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基于光纤的折射率传感器由于体积小、重量轻、不受电磁干扰、受温度影响小、能进行远程实时监测等优点，在化学、生物、医学、环境监测等方面有广泛的应用。传统的光纤折射率传感器通常利用单模光纤(single mode fiber，SMF)、锥形光纤、光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)，例如光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating，FBG)、长周期光纤光栅(long-period fiber grating，LPG)和光纤干涉仪等[1-6]。然而，这些折射率传感器具有成本较高或制作困难等缺点[6]。
飞秒激光由于其超短的脉冲时间和精确的空间分布，且飞秒激光加工具有快速、高效、热影响小等优点，可以实现对材料进行微米量级的加工，且加工结构、加工精度不受环境和材料性质的影响，可在材料内部或表面精确加工制作孔、沟槽等结构[7-10]。现在已广泛应用于各种材料的加工，包括陶瓷、金属、聚合物和透明材料，例如石英玻璃等[11-13]。近年来，利用飞秒激光微加工在光纤上制作微通道和法布里-珀罗干涉仪，为制作低成本和对温度不敏感的折射率传感器提供了一种解决方案[14-19]。
在本文中，作者提出了一种利用飞秒微加工技术在多模光纤表面制作U形微结构的紧凑型光纤折射率传感器。该折射率传感器具有容易制造、成本低廉、在折射率1.3331~1.3731范围内具有良好的线性响应的特点。该传感器是通过观测通光功率的变化情况检测折射率的变化，这相比较与其它检测方式具有低成本、高灵敏度的优点。
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实验中使用的是相干公司生产的掺钛蓝宝石飞秒激光系统，输出的激光中心波长为800nm，脉宽为35fs，重复频率为1kHz。实验中使用的光纤是长飞公司生产的普通多模光纤(G651)，纤芯直径为62.5μm(实验装置如图 1所示)。将光纤去除涂覆层并用酒精清洗干净后，将光纤固定在3维电动平台上，后将光纤两端分别连接宽带光源(broad band source，BBS)(波长范围1565nm~1603nm)和光谱仪(optical spectrum analyzer，OSA)。激光脉冲能量通过可调式衰减片控制，光纤的移动通过3维电动平台控制。
Figure 1. Schematic diagram of femtosecond laser micromachining equipment
飞秒激光经过10倍显微镜(数值孔径为0.45)聚焦在光纤表面，利用计算机控制3维电动平台，使焦点在3维空间中移动。首先调整位移平台高度使焦点打在光纤表面，打开宽带光源和光谱仪，然后调整位移平台使激光焦点在x-y平面(2维)内移动，当焦点在x-y平面(2维)内扫描刻蚀完一层后，电动位移平台相应在z方向上升高2μm，同时观察光谱仪中光谱变化情况，当光损耗达到要求后遮挡激光。图 2a为加工出的微槽的示意图。
Figure 2. a—area structure diagram of fiber optic sensor sensor b—U-shaped micro groove structure under the scanning electron microscope
微槽的深度、内壁的平整程度与激光脉冲能量高低、位移平台扫描速率快慢密切相关。分别探究了不同激光脉冲功率，不同位移平台扫描速率和不同聚焦前激光光斑大小对微槽加工质量的影响，以获得最优加工条件。实验结果表明，当激光脉冲功率平均为12mW、电动位移平台扫描速率为30μm/s、进入显微镜前激光光斑直径为5mm时，制备的微槽质量较好。图 2b为对传感区域用扫描电镜观测后的图像。通过图像能够清楚地看到，飞秒激光微加工的区域主要集中在想加工的区域，对其它区域影响很小，在微槽底部平整度较好，没有凸起或凹陷结构和碎末等杂物，槽壁具有良好的垂直性和平行度。在加工过程中，由于飞秒激光脉冲具有极高的能量密度和极短的作用时间，致使材料中的电子通过多光子吸收获得能量产生高密度等离子体，此后由激光-等离子体作用使材料去除。由于飞秒激光脉冲时间极短，远小于材料中热量的积累和传播时间，因此在烧蚀的过程中，不需要考虑烧蚀区域周围材料因热膨胀引起的折射率变化。
实验中利用上述加工参量，制作了沿光纤径向烧蚀长度为20μm、损耗分别为5.47dB, 9.91dB, 14.18dB的样品, 烧蚀长度为10μm、损耗为10.03dB的样品，以及烧蚀长度为30μm、损耗为9.85dB的样品(光纤光损耗值(dB)=-10lg[输出功率(mW)/输入功率 (mW)])，分别记为L1, L2, L3, L4, L5。然后两端分别连接宽带光源和光功率计，将传感区域放入不同折射率的待测溶液中并记录光功率计数值。每次测量后都用蒸馏水将传感区域清洗干净，并用烘干箱烘干，直到光功率计读数回复到初始值为止。
