1、基于回音壁模式的光纤压力传感器的设计及实验研究教材基于回音壁模式的光纤压力传感器的设计及实验研究 摘 要近几年来，传感器在朝着精巧、灵敏、适应性强和智能化的方向发展，并且回音壁模式有较高的Q值、尺寸小、制备方便的优点，吸引了越来越多的人加入到回音壁模式微腔的研究中来。本文利用传感器的基本原理设计了基于回音壁模式的光纤压力传感器，实验中采用了宽带光源、耦合器、光谱分析仪及自制的光学微球。根据对光学微球施加不同的压力，对应的光谱分析仪测量到的光谱图也随之改变，并且压力以等间隔逐渐增加。光谱分析仪测到的数据通过Origin及相关画图软件进行数据处理，为了得到干涉图谱随压力的变化规律。在实验结果分析中
2、，我们选定光谱图中某一段波长，从图中得到不同压力相对应的光强，从而得到光强随压力的变化规律。关键词：光纤压力传感器，回音壁模式，光学微球，谐振腔DESIGN AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE REFRACTIVE INDEX OF THE OFTICAL FIBER SENSOR BASED ON THE EVANESCENT FIELDAbstract In recent years, the sensor toward the delicate, sensitive, adaptable and intelligent direction of develo
3、pment,and whispering gallery modes with high Q value, small size, the advantages of easy preparation, attracting more and more people added to the study of the whispering gallery mode micro-cavities.The basic principle of this paper sensor design based on whispering gallery mode optical fiber pressu
4、re sensor, a broadband light source, the coupler used in the experiment, the optical spectrometer and homemade microspheres.Under pressure is applied to the optical microsphere type, corresponding to the spectrum analyzer measured spectrum is also changed, and the pressure is gradually increased at
5、equal intervals.Spectrum analyzer data measured by Origin and drawing software for data processing, resulting interferogram with pressure variation.Analysis of the experimental results, we selected the Mo some wavelength spectra, different pressures corresponding to the light intensity from the figu
6、re, resulting in the variation of light intensity with pressureKEY WORDS: Fiber optic pressure sensor, WGM, Optical microspheres, resonant cavity 前 言 随着信息技术的快速发展，传感器技术作为高新信息技术，其重要作用日益显著。早在20世纪80年代，美国就认为世界已进入传感器时代，我国也将传感器技术列为国家“七五”、“八五”重点科技攻关项目，许多国家也同样重视传感器技术。光纤传感器是世界上兴起的一种新型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集成光学技术成
7、就并加以发展的结晶。光纤传感器被列入现代传感器技术发展方向之一，并在理论和应用上投入大量的研究工作，尤其是近几年，它的发展异常迅速，显现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家政府和研究单位的高度重视。随着光纤技术与相关光电子元器件的发展，光纤传感技术正逐步成为继光纤通信产业之后又一大光纤应用技术产业。光子技术是光子学与电子学结合而成的技术，作为信息载体的光子在速度容量、空间容量、响应速度、并行处理能力等方面具有电子所不具备的优越性。近三十年来，以光子传输与处理技术为基础的光纤传感器应用技术逐渐成为各国研究的热点，该技术属于光子技术的研究与应用范围，是光纤、半导体器件和光通信等技术结合发展的产物
