國立聯合大學電資學院
金腦獎參賽作品
智慧型高分子填注中空光纖
干涉儀之感測應用
參賽者: 尤彥文
指導教授: 李澄鈴教授
目錄
第一章、緒論
1.1 研究背景
...2
1.2 研究動機
...2
第二章、高分子填注中空光纖空氣間隙Fabry–Pérot光纖干涉儀
2.1 實驗原理
...4
2.2 研究流程
...4
2.3 實驗結果與數據分析
...7
第三章、結論
...10
參考文獻
...11
第一章 緒論
1.1 研究背景
光纖技術的發展始於通訊上的需要，隨著低損耗光纖的研製成功，藉由光纖來傳遞資訊 才達實用化的階段。光纖因其直徑小，質輕，柔軟可彎曲及不受電磁干擾等優異特性，已被 廣泛應用於各種通訊領域中。然而，直至1980 年代，光纖技術才正式跨入感測器的市場。由 於光對於微細變化的靈敏度比傳統的電子感測器高出許多，利用光纖及光纖元件來進行分布 式感測，一直是眾人注目的研究焦點。因為光纖感測器的技術近年才趨於成熟，所以市場以 特殊應用領域為主。尤其在軍事、航太工業及高溫等惡劣環境的應用頗為廣泛，而最近在醫 療領域的發展也頗受矚目。光纖感測器具有不受電磁干擾、質量輕、耐久性、不易被腐蝕、 損耗率低、體積小、寬頻、信號易於傳輸等優點，因此利用光纖來感測應變、溫度、壓力、 電流、氣體等變化的應用也不斷地開發出來。西元1978年，Butter和Hocker發表光纖應變感測 器後，光纖感測器技術應用於智慧光纖型結構變成為世界發展趨勢。1.2 動機與目的
本專題研究提出液面高度測量，可以實際的應用於測量醫療用的點滴，由於醫療用的點 滴無法監控液面的高度，若點滴打完而沒注意到的情況下，會造成空氣打入體內，使血液回 流，會有致命的危險性，因此本研究提出智慧型全光纖式干涉儀，不需對光，非電子式，可 以用來非常靈敏的量測液體深度之簡易光纖元件，此研究可以非常靈敏的感測到水深變化並 及時的監控，可以透過干涉儀的頻譜知道點滴的水位多少，避免醫療上的疏失，再加上價格 低廉且不需昂貴的製程設備，是一項具應用價值的研究，也是本實驗之主要動機。 本研究所提出為“高分子填注中空光纖空氣間隙 Fabry–Pérot 光纖干涉儀”，研究內容為一 反射式元件，不需再熔接一段單模光纖將光傳回頻譜分析儀。B. H. Lee 等人在 2008 年，發表 在 Optics Letters 利用中空光纖(Hollow Core Fiber, HCF)做出的 Mach–Zehnder 式光纖干涉儀[1]。 1991 年，K. A. Murphy 等人發表在 Optics Letters 將單模光纖放入大直徑的纖芯的 HCF 裡， 做出相位干涉儀[2]。同樣，在 Optics Letters 上，J. S. Sirkis 等人在 1993 年則是做出利用 HCF 做出 Fabry–Pérot 標準具用在應力的測量[3]，一般傳統的光纖感測器，通常都需要高度複雜的工藝製程或是昂貴設備；如雷射寫製技術、熔拉的處理、電弧放電技術或是化學蝕刻[4]，其 製作過程不僅繁複費時，不易大量生產，且經過這些製程的處理都可能使得光纖過於脆弱。 有鑒於此，本研究擬在製作技術能簡易方便並須兼具應用價值，實驗是使用中空的纖芯 且直徑大於光束直徑的中空光纖，與單模光纖直接做熔接的處理，然後填入高分子聚合物於 中空光纖中，其熔接面與另一端聚合物的端面形成兩個反射面，當光波從單模光纖(SMF-28) 傳播進入至中空光纖時，光則會在這兩個反射面之間產生無數的反射光與穿透光並且形成多 光束的干涉，因反射光不強，因此這是一個low Finesse Fabry–Pérot的結構，藉由利用高分子 聚合物不同於光纖的材料特性，會隨外在環境改變而靈敏地變化的光纖干涉儀，本研究的原 理與製作過程不僅簡易且成本低廉，除了不需要使用以雷射或是化學蝕刻的方式等儀器與設 備，其設備除價格昂貴之外，且具有一定程度的危險性，本研究中也不需技術成熟的特定的 技術人士才能完成，而具備大量生產的優勢。
第二章 高分子填注中空光纖空氣間隙
Fabry–Pérot 光纖干涉儀
2.1 實驗原理
