 尺寸緊湊、 靈敏度高、 響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)[1-3]。與石英光纖相比, 塑料光纖(POF: Plastic Optical Fiber)具有一些特有的優(yōu)點(diǎn), 例如成本低, 芯徑大, 易于耦合, 高數(shù)值孔徑和可見光波段的低衰減。此外, 塑料光纖柔韌性好, 軟化溫度低, 易于熱定型, 有助于對(duì)其進(jìn)行彎曲[4]及其他結(jié)構(gòu)改變(如D形[5]、 錐形[6]、 螺旋形[7]等)。因此, 近年來(lái)塑料光纖已被廣泛應(yīng)用于位移傳感、 折射率傳感、 化學(xué)傳感和生物傳感等不同種類傳感器開發(fā)[8-11]。

在塑料光纖傳感器制備過(guò)程中, 通常會(huì)采用一些方法(如側(cè)拋磨、 飛秒激光加工、 機(jī)械加工和拉錐等[12-14])去掉光纖包層及部分芯層, 讓纖芯中泄漏的光能量與環(huán)境直接發(fā)生作用, 以達(dá)到提高靈敏度的目的, 但這些物理方法價(jià)格昂貴、 操作復(fù)雜, 并且很難控制表面形貌及纖芯直徑。為了降低成本、 有效控制光纖直徑及表面形貌, 有人采用濕腐蝕法制備塑料光纖傳感器。Merchant等[15]首次報(bào)道了采用濕腐蝕法對(duì)塑料光纖進(jìn)行處理, 采用丙酮水溶液對(duì)塑料光纖進(jìn)行腐蝕, 得到了錐形結(jié)構(gòu), 并對(duì)腐蝕后光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)及倏逝場(chǎng)情況進(jìn)行了分析； Bhowmik等[16]采用丙酮溶液對(duì)單模塑料光纖進(jìn)行蝕刻, 得到腐蝕后的塑料光纖光柵相比于未腐蝕的光纖具有更好的應(yīng)變靈敏度； 趙明富等[17]采用三氯甲烷和無(wú)水乙醇混合溶液作為腐蝕劑, 利用濕腐蝕方法制備了塑料光纖折射率傳感器, 分析了腐蝕劑濃度及腐蝕條件對(duì)光傳輸情況產(chǎn)生的影響, 并對(duì)傳感器的折射率響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。濕腐蝕法可對(duì)圓柱形光纖外表面進(jìn)行均勻腐蝕, 使纖芯與待測(cè)液體充分接觸, 但由于其整體采用直光纖結(jié)構(gòu), 其靈敏度及折射率敏感范圍受到了一定的限制。

筆者采用丙酮與甲醇混合溶液作為腐蝕劑, 利用濕腐蝕法去除塑料光纖包層及部分芯層, 首先探究了不同腐蝕劑濃度對(duì)腐蝕速率及表面形貌的影響, 得到最佳腐蝕濃度。然后利用加熱金屬棒對(duì)腐蝕后的塑料光纖進(jìn)行宏彎曲處理, 以達(dá)到提升靈敏度、 方便測(cè)量的目的。采用折射率匹配液對(duì)其折射率響應(yīng)情況進(jìn)行測(cè)試, 分析了宏彎曲半徑和纖芯直徑對(duì)折射率敏感度的影響。

1 傳感器設(shè)計(jì)原理及理論分析

該傳感器的設(shè)計(jì)主要基于多模塑料光纖在彎曲時(shí), 由于高階模截止而導(dǎo)致的彎曲損耗。對(duì)階躍折射率塑料光纖, 光的傳輸情況受全內(nèi)反射臨界角的影響, 臨界角可表示為

(1)

其中n1為芯層折射率,n2為包層折射率, 當(dāng)芯包層折射率差值Δ=n1-n2很小時(shí), 式(1)可化為

θc=(2Δ)1/2

(2)

纖芯中存在的總模式數(shù)為[18]

(3)

其中k=2π/λ為自由空間傳播常數(shù),a為纖芯半徑。由于多模塑料光纖中模式數(shù)極多, 在分析中可以通過(guò)幾何光學(xué)分析光在塑料光纖中的傳播, 將光的波動(dòng)理論中使用的模態(tài)的概念替換為射線的概念, 用射線與光纖軸線夾角θ描述射線, 每個(gè)入射角θ對(duì)應(yīng)的模式數(shù)p可表示為

pf=(2akn1/π)θ

(4)

當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí), 主要會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)變化： 首先, 彎曲光纖外部的拉伸導(dǎo)致外部模式相速增加, 從而使傳播常數(shù)明顯降低, 此時(shí), 需將β替換為β/(R+r), 相應(yīng)地,γ將替換為