8、。随着光纤传感技术的不断发展，光纤传感作为传感技术中一个重要分支正不断为工业、农业、交通、能源、医疗卫生、科学技术以及军事技术的信息化提供越来越多的服务，并愈来愈为人们所认识与接受。例如在医学领域，利用光纤压力传感器进行颅压、胸压、腹压等的测量可以最大限度地减小患者手术的风险；而在进行断层扫描(CT)及核磁共振(NMR)时，它依旧可以准确地测量病患部位的压力，突出了其抗电磁干扰的特性。目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等1。另外，光纤传感技术也是未来地震监测的发展方向。历史表明中国是一个地震频发的国家，地震给人们带来的危害是众所周知的。地震学是一
9、门观测学科，地震观测技术是地震学领域重要的研究内容。地震发生前常会出现各种异常现象(地震前兆)，它与地震的孕育和发生相关联。但目前地震前兆观测仪器(如应变仪、断层 蠕变仪、伸缩仪、倾斜仪等)中都是广泛使用电学测量方法，这使得观测仪在实际应用中有许多缺点。例如零点漂移不易消除、易受电磁环境干扰、灵敏度低、动态范围小、漏电、怕雷击、供电困难、硬件系统比较脆弱等问题，这限制了地震前兆观测技术的发展。由于光纤传感技术是以光纤为媒质、光为载体，是一种全光测量方法，具有本质无源、体积小质量轻、高精度、抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、耐高温高压、不存在零漂问题、便于组网以及长距离传输等一系列独特优
10、势，因此利用光纤传感器进行地震前兆观测是一种独具优势的地震监测新手段。近年来，随着光纤传感技术的快速发展，我们可以将光纤传感器埋入温度高达200以上的地层深处，用于地形变、地震波、水文地球化学、地磁等物理量的长期监测，可测距离达数百公里，并且易于组建成区域性的地震监测网络9。由此看来，设计并研究光纤压力传感器具有相当重要的意义和价值。光纤传感器与以电做信号载体的传感器相比具有许多优点：1.良好的电绝缘性和抗电磁干扰性；2.光纤信息传输损耗低；3.具有极高的灵敏度；4.光纤可以任意弯曲，柔性极好；5.光纤耐水浸、耐高温、腐蚀等。另外，在各式各样的光子学微结构中，微球形结构近年来逐渐成为人们的研究
11、热点。若将光学微球置于低于微腔介质折射率的媒质中，光在微腔内以大于临界角的方向传播时会在微腔表面不断发生全反射。微球将光约束在“赤道”平面附近并沿大圆绕行。当绕行的光波满足一定的相位匹配时，就可以互相叠加增强，形成一种特殊的光传播模式，这种特殊传播模式被称为回音壁模式（WGM）。光学微腔是具有极高品质因数和极低模式体积的光学介电谐振器，由于回音壁模 式的高品质因数和可集成的特性使其在集成光学器件应用中有巨大的潜力。回音壁模式与传统的法布里-珀罗(FP)腔相比也有许多的优点。由于法布里-珀罗(FP)腔体尺寸较大，不易于集成，并且高反射率的腔镜造价高昂且需要复杂的稳定装置，这些都严重限制了FP腔的
12、应用。而全固态的介质回音壁模式微腔支持非常稳定的高Q 谐振模式，并且具有尺寸小、制备方便的优点，吸引了越来越多的人加入到回音壁模式微腔的研究中来。随着现代微纳加工技术的发展, 以及材料制备手段的进步， 回音壁模式已经在各种不同材料的微腔中实现，包括各种玻璃，聚合物，晶体和半导体等材料，而腔的形状也是多种多样，例如球形，盘形，多边形柱形等，这样使得回音壁模式具有越来越广泛的应用。 在实验过程中，制作一个几百微米的光纤微球腔，根据压力传感器的基本原理，设计了基于回音壁模式的光纤压力传感器来研究光强随着压力改变的变化规 律。第一章 光纤压力传感器的介绍1.1 光纤传感器的原理光纤是光导纤维的简写，是
13、一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤具有许多优良特性，光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆。空问受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感器技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为煤质，感知和传输外界信号的新型传感技术