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图 3a~图 3c所示是3种不同光损耗的样品L1, L2和L3在波长1310nm, 1400nm, 1500nm, 1550nm处的通光功率变化值随溶液折射率的变化曲线。由图可知，当槽内溶液折射率相同时，随通光波长的变化通光功率的变化值有一些起伏，这是由于溶液对不同波长的光能量吸收和散射的不同引起的。此外，在折射率1.3331~1.3731范围内各个波长处样品的通光功率值的变化随液体折射率的变化情况大体一致，说明波长对通光功率的变化值与折射率关系影响不大，因此在这里选择通信波长1550nm处对样品通光功率变化值随溶液折射率变化情况进行分析。图 3d所示在1550nm处，L1, L2, L3 3种具有不同通光损耗的折射率U形槽，当加入不同折射率的待测液体后，通光功率的变化情况。由图可知，随着在U形槽中加入的待测液体的折射率的增大，通光功率的变化值增大，通过拟合可以看到, 加入的待测液体折射率在1.3331~1.3731区间内，通光功率的变化值的变化情况具有良好的线性，而且随着U形槽光损耗的增加, 拟合后得到直线的斜率也在增加，说明对于长20μm的U形槽，随着光损耗的增加，折射率传感区域对折射率变化的感应灵敏程度增加。由图 3可知，L1的折射率灵敏度为3980μW/RIU，L2，L3的折射率灵敏度分别为4340μW/RIU和5700μW/RIU。
Figure 3. a—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L1 b—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L2 c—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L3 d—relationship of power change and refractive index at L1, L2, L3
对于传感器的光损耗与U形槽深度和待测液体折射率的关系，可以用射线光学理论进行分析。如图 4所示，纤芯中传播的光在到达U形槽交界处时，一部分光会在交界处发生全反射后进入包层后损耗或进入空气中损耗，还有一部分光在交界面处不满足全反射条件折射进入U形槽空间中同样大部分在空气中损耗。由图可知，当U形槽深度增加时，第1种光损耗和第2种光损耗都会增加，即使一小部分折射光线可以传播到U形槽侧壁的纤芯处，由于光纤折射率与空气折射率差较大，较大部分的光也不能耦合到纤芯中。根据公式：
$ {{n}_{1}}\sin {{\theta }_{1}}={{n}_{2}}\sin {{\theta }_{2}} $
(1) 
Figure 4. Propagation model of U-shaped slot light
式中，n1为纤芯折射率，n2为微槽中的折射率; θ1和θ2为光线与法线夹角，如图 4所示。当U形槽中加入待测液体后，第1种光损耗受U形槽内溶液折射率的变化影响了全反射条件，使一部分光重新耦合到光纤内，但同时有一部分光满足全反射条件造成光损耗，所以这一部分光损耗变化量较小。第2种光损耗由于待测液体折射率高于空气，在U形槽壁处折射进入槽内在空气中损耗的光会再次耦合进入出纤芯，这会导致光纤损耗减小使通光功率提升，并且随着带测液体折射率的提升耦合进入纤芯的光增加。
如图 5所示, L2, L4, L5光损耗相近，但烧蚀长度有较大变化的U形槽在接入相同功率的光源后，加入不同折射率的待测液体后，通光功率的变化值。由图可知, L2, L4, L5的折射率灵敏度分别为4340μW/RIU, 1310μW/RIU和3410μW/RIU。可以明显看到，当烧蚀的U形槽的长度为20μm时，相较烧蚀长度为10μm和30μm有较好的折射率探测灵敏度。这是由于当烧蚀长度为30μm时，虽然达到了相应的损耗值，但是由于烧蚀深度与烧蚀长度为20μm相较较浅，所以第2种光损耗相对较少导致折射率灵敏度较低。当烧蚀长度为10μm时，虽然烧蚀深度较20μm时深，但是由于烧蚀长度较短，加入较低折射率的待测液体后，第2种光损耗情况损耗的光已经大部分耦合进入纤芯，再次提高加入的待测液体的折射率可影响的损耗的光相对较少。可见光损耗为10dB左右时烧蚀长度为20μm的U形槽对折射率的测量具有较好的灵敏度，同时加工难度相对较低。
Figure 5. Relationship of power change and refractive index with the different refractive indexs of L2, L4, L5
对于传感器的光损耗与U形槽深度和待测液体折射率的关系，同样可以用模式理论进行分析。当光进入多模光纤后，会在光纤中激发出几百甚至上千个模式，这些模式在光纤中传播到烧蚀区域，由于在烧蚀区域光纤的折射率发生较大变化，会使一部分模式的光不能在光纤中传播造成损耗。当在烧蚀区域加入待测液体后，可认为对烧蚀区域的折射率情况向原光纤折射率情况进行了匹配，由于光纤折射率高于待测液体折射率，因而随着待测液体折射率的提高，会有更多模式的光通过烧蚀区域，从而增加了通光功率。如图 3d所示, 在1550nm处, L1, L2, L3 3种具有不同通光损耗的折射率U形槽，由于其烧蚀深度不同，当烧蚀深度较高时，受影响的光传播模式较多，对烧蚀区域加入的待测液体的折射率的变化较为敏感。
如图 5所示, L2, L4, L5光损耗相近，但是其烧蚀长度不同。对于L4，虽然烧蚀深度较深, 影响的光传播模式较多，但其烧蚀长度较短, 加入待测液体后，光在待测液体中传播的距离较短，因而对折射率的变化变化不够敏感。对于L5, 虽然烧蚀长度较长，但其烧蚀深度较浅导致影响的光传播模式较少，同样对折射率的变化不够敏感。可见对于光损耗为10dB左右时烧蚀长度为20μm的U形槽对折射率的测量具有较好的灵敏度。
