基于内嵌微腔的盐度和温度传感光纤法布里-珀罗干涉仪

由于水对人类和其他有机生命体的重要作用，水质的情况关系着生态系统的平衡，而盐度是水质的基本参数和指示剂。商业上已经有一些成熟的基于电导率的测量方案，然而测量系统却易受电磁干扰影响，因此对与盐度相关的折射率系数的测量优于电导率的测量。基于光纤的盐度探测系统由于具有抗电磁干扰、部署灵活、分布式远程测量、环境友好、费用低的优点是一个很好的替代方案。

图1 （a）在SMF28e+和 GIF625光纤之间形成微气泡中空腔的单FP传感结构配置概况；（b）韦尔尼尔传感器简图：具有两个腔结构，一个作为传感结构，另一个在参考介质中作为参考结构。

基于光纤利用折射率变化的盐度传感器包括刻蚀的光纤光栅、表面等离子体腔、光纤拉锥、双芯光纤、熊猫光纤、法布里-珀罗干涉仪。这些光纤测量方案中都要权衡灵敏度和器件机械性能的关系。他说：“有人以响应时间的延长以及机械强度的降低为代价来换取灵敏度的少量提升。”一个解决这些问题很好的方案是基于中空腔体的干涉仪，这些中空腔体是在光纤中制备的。这种制备方法需要聚焦的离子束、飞秒激光烧蚀以及化学刻蚀，但是这些技术方法需要比较长的制备时间以及比较繁杂的制备工艺。另一种越来越受欢迎的制备中空腔的技术方案是熔融拼接，它成本低、制作过程简单、通过调节熔融参数可以控制制备的腔长。尽管这些光纤结构中包含中空腔，但是强度很大，可以抵抗侧向的负载和应力。这种传感器也可以抵挡高温，因为薄膜或者聚合物集成结构。

图2 上图是失败的制备案例图像（a）太低的熔接电流（b）太高的熔接电流（c）没有氢氟酸腐蚀预处理；下图是氢氟酸腐蚀和熔融混合方法制备（d）光学显微镜图像（e）扫描显微镜图像

近日哈利法科技大学的工程师介绍了一种具有光学腔结构的光纤盐度传感器，这种腔结构像是FP传感器，具体表现在通过由腔长引起干涉仪的相位变化的检测来反映折射率的变化。它利用单模光纤（SMF28e + , Corning）和多模阶跃光纤（GIF625, Torlabs），由化学蚀刻和熔接等优化工艺制备。首先将纤芯62.5μm数值孔径0.275的多模阶跃GIF625光纤放入9.6%的HF凝胶中，以750nm/min的速度在光纤端面刻蚀空腔。9.6% HF缓冲凝胶配方，常用于牙科作为瓷蚀刻剂凝胶，与缓冲氢氟酸基蚀刻剂相比，蚀刻速率降低一些，从而更好地控制蚀刻深度，同时处理起来更安全。之后使用藤仓70S熔接机与切割后的SMF28单模光纤熔接。值得注意的是熔接功率是一个关键参数，当熔接功率太低时，气泡无法形成，当功率太高时气泡太宽，壁薄而易碎。对于HF刻蚀步骤，如图2(c)所示，当纤维端部没有刻蚀时，不会形成微泡。微流体通道是通过聚焦离子束铣削获得的，大致位于腔的中心，在扫描电镜中很容易被定位为拼接线旁边的光纤凸起。

图3 实验设置示意图

实验方法如图3所示，光源是Torlabs公司的宽带ASE730光源，光谱范围从1530nm到1610nm，使用光纤环形器输出接入到日本横河公司的AQ6370C光谱仪。使用Nacl溶解在去离子水中，制备出摩尔浓度从0M到0.297M，等效折射率从1.3176 到 1.3212，为了避免交叉污染，每次试验后都用去离子水进行清洗。并且每次清洗后测量都会回到基线，也说明了传感器的可重复性。通过实验这种结构的盐度传感器的灵敏度为12.09 nm/M。韦尔尼尔效应可以用来测量应力、温度和磁场。科学家还展示了基于传感FP和参考FP的温度和盐度测量，这种结构会导致对盐度灵敏度的放大，实验结果表明，这种结构的灵敏度高达82.61 nm/M，并且可以同时测量温度和盐度变化情况。相关内容以《Optical fbre Fabry-Pérot interferometer based on inline microcavities for salinity and temperature sensing》为题发表在《》杂志上。

图4 （a）当浸入三种不同盐度的溶液中时，单配置传感器FP的输出光谱。单个传感腔在1550 nm处的共振波长偏移与（b）盐度和（c）温度的函数。