14、。它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、能在恶劣环境下工作等一系列优点, 因而具有广泛的应用前景。目前已有测量温度、压力、位移、加速度、电流等多种物理量的光纤传感器问世。一般的光纤传感系统包括发射部分、传输部分、接收部分。发射部分把待传输的电信号转换成光信号，接收部分把光信号转换成电信号，传输部分把发射部分发出的光传送到接收部分。发射部分的光源产生光信号，它是信息的载波。接收部分的光探测器检测光信号，并将它变换为电信号形式。光纤传感检测的基本原理就是利用光纤中的光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随外界被测参数的改变而变化的规律，通过测量这些光波参数来实现对外界物理量（如
15、折射率、浓度、温度、应力等）的检测，它是光纤在非通信领域中的重要应用2。光纤传感技术主要应用在光强调制型光纤传感器、光相位调制型光纤传感器、光偏振态调制型光纤传感器、光波长调制型光纤传感器及光频率调制型光纤传感器。从广义上讲，凡是采用了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。其一般形式利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将外界待测信号的变化调制成光参数变化，并由光纤传输该信息到光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信号2。 1.2 光纤压力传感器光纤传感器由光源、入射光纤、出射光线、光调制器、光探测器以及解调器组成。其基本原理是当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振
16、态、波长等)，会由于被测叁量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解凋器从而获得被测参量的参数，当这信号为压力时，即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器与传统的压力传感器相比，具有无可比拟的优势，它具有灵敏度高、耐高温、抗电磁干扰、防爆、耐腐蚀、耐水性好、安全可靠等特点，特别适用于超长距离或恶劣环境下使用。反射式光纤传感器突出特点是技术简单、性能可靠、价格低廉，因此反射式光纤传感器的实际应用范围非常广泛。尤其是在微小位移、微弱振动、油罐液位、油层厚度、零件镀层的不平度、零件的椭圆度和锥度
17、及偏斜度、角度变化量、温度等方面得到了更为广泛应用3。根据光纤在测试系统中的应用，光纤压力传感器可分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器两种，功能型光纤压力传感器是在外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性(如强度，相位等)进行调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或者传感型光纤压力传感器。而非功能型光纤压力传感器是借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称之为外调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器4。按压力对传输光的调制方法进行分类，光纤压力传感器包括强度调制光纤压力传感器（微
18、弯型，投射型，反射型）、频率调制光纤压力传感器、相位调制光纤压力传感器、波长调制光纤压力传感器、偏振调制光纤压力传感器和分布式光纤压力传感器4。光纤传感器按照被测参量分类包括光线压力传感器、光纤温度传感器、光纤光栅传感器、光纤位移传感器、光纤气体传感器、光纤生物传感器等。图1-1描述了光线压力传感器基本原理的系统框架图。图1-1 光纤压力传感器系统框图第二章 微球回音壁模式的理论分析2.1 光学微球腔的介绍 在各式各样的光学微结构中，微球形结构近年来逐渐成为人们的研究热点。若将光学微球置于低于微腔介质折射率的媒质中，光在微腔内以大于临界角的方向传播时会在微腔表面不断发生全反射。微球将光约束在“
19、赤道”平面附近并沿大圆绕行。当绕行的光波满足一定的相位匹配时，就可以互相叠加增强，形成一种特殊的光传播模式，这种特殊传播模式被称为回音壁模式（Whispering Gallery Mode，简称WGM）。这种模式传播相当于光在一个闭合的谐振腔内振荡，其共振的频率与入射场的模式无关，只决定于微球的折射率和半径，因此这种共振也可以称为形貌共振。光学谐振在微盘形和微柱形微腔中也可产生，而球形光学微腔中存在的WGM使其具有一般谐振腔所没有的一些特殊优点。微球外的光场为近场，是局限于微球表面附近的倏逝波，它是一种非传播波，光场的振幅在径向方向呈指数下降，因此从球内透出到球外的平均能流为零。这使WGM下的