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应用飞秒激光微加工技术，制作了一种新型多模光纤U形微槽折射率传感器，较易制备且传感器结构简单。实验结果表明，该传感器通光功率的变化值与U形槽内折射率的变化呈近似线性变化，在U形槽烧蚀长度相同时，随着光纤通光损耗的增加，传感器灵敏度增加。在折射率1.3331~1.3731区间内得到的最高灵敏度为5700μW/RIU。作为一种全光纤器件，U形槽折射率传感器在化学、生物、医学、环境监测等方面有广泛的应用。
飞秒激光制备光纤U形微结构应用于折射率传感
Fabrication of optical fiber U-shaped microstructure by femtosecond laser and its application in refractive index sensing
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摘要: 为了实现低成本、高精度的折射率测量，采用飞秒激光微加工技术，制备出基于U形微结构的多模光纤液体折射率传感器。研究了传感器的通光功率变化值与U形槽深度以及U形槽内液体折射率的关系，同时探究了在相同光损耗情况下不同烧蚀长度对灵敏度的影响，并使用射线理论和模式理论对传感机理进行了分析。结果表明，该传感器在折射率1.3331~1.3731范围内具有良好的线性响应，且可以做到5700μW/RIU的灵敏度；同时在10dB损耗情况下20μm烧蚀长度具有较好的灵敏度。该传感器具有结构简单、容易制备、灵敏度高和低成本等优点，在化学、生物、医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。Abstract: In order to realize refractive index (RI) measurement with low cost and high precision, a multimode fiber liquid refractive index sensor based on U-shaped microstructure was fabricated by femtosecond laser micromachining. The relationship of the variation of the optical power of the sensor, the depth of the U-shaped groove and the refractive index of the liquid in the U-shaped groove were studied. The influence of the different ablation lengths on the sensitivity was also discussed. The sensing mechanism was analyzed based on the influence of the radiation theory and the model. The results show that the sensor has a good linear response in the range of 1.3331~1.3731(refractive index), and can reach 5700μW/RIU (refractive index unit) sensitivity. While in the case of 10dB loss, a good sensitivity can be obtained at 20μm ablation length. The sensor has advantages of simple structure, easy preparation, high sensitivity and low cost. It has wide application prospect in chemistry, biology, medicine and environmental monitoring.
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Key words:
- sensor technique /
- femtosecond laser /
- fiber optic sensor /
- U-shaped microstructure /
- refractive index
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Figure 2. a—area structure diagram of fiber optic sensor sensor b—U-shaped micro groove structure under the scanning electron microscope
Figure 3. a—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L1 b—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L2 c—relationship of power change and refractive index with different wavelengths at L3 d—relationship of power change and refractive index at L1, L2, L3
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