當光從光源傳播進入至單模光纖中，其模場會主要分佈於纖芯之中，邊緣模場會稍微漏 到纖殼裡，而當光傳播進入至中空光纖與單模光纖熔接的交界面(r1)時，會在這界面產生單模 光纖與空氣介質的 Fresnel 反射[5]，但是光波中心主要的模場仍會在中空光纖的纖芯裡，也就 是在空氣中做自由空間傳播(free space propagation)與展開，直到光抵達另一端空氣與高分子 聚合物的界面(r2)後產生反射，光會在這兩個反射面之間，不斷地產生穿透光以及反射光，產 生多光束干涉。 由於本實驗所填注的高分子聚合物擁有足夠的長度時，且在其固化之後，高分子聚合物 會產生很大的散射情形，所以當穿透光通過高分子聚合物的介質後，其反射回來的光強度會 難以產生良好的干涉，因此，主要在此元件產生的干涉現象，是以空氣間隙為主要共振腔的 Fabry–Pérot 干涉的形式，而光通過高分子聚合物所產生的干涉共振與空氣共振腔的干涉共振 相比則非常的小，因而可以忽略，如圖 2-1 所示。 圖 2-1 光在空氣間隙共振腔光纖元件中傳播特性示意圖。圖 2-1 中 d 為 Fabry–Pérot 共振腔的長度，也就是空氣間隙(Air gap)，L 為利用毛細現象 吸入之高分子聚合物(Polymer)的長度，D 則是實驗所用之中空光纖的纖芯直徑。
2.2 研究流程
本實驗我們製作一個全光纖式的 Fabry–Pérot 干涉儀並作液體的液面高度感測，將液態的 單體分子利用毛細現象原理灌注到中空光纖的空氣孔洞時，調整其灌注的時間，故意將孔洞 通道預留一截空氣做成以空氣間隙(Air gap)為共振腔的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀(AG-FFPI)，如 圖 2-1，之前實驗室已發展了此結構作環境溫度的靈敏感測[6]，本實驗進一步將此元件發展
成液面高度光纖感測器，並探究其物理與光學特性。 首先取一段纖芯直徑約 50μm 的中空光纖，因為中空光纖的保護層為高分子的材料，因 為無法以一般使用剝線箝剝離保護層(Jacket)的方式剝除乾淨，但是其燃點約在 150°C，所以 將保護層利用打火機火焰燃燒的方式將保護層去除，再使用酒精拭紙將保護層的灰燼擦拭乾 淨，之後將中空光纖與單模光纖的待熔接處利用光纖切割刀(Fujikura CT-07)將兩者端面切平 後，利用光纖熔接機(FSM-60S)控制放電的參數做熔接的處理，當熔接完成之後，再使用光纖 切割刀將中空光纖裁切適當長度，元件示意圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 初步元件示意圖。 將初步製作好的光纖元件利用毛細現象(Capillarity)將液態的單體分子(Monomer)填入到 熔接完成的中空光纖的空氣孔洞中，並且控制填注的時間，可以做為調整液態的單體分子吸 入程度，如此一來可以控制 Fabry–Pérot 的共振腔為高分子聚合物或是以空氣為共振腔，如果 在灌住的過程中利用加溫的方式，灌注其填充體，可以縮短其灌注時間。 由於我們使用的高分子聚合物為 NOA65 光固型聚合物，所以我們將還是液態的單體分 子成功灌注到中空光纖的空氣孔洞之後，利用波長範圍在 350nm~380nm 的紫外光，將還是液 態的單體分子曝照足夠的時間後，使之固化(Curing)為固態的高分子聚合物(Polymer) ，如圖 2-3，當固化完成之後則不用擔心填充體會有流失的情形產生。 圖 2-3 Polymer 固化後元件示意圖。