(5)

(6)

將式(2)、 式(4)、 式(5)代入式(6), 并進(jìn)行相應(yīng)近似處理, 最終可得到多模階躍光纖對(duì)應(yīng)于角度為θ的導(dǎo)模傳輸損耗衰減系數(shù)為

(7)

圖1 光線在彎曲光纖中以臨界角 反射情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of light reflection at a critical angle in a bent fiber

功率損耗是由于高階模的截止, 這意味著光纖的有效數(shù)值孔徑減小, 當(dāng)入射角大于某一臨界角時(shí), 模式損耗急劇增加, 滿足這一臨界角的條件為式(1)中指數(shù)項(xiàng)自變量為0, 即

(8)

因此, 可以認(rèn)為, 對(duì)入射角為θ的導(dǎo)模, 其在彎曲光纖傳輸距離l后, 其功率P(θ)為[19]

P(θ)=P0(θ)exp(-αl)

(9)

其中P0(θ)為彎曲起點(diǎn)處入射角為θ所對(duì)應(yīng)的模式的功率。為求出彎曲光纖傳輸?shù)目偣β? 需要對(duì)所有模式進(jìn)行求和, 由于傳輸模式數(shù)量極大, 可以利用積分代替求和, 即

(10)

由于光纖彎曲所造成的傳播損耗的比例為

(11)

通過(guò)分析可以得到, 隨著多模塑料光纖芯徑減小, 彎曲損耗增大； 彎曲半徑越小, 彎曲損耗越大； 光纖數(shù)值孔徑越大, 彎曲損耗越小。由式(1)、 式(7)和式(11)可知, 光纖宏彎曲損耗與包層折射率密切相關(guān), 當(dāng)去掉塑料光纖包層時(shí), 外界環(huán)境充當(dāng)包層, 此時(shí)環(huán)境折射率會(huì)影響彎曲損耗, 可以通過(guò)測(cè)量光纖中傳輸?shù)墓饽芰窟M(jìn)而得出環(huán)境折射率的變化, 這就是強(qiáng)度調(diào)制型宏彎曲光纖折射率傳感器的基本原理。

2 實(shí)驗(yàn)材料及制備方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及試劑

該實(shí)驗(yàn)采用的階躍型商用塑料光纖由重慶世紀(jì)之光有限公司制造, 其直徑為1 mm(芯層直徑980 μm, 包層直徑20 μm)。芯層材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA: Polymethyl Methacrylate), 折射率1.49； 包層材料為含氟聚合物, 折射率1.41； 數(shù)值孔徑為0.5。腐蝕劑采用丙酮(CH3COCH3, 純度≥99.5%, 天津市富宇精細(xì)化工有限公司)和甲醇(CH3OH, 純度≥99.5%, 北京化工廠)的混合溶液, 丙酮濃度在50%～90%。

2.2 腐蝕裝置及腐蝕過(guò)程

濕腐蝕的主要原理是利用PMMA分子在丙酮溶液中的溶解。溶解過(guò)程主要分為以下3個(gè)階段[20-21]： 首先, 溶劑分子擴(kuò)散至PMMA表面, 然后引發(fā)PMMA聚合物分子鍵的溶解甚至斷裂, 最終, 斷裂的PMMA分子溶解于腐蝕劑中。宏彎曲塑料光纖折射率傳感器的制備過(guò)程如圖2所示。腐蝕裝置如圖2a所示, 反應(yīng)發(fā)生在可密封的避光玻璃器皿內(nèi)(體積為70 mm×310 mm×110 mm), 避免腐蝕劑揮發(fā)。

圖2 宏彎曲塑料光纖折射率傳感器的制備過(guò)程Fig.2 Preparation process of U-shaped POF RI sensor

實(shí)驗(yàn)中, 選取長(zhǎng)度為300 mm的塑料光纖, 去除其中心區(qū)域長(zhǎng)度為(30±0.5)mm的保護(hù)層, 使光纖裸露。為避免有包層材料及灰塵殘留, 使用無(wú)水乙醇對(duì)裸露的光纖表面進(jìn)行擦洗, 然后采用去離子水沖洗, 氮?dú)獯蹈珊髠溆谩?/p>