20、微球具有很高的品质因子和很小的模式体积，它在线性和非线性光谱中存在非常窄的共振峰，这就为其在光子学器件中的应用提供了潜力。在光通信功能器件应用领域，利用光学微球在特定频率下产生谐振的性能，可以实现线性光开关、波长滤波、密集波分复用等光学功能器件6。光学微球腔是指直径约在5微米至500微米之间的光学介电微球谐振器，形式有圆柱、圆盘、圆环、球等多种。由于制备方法不同，所用的介电材料也有所不同，目前应用较多的是使用二氧化硅等光学玻璃制备的球形微腔。光学微腔的特性来源于其独特的回音壁模式(光波在微腔内表面上不断进行全反射，从而被约束在腔内并沿腔的周边绕行，几乎没有能量损失)，可应用在要求极细线宽，极高
21、能量密度和亮度或极细微探测能力的场合，例如腔体量子电动力学(CQED)、窄带光学滤波、非线性光学、极低阈值激光器、单光子光学双稳态以及辐射场QND测量。近年来，随着纳米制造技术的发展以及近场耦合技术的提高，光学微腔更是得到日益广泛的研究和应用7。 在回音壁模式中，光子在一个准二维平面内运动，并不断在微腔边界发生全反射而不折射出腔，因此一般的回音壁模式微腔形状为近圆形或者多边形，并且在垂直于光场平面的方向存在束缚使得绝大部分能量不在第三个维度发散。目前几种比较常见的玻璃材料的回音壁模式微腔: 微球腔(Microsphere)， 微盘腔(Micro-disk)和微环芯腔(Micro-toroid)
22、。另外还有微柱腔(Micro-cylinder)和微环腔(Micro-ring)也在实验中被广泛研究。在描述谐振腔的参数中，Q值是一个最基本的参数。Q值与光能量在腔中的寿命有关：，为谐振频率。微球内的WGM由三个模式数和偏振标记，有径向模式数n、角向模式数l及方位角向模式数m，偏振有TE（横电场）和TM（横磁场）之别。微球WGM的场分布在TE 和TM 偏振下可表示为 (2-1-1) 和 (2-1-2)其中为矢量球谐函数，均匀微球中，径向函数 和 中满足相同的球Bessel方程。在球的尺寸相对波长是很大时，球内的电场分布在TE、TM 下分别近似为角向偏振和径向偏振14，它们近似表为（2-1-3）
23、 for TM modes for TE modes 对于、1 及 的微球WGM，WGM 在微球的周界附近沿赤道平面传输。微盘WGM 也由三个模式数标记，纵向模式数p、有径向模式数n及方位角向模式数m，不过通常薄微盘的纵向模式数p=0，薄微盘WGM的场也可区分为两种偏振TE、TM 偏振，均匀薄微盘中的纵向场分量可表（2-1-4） TM TE其中、为场的纵向分布，它们是厚度和盘相同的平板波导中的基纵向模式，、则满足相同的Bessel方程8。2.2 回音壁模式的应用微球腔由于具有高Q值()和极小的模体积，处于回廊模下的微腔虽然具有很高的品质因数，但模式所对应于球外的光场分布却是倏逝波，而不是传统的
24、法布里-珀罗谐振器那样的传播波。因此，具有较高效率的耦合方式是通过其它电介质物体产生的倏逝波耦合，即近场耦合。目前使用的耦合器件有棱镜耦合器、锥形光纤耦合器、斜抛光纤耦合器10，其中由标准通信光纤火焰法拉制的熔锥光纤的通光损耗小于0.3dB，它与微球构成的耦合体系的附加损耗很低。利用熔锥光纤作为球谐振腔的输入输出耦合器件时，要求熔锥光纤和微球的相位传播常量匹配。同样由于高Q，外界环境的扰动会导致回音壁模式微腔谱线的位置变化显著，很容易被观测到，从而实现某些特殊的参数的检测11。WGM谐振腔的制作工艺简单且造价低廉，加之集超高Q值与超小模式体积于一身的独特优势使得其在实际中得到越来越广泛的应用。
25、一方面，回音壁模式的高Q值和可集成的特性使其在集成光学器件应用中有巨大的潜力，例如可用作高效的滤波器，高灵敏度环境传感器，低阈值激光器，非线性效应，信号延时器等。回音壁模式微腔可以使用标准的半导体加工工艺进行制备，因此不仅能够高效高精准度的批量生产出单个高品质腔，也能制备相互耦合的微腔阵列。引人注目的是回音壁模式也可以和其他的光电器件通过波异互联，有望应用于实际的高速光信号处理和环境探测等。另一方面，由于微腔模式体积非常小，即使单个光子也能在腔内产生非常强的电场，可以与其他物理体系强相互作用。关于腔机械和腔量子电动力学的研究已经证明了相干的光子-原子，光子-声子相互作用。利用这些相干作用，我们
26、可以将量子态在不同的物理体系中相互传递，有望应用于量子态的存储和操作。 利用微腔内光与原子或者介质的强相互作用，可以实现单光子尺度下的非线性光学效应，制备单光子和纠缠光源，以及实现量子的光频率转换。结合经典的集成光学器件，波长量级的尺寸和易于集成的性质使得回音壁模式有望被用来组建下一代量子光学芯片，实现量子信息处理，量子计算和量子模拟WGM与量子点、量子阱的结合研究进一步丰富了其应用前景。微腔量子电动力学计算说明，在微腔中自发辐射增强程度与Q值成正比，与模式体积成反比尽管已经有很多关于回音壁模式综述文献，但是其中心一般围绕传统光学及应用13。 目前光学微腔（包括WGM微腔）在理论和应用方面受到