當 AG-FFPI 的元件製作完成後，使用寬頻光源(Wild Band Light Source)做為訊號源，其 光源波長範圍為 1500nm~1600nm 的入射光，之後利用跳接線(Pig Tail)與 AG-FFPI 相連接，再 使用光耦合器(Coupler)與跳接線連接後，使光可以經過我們的光纖干涉儀後，其反射光則會 經過光耦合器，這樣才能量測反射頻譜，最後反射光進入至光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA)之中，接收其光訊號，量測干涉頻譜，見圖 2-4。 實驗所使用的光譜分析儀使用 GPIB 卡轉換成 USB 介面這樣才能利用電腦接收資料，並 使用 LABVIEW 軟體做成虛擬控制儀表將光譜分析儀的訊號取出，再用 MATLAB 軟體將取 出的訊號做繪圖處理。但是由於所使用的寬頻光源，其初始的光源訊號並非平整，且有損耗 存在，因此量測到的元件頻譜，須與初始的光源頻譜做歸一化的處理，才有辦法看出真正元 件頻譜特性。我們將光纖 Fabry–Pérot 干涉儀(Fiber Fabry–Pérot Interferometer, FFPI)固定在量 尺上放入量筒內，利用顯微鏡的輔助，確保此 FFPI 光纖元件的端面幾乎接近量筒底面，再用 光纖夾具固定光纖，使其不會晃動在平台上，之後開始注入去離子水(DI water)到量筒內，每 0.5cm 量測一次水深頻譜到 15cm 並紀錄，觀察當水深改變時頻譜的變化，而量測架構示意圖 如圖 2-4。
2.3 實驗結果與分析討論
由於我們所製作的光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀，可以利用切割出不同長度的中空光纖，以 及調整灌注的高分子聚合物的時間，控制灌注 Monomer 的量，製作出不同共振腔長度的 Air gap，首先我們將所製作出的元件進行液面測量，觀察其對液面壓力的變化量如圖 2-5 所示。 圖 2-5 高分子聚合物形成空氣間隙的 Fabry–Pérot 干涉儀，d 為(a) 23μm、(b) 35μm、(c) 66μm (d) 89μm，L 皆為 58μm，插圖為利用光學顯微鏡元件拍攝實體圖。 圖 2-5 是本研究所製作不同 d 分別為 23μm、35μm、66μm、89μm 之空氣間隙，相同 L=58μm 之高分子聚合物的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀元件，當進行注入去離子水改變水位量測時，其干 涉頻譜的波長漸漸往短波長移動，這是由於液面漸漸升高，水壓上升，元件底端之高分子聚 合物受到外部液面壓力時擠壓並進而擠壓空氣間隙長度(d)，使 d 變小，因此產生干涉條紋之 位移變化，如圖 2-6 所示。 1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Wavelength (nm) R e fl e c ti on (dB ) 15cm 0cm 125μm SMF HCF d L Airgap NOA65 (a) d=23μm 1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Wavelength (nm) R e fl e c ti on (dB ) 15cm 0cm 125μm SMF HCF d L Airgap NOA65 (b) d=35μm 1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Wavelength (nm) R e fl e c ti on (dB ) 0cm 15cm 125μm SMF HCF d L Airgap NOA65 (c) d=66μm 1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 Wavelength (nm) R e fl e c ti on (dB ) 15cm 0cm 125μm SMF HCF d L Airgap NOA65 (d) d=89μm圖 2-6 AG-FFPI 元件受外在壓力的位移變化圖。 當元件端面所受到的液體壓力為 P 時，P 可表示如式(1)所示，其中 ρ 為比重(kg/m3 )，g 為重力加速度(m/s2 )，h 則是液面高(cm)。 gh P (1) 當在某一液體壓力下，此 FFPI 之空氣共振腔長度(d)，n 為共振腔折射率(n=1:空氣)， 為干涉頻譜之兩個相鄰反射頻譜的波長，見式(2)表示:[7-8]。 ) ( 2 1 2 2 1 n d (2) 而波長位移最主要是共振腔長度變化，當令共振腔長度變化量=Δd，在某一波長 λ 之干 涉波長的 dip 值，且 Δλ 為此干涉波長的變化量，d 為 Air gap 長度，ΔL 為因液體壓力之應力 所改變的 Air gap 長度，因此 Δd=-ΔL，此也決定了波長的位移量，其對應關係如式(3)所示:[9]。 d L (3) 將高分子聚合物所受到的應力式(1)代入下列公式可以得到當液面漸漸升高時對高分子 聚合物受到壓力的變化量ΔL，d 為空氣間隙(μm)，ΔL 為聚合物受到壓力變化的長度(μm)，ΔP 為所施加的壓力(Pa)， 為Poisson’s ratio， 為材質的楊氏係數(MPa)， 為光纖元件的半徑 (μm)， 為聚合物的厚度(μm)，如式(4)所示:[7-8]。 P L E a L m m 3 4 2 16 ) 1 ( 3 (4) 將式(4)公式，代入式(3)可得到干涉波長之位移量，如下列的公式(5)所示:
h d L E g a m m 3 4 2 16 ) 1 ( 3 (5) 由式(5)之理論分析可以得知，Δ與 h 成負的正比關係。 而當量筒的水位從 0cm 漸漸上升至 15cm 時，其干涉儀的干涉頻譜的波長也逐漸得往短 波長移動(因空氣共振腔變短)，由實驗結果可知，對 d=23μm 的水位靈敏度約為-3.20nm/cm， d=35μm 的水位靈敏度約為-1.00nm/cm，d=66μm 的水位靈敏度約為-0.84nm/cm，d=89μm 的水 位靈敏度約為-0.31nm/cm，因此可以得知此干涉儀架構，確實可以靈敏地感測水位的變化， 如圖 2-7 所示。 因此共振腔越短，其水位靈敏度斜度越大，當注水擠壓後頻譜位移會慢慢趨於平緩，所 能量測線性範圍較小，反之，共振腔越長，其水位靈敏度斜度越小，所能量測線性範圍較大。 圖 2-7 不同長度 Air gap 下，液面量測時頻譜靈敏度位移圖。 本研究中所使用的高分子聚合物對壓力的變化，會使共振腔的體積與長度隨外在環境壓 力而改變，使共振腔的干涉條件的光程差改變，進而可應用到反應靈敏的液面高度之感測裝 置上；此外，本研究的干涉儀的成本低廉、製作方式容易且快速，也較傳統的光纖干涉儀更 具備量產的優勢。
0
5
10
15
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Liquid level (cm)
W
a
ve
le
ngt
h s
hi
ft
(nm
)
35
m
66
m
89
m
23
m
d (
m) slope (nm/cm)
89 -0.31
66 -0.84
35 -1.00
23 -3.20
第三章 結論
由於許多的醫療照護常需要即時的監控液面高度，例如:點滴高度監控，因此本專題成功 開發出價格便宜、高靈敏之光纖感測器，利用中空光纖灌注高分子材料技術，提出一新穎、 製作簡單、以及不需對光的全光纖式空氣間隙光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀(Air gap Fiber Fabry–Pérot Interferometer, AG-FFPI )元件。
此以空氣間隙為共振腔的 Fabry–Pérot 干涉儀，對外在環境壓力變化的靈敏度上，比起傳 統的光纖式干涉儀，都來得靈敏許多，當我們對 AG-FFPI 改變其水位壓力時，頻譜變化往短 波長移動，代表當水位增加時，頻譜變化往短波長移動，則是代表共振腔長度減少，推測當 注入液體時，位於其端面的高分子聚合物因受液體的壓力，壓縮到 AG-FFPI 的空氣共振腔， 所以空氣共振腔的長度則變短所致。再者，利用同一種製程方法，只要稍加變化實驗參數， 就能製作出特性不同且多樣性、高彈性設計的全光纖式空氣間隙 Fabry–Pérot 干涉儀，以上開 發的元件在感測的應用上，可為一項創新設計與研究。
參考文獻
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