腐蝕過(guò)程主要包含以下4個(gè)步驟： 1) 室溫下, 將去除部分保護(hù)層的塑料光纖放入腐蝕容器中。2) 向容器中注入不同濃度的腐蝕劑, 將其密封, 靜置一段時(shí)間, 腐蝕結(jié)束后, 迅速將光纖從容器中取出。3) 取出光纖后, 由于表面附著大量腐蝕產(chǎn)物, 待表面殘留腐蝕劑揮發(fā)后, 腐蝕產(chǎn)物會(huì)逐漸再次聚合, 形成不平整表面, 影響光傳輸情況及靈敏度。為去除腐蝕產(chǎn)物, 采用超聲清洗機(jī)清洗腐蝕后的光纖, 超聲功率170 W, 時(shí)間40 s。4) 超聲清洗后, 取出光纖, 采用無(wú)水乙醇擦拭腐蝕區(qū)域, 并用去離子水沖洗氮?dú)獯蹈珊髠溆谩?/p>

為確定最佳反應(yīng)條件, 利用光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕區(qū)域形貌及腐蝕速率進(jìn)行觀察,圖3分別是丙酮溶液濃度50%,60%,70%,80%, 反應(yīng)時(shí)間70 min時(shí)腐蝕區(qū)域表面形貌。

圖3 濕腐蝕塑料光纖表面形貌Fig.3 Surface morphology of plastic fiber after corrosion

從圖3可以看出, 當(dāng)丙酮濃度為50%時(shí), 很難造成PMMA分子的分解, 光纖芯徑變化不明顯； 腐蝕劑濃度在60%～70%時(shí), 光纖表面存在部分腐蝕產(chǎn)物殘留； 當(dāng)腐蝕劑濃度在80%以上時(shí), 能形成較為光滑平整的表面形貌, 有利于光傳輸及傳感器的制備。通過(guò)觀察不同腐蝕劑濃度在不同反應(yīng)時(shí)間下纖芯剩余尺寸(見圖4a), 對(duì)其進(jìn)行線性擬合, 得到腐蝕速率隨腐蝕劑濃度變化的規(guī)律(見圖4b)。觀察圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn), 隨著腐蝕劑濃度增大, 光纖腐蝕區(qū)域表面形貌更加平整光滑。但當(dāng)腐蝕劑濃度過(guò)高(超過(guò)90%)時(shí), 腐蝕速率過(guò)快, 極易造成光纖在腐蝕過(guò)程中的斷裂, 不利于后續(xù)處理。因此在之后的實(shí)驗(yàn)中, 采用的腐蝕劑丙酮濃度均為80%。

圖4 不同溶液濃度的腐蝕情況Fig.4 Corrosion at different acetone concentrations

2.3 宏彎曲處理

將腐蝕后的光纖剩余保護(hù)層去除, 得到H型塑料光纖, 其腐蝕分界面情況如圖2b所示。利用酒精燈加熱過(guò)的不同尺寸金屬棒對(duì)其進(jìn)行宏彎曲熱定型(見圖2c)。圖2d是制備出的彎曲半分別徑為10 mm, 8 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm的傳感探頭。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 測(cè)試裝置及方法

圖5為光纖傳感器測(cè)試裝置示意圖, 待測(cè)液體為折射率范圍在1.30～1.45的折射率匹配液(Certified Refractive Index Liquids), 折射率變化步長(zhǎng)為0.01。光源采用655 nm紅光激光器(MRL-Ⅲ-655L-100 mW)作為輸入信號(hào), 穩(wěn)定性更好, 抗干擾能力強(qiáng), 同時(shí), 工作波長(zhǎng)在用塑料光纖最低衰減窗口的655 nm； 利用光功率計(jì)(PM100D)記錄通過(guò)傳感器后的輸出功率。

圖5 傳感器測(cè)試裝置示意圖Fig.5 Diagram of sensor testing device

測(cè)試平臺(tái)中的所有單元均已固定, 以避免可能因振動(dòng)而引起的功率波動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)是在暗室中進(jìn)行的, 以消除其他光源的影響。此外, 將環(huán)境溫度保持在20 ℃以避免溫度變化引起折射率變化。為避免由于耦合造成的誤差, 測(cè)試時(shí)將傳感探頭固定于光學(xué)測(cè)試平臺(tái)上, 盛有待測(cè)溶液的容器緩慢上下移動(dòng), 使傳感探頭浸入待測(cè)液中, 記錄其輸出光功率。多次重復(fù)測(cè)量取平均值, 每次測(cè)量結(jié)束后, 用去離子對(duì)傳感探頭水進(jìn)行沖洗并清理表面殘余水分, 然后進(jìn)行下一次測(cè)量。