27、广泛的注意。微米尺度微腔可极大程度地改变其附近间的光场涨落和态密度，从而影响光与物质的相互作用如自发辐射、Rabi分裂等在理论上有重要意义（腔量子电动力学(CQED)）。得益于其较稀疏的、高Q值的、极小模式体积的WGM及对于自发辐射特性的影响，WGM 微腔在低阈值激光器、新奇光源（如单光子源等）、非线性光学、生化传感器及滤波器等方面有诸多实际的应用，另外其微米大小的尺寸也特别适合于光电集成和光子集成8。第3章 基于回音壁模式的的光纤压力传感器的设计及测试3.1 光学微球腔的制备光学微球腔的制备主要有两种方式：(1)高温熔融冷却法；(2)溶胶一凝胶法。高温熔融冷却法主要用于二氧化硅微球的制备。通
28、常将光纤的包层去除后，用激光会聚产生的高温将光纤内芯一端局部熔融，在表面张力作用下形成较标准的球形，冷却后便是一个带光纤柄的微球。虽然已不再是完整的球形，但对于能量集中于赤道部分的基本WG模式影响很小，而且由于有光纤柄，使得对微球的操纵方便很多。值得注意的是，在这种非标准球中，不同的m对应的模式已不可简并，其对应的模式谐振频率有细微差异。使用溶胶一凝胶法制备微球腔，以掺若丹明6G(Rhodamine 6G，R6G)的苯基三乙氧基硅烷(phenyltriethoxysilane，PTES)微球为例。首先以PTES作为起始材料，将PTES与R6G混合，用盐酸溶液水解，并进行搅动，经过聚合，在15天
29、后，得到PTES低聚物。将其注入氨水溶液中进行搅动，形成的微粒便是介电微球。这样得到的微球中很多含有空洞，需要以不同密度的酒石酸钾溶液作为溶剂，采用离心技术从中分离出较好的微球。上述两种方法相比，前者得到的微球均匀性更好，而且得到的微球带光纤柄使得操纵简便，但只适用于高温下稳定性好的无机物，例如二氧化硅，而且半径不易控制。后者可以适用于无机或有机物，而且微球的从内到外的折射率以及半径都可以控制，但是均匀性和球形都有待提高。通常，微球制备后，其谐振频率就确定了。为了能对谐振频率进行调节，可以采用改变温度和应力使球的半径或折射率发生改变来调节谐振频率。例如使用压电驱动的钳子加压于微球来压缩其半径。
30、另外，液滴也能作为微球腔，例如掺若丹明的乙醇液滴 。只是由于液滴易挥发并且形状不易控制，寿命期短，故应用受到限制10。本实验采用高温熔融冷却法。这种方法主要用于二氧化硅微球的制备，得到的微球均匀性更好，而且微球带有光纤柄使得操作简便。首先，用光纤钳分别剥去两根光纤的涂层和包层，然后用酒精将纤芯擦拭干净。把擦拭好的两根纤芯放入光纤熔接机里，把熔接机调成手动模式，调节两根纤芯至同一高度，使它们之间的距离适当远使得当电弧放电时两根光纤不能溶解成一根光纤。这样当光纤电弧放电时产生高温使纤芯局部熔融，就产生了一个凸起的圆球微腔，连续电弧放电可使圆球的半径不断增加。于是就制成一个直径为几百微米的圆球微腔。
31、实验结果如下图3-1 图3-1 光学微球3.2 实验装置及实验过程该实验中用到的实验装置有光纤、光纤钳、熔接机、光谱分析仪、白光光源、ASE宽带光源、压力源、耦合器及计算机等装置。实验装置示意图如图3-2图3-2 实验装置示意图图3-2中 1为微球；2为加压力装置；3为耦合器通过实验装置中的白光光源输出光，光通过耦合器将一束光分成两束到输出端，它们的理论分光比例是0.50:0.50，而实际分光比例是0.52:0.48。先在一根光纤上作成一个光学微球腔，用光纤钳剥除光纤另一端的包层，并用酒精擦拭干净。用光纤切割刀切去一段光纤使得该光纤面平整。选择耦合器的任意一个输出端用来与带有光学微球腔的光纤进
32、行耦合。先用光纤钳剥除该端光纤的涂层和包层，用酒精擦拭干净用切割刀切去适当已经用酒精擦拭过的纤芯。事先在一根光纤上套一个热缩管，将这两根光纤的纤芯放入到光纤熔接机内，调成自动模式，进行电弧放电耦合。估计损耗为0.01dB。将热缩管套住耦合的地方，放入熔接机中进行加热，当加热时热缩管会收缩，这样耦合端口有热缩管保护。将耦合器的另一个输出端置入黑色物体中使其中的光被吸收。按实验装置图连接各光学器件，将光谱分析仪的积分时间调为0.05，平均值设为10。首先用光谱仪测量未加压力时的数据，然后用光谱分析仪测量依次加3N，6N，9N压力时对应的数据，将这四组数据导入到Origin里进行画图，线型拟合处理数据。第四章 实验结果及理论分析4.1 实验结果图4-1 未加压力时的数据图图4-2 施加压力时的数据图图4-1和4-2是通过将光谱仪所得的数据导入到Origin中所画的图像，图4-1是光学微球未加压力时的测得的图像，而图4-2是未