采用相對(duì)輸出光強(qiáng)T表征傳感器的輸出響應(yīng), 其表達(dá)式為T=pi/po, 其中po為待測(cè)溶液折射率等于1.30時(shí), 傳感器的光輸出功率,pi為在當(dāng)前折射率下傳感器的輸出光功率。此時(shí), 傳感器的靈敏度定義為傳輸情況隨折射率變化的斜率, 即S(%/RIU)=ΔT/Δn。

3.2 芯徑對(duì)靈敏度的影響

分別測(cè)量了彎曲半徑為2 mm時(shí), 芯徑為900 μm、 800 μm、 700 μm和500 μm傳感器透射率, 其結(jié)果如圖6所示。其中點(diǎn)線為實(shí)際測(cè)試結(jié)果, 實(shí)線為其線性擬合曲線。從圖6可以看出, 傳感器整體響應(yīng)線性度良好, 雖然直徑為芯徑(900 μm、 800 μm、 700 μm), 由于芯徑差異不大, 導(dǎo)致變化規(guī)律并不明顯, 但從整體看, 隨著芯徑減小, 光纖傳感器的靈敏度不斷增強(qiáng)。這是因?yàn)樾緩皆叫? 彎曲損耗越大, 更多光線泄漏, 導(dǎo)致與環(huán)境相互作用增強(qiáng)。在2a=500 μm處測(cè)得其最佳靈敏度為581%/RIU。

同時(shí), 在觀察測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn), U形塑料光纖傳感探頭在剛接觸待測(cè)溶液時(shí), 其輸出光功率會(huì)有一個(gè)明顯的變化, 隨著光纖彎曲部分完全進(jìn)入到溶液后, 即使再繼續(xù)增加浸入深度, 輸出功率也不會(huì)有非常明顯的變化。由此可知, 只有光纖彎曲部分對(duì)環(huán)境折射率變化較為敏感, 彎曲部分之外的區(qū)域, 即使存在腐蝕后的變細(xì)結(jié)構(gòu), 也不會(huì)對(duì)傳感性能產(chǎn)生非常大的影響。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因可能是由于相比較于光纖宏彎曲損耗, 倏逝場(chǎng)的變化強(qiáng)度非常微小, 幾乎可以忽略不計(jì)。

3.3 彎曲半徑對(duì)靈敏度的影響

圖7為制成的塑料光纖的透射率隨彎曲半徑(R=2、3、4、5、8、10 mm)的變化情況, 此時(shí)傳感探頭芯徑為700 μm。從圖7可以看出, 整體看, 隨著彎曲半徑的減小, 傳感器靈敏度逐漸增強(qiáng)。這是由于彎曲半徑越小, 彎曲損耗越大, 當(dāng)更多的光線從傳感探頭泄漏時(shí), 泄漏出的光與外部環(huán)境之間的相互作用會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)彎曲半徑過(guò)小(≤2 mm)時(shí), 由第1節(jié)分析可知, 對(duì)于多模光纖, 截止的模式更多導(dǎo)致?lián)p耗過(guò)大, 接收端接收到的各模式總功率極小。由于筆者采用相對(duì)輸出光強(qiáng)T=pi/po表征傳感器的輸出響應(yīng), 采用S(%/RIU)=ΔT/Δn表征傳感器靈敏度, 當(dāng)模式損耗過(guò)大, 接收端接收總功率過(guò)小時(shí), 測(cè)試靈敏度受到影響。在R=3 mm處, 測(cè)得最佳靈敏度為618%/RIU。

圖6 傳感器靈敏度隨芯徑的變化情況 圖7 傳感器靈敏度隨彎曲半徑的變化情況Fig.6 Sensitivity changes with probe core diameter Fig.7 Sensitivity changes with bending radii

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者采用丙酮、 甲醇混合溶液對(duì)塑料光纖進(jìn)行濕腐蝕處理, 探究了不同腐蝕劑濃度下, 腐蝕速率及腐蝕區(qū)域形貌的情況, 確定了最佳腐蝕劑濃度為丙酮濃度80%。采用熱定型法對(duì)濕腐蝕后的光纖進(jìn)行宏彎曲處理, 制成U形傳感探頭以提高其靈敏度。利用折射率范圍為1.30～1.45的折射率匹配液對(duì)其響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所制備的傳感器在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)均有響應(yīng)。隨著纖芯直徑和彎曲半徑減小, 靈敏度逐漸增強(qiáng), 彎曲半徑小于5 mm時(shí), 折射率響應(yīng)的線性度更好, 但當(dāng)彎曲半徑過(guò)小時(shí), 損耗過(guò)大對(duì)靈敏度會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。在彎曲半徑為3 mm, 傳感探頭芯徑為700 μm時(shí), 測(cè)得最佳靈敏度為618%/RIU。