CN101520341B - 基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其结构如下：普通单模光纤、空心多模光纤、实心光子晶体光纤，普通单模光纤一端与空心多模光纤一端熔接，空心多模光纤的另一端与实心光子晶体光纤一端熔接；实心光子晶体光纤另一端端头的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤内部和外环镜；本发明还公开了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法；本发明的有益技术效果是：微型化、一体化、机械强度大、制作简单、测量准确性高、重复性好、受温度变化影响小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计及制作方法。
背景技术
折射率是物质的一种基本属性，它会随着外界温度、浓度、密度、压力的变化而变化；因此折射率的测量具有重要的实际应用意义，研究开发新型的折射率传感器已经引起了国内外学者的广泛关注。
传统的大体积折射率计已被应用在化学、食品、饮料、医疗等领域。然而，这些传统折射率计不适合远距离测量，并且在小体积领域受到限制。光纤传感器以其结构小、重量轻、复用能力强、适合在线和远距离监测、分辨率高等优点越来越受到人们的青睐，逐渐代替了传统的大体积折射率计。例如，光子晶体光纤、光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅都已经被广泛应用于各种液体折射率的测量中，开辟了折射率测量领域的新时代。然而，这些光纤传感器具有机械强度低、温度交叉敏感、测量范围小、非线性灵敏度低等缺点，在实际应用中受到限制。光纤法布里-珀罗(Fabry-Peort)干涉传感器，简称光纤F-P传感器，是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为广泛的一种光纤传感器，已经被成功用于测量温度、应变、压力、位移、超声波、折射率等参数，并商用化。特别是，由于光纤F-P传感器具有精度高、测量范围大、复用能力强、响应速度快等独特优势，用它进行折射率的测量已经引起了人们的广泛关注。非本征型光纤F-P传感器的干涉腔是空气，当腔体内的折射率发生改变时，其相位就会发生变化从而引起输出光强的变化，在光谱上表现为光谱的漂移。因此，可以通过监测其波长的漂移量从而检测气体折射率的改变。然而，由于非本征型光纤F-P传感器结构复杂，且由多种材料构成，导致其温度交叉敏感，从而不能进行外界折射率的准确测量。近来，一种基于飞秒激光加工的光纤F-P传感器已经被用来测量丙酮、酒精液体的折射率，这种光纤F-P传感器对温度不敏感，克服了温度交叉敏感效应，但是它制作复杂、机械强度差、成本高、且腔体容易受污染。
发明内容
本发明提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，该折射率计包括：普通单模光纤、空心多模光纤、实心光子晶体光纤，普通单模光纤一端与空心多模光纤一端熔接，空心多模光纤的另一端与实心光子晶体光纤一端熔接；实心光子晶体光纤另一端端头的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤内部和外环境。
空心多模光纤选用纤芯掺锗的多模光纤，采用氢氟酸里腐蚀的方法除去多模光纤的纤芯，得到空心多模光纤。
外包层上的空气孔区域的直径为60μm，空气孔之间的间距Λ为8μm，归一化的空气孔直径d/Λ为0.46。
本发明还提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：该方法步骤如下：
1)将一段纤芯掺锗的多模光纤浸泡在氢氟酸里腐蚀直至去除纤芯，得到空心多模光纤；根据设计长度切割普通单模光纤；
2)采用手动熔接的方法将空心多模光纤一端与普通单模光纤一端熔接；
3)根据设计的F-P腔长度，在显微镜下切割空心多模光纤；
4)采用手动熔接的方法将空心多模光纤的另一端与一小段实心光子晶体光纤熔接；
5)在显微镜下切割实心光子晶体光纤，使实心光子晶体光纤长度满足：实心光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤内部和外环境；
各个器件的参数如下：普通单模光纤、空心多模光纤和实心光子晶体光纤(3)三者的外径相同且都为120～130μm；空心多模光纤的内径为55～70μm；实心光子晶体光纤为无尽单模光子晶体光纤，即EPCF；实心光子晶体光纤的长度小于空心多模光纤长度。
步骤4)中，熔接空心多模光纤与实心光子晶体光纤时，使实心光子晶体光纤远离放电区域中心轴线25μm以上。
熔接操作的工艺参数为：电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。
本发明的有益技术效果是：本发明的折射率计具有：微型化、一体化、机械强度大、制作简单、测量准确性高、重复性好、受温度变化影响小等优点。
附图说明
图1，本发明的折射率计的结构示意图；
图2，本发明的折射率计的电子显微照片；
图3，理论计算的本发明折射率计在空气、酒精和丙酮中的干涉谱；
图4，实验得到的本发明折射率计在空气、酒精和丙酮中的干涉谱；
图5，采用本发明的折射率计检测外界折射率的实验原理图；
图6，本发明的折射率计的光程差与外界折射率的关系图；
图中：普通单模光纤1、空心多模光纤2、实心光子晶体光纤3、外包层3-1、光谱仪5-1，耦合器5-2，折射率计5-3。
具体实施方式
基本原理：
实心光子晶体光纤3因其自身加工工艺，在实心光子晶体光纤3端头形成外包层3-1，外包层3-1上有蜂巢结构的成周期性排列的空气孔；空心多模光纤2与普通单模光纤1的熔接处形成第一个反射面；空心多模光纤2与实心光子晶体光纤3的熔接处形成第二个反射面(具体结构参见图1)；空心多模光纤2的内部形成干涉腔；因为实心光子晶体光纤3的长度足够短，使实心光子晶体光纤3裸露端的外包层3-1上的空气孔形成通孔，连通空心多模光纤2内部和外环境；那么外部待测气体或者液体就能通过空气孔进入到空心多模光纤2的内部，从而改变干涉腔的折射率。
参见附图2，图中所示为制作好的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，本发明的折射率计的制作方法具体步骤如下：
1)将一段纤芯掺锗的多模光纤浸泡在氢氟酸里腐蚀直至去除纤芯，得到空心多模光纤2；根据设计长度切割普通单模光纤1；
2)采用手动熔接的方法将空心多模光纤2一端与普通单模光纤1一端熔接；
3)根据设计的F-P腔长度，在显微镜下切割空心多模光纤2；
4)采用手动熔接的方法将空心多模光纤2的另一端与一小段实心光子晶体光纤3熔接(熔接空心多模光纤2与实心光子晶体光纤3时，使实心光子晶体光纤3远离放电区域中心轴线25μm以上；
5)在显微镜下切割实心光子晶体光纤3，使实心光子晶体光纤3长度满足：实心光子晶体光纤3裸露端的外包层3-1上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤2内部和外环境；
制作过程中，采用熔接机的型号为Furukawa S176，其工艺参数如下：电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。
参见附图3，图中是模拟的采用本发明的折射率计时的干涉谱，折射率计F-P腔(干涉腔)的腔长为60μm，输入光强是16μw，第一个反射面的反射率和损耗分别为R1＝0.005和α1＝0.5，第二个反射面的反射率和损耗分别R2＝[(nPCF-1.0027)/(nPCF+1.0027)]2＝0.034为α2＝0.27，n空气＝1.00027。从图中可以看出，该折射率计具有很好的光学特性，即在1520-1570nm的波谱范围内，干涉条纹光滑、规则，没有出现低频信号所产生的大包络，且在空气中干涉条纹的对比度比较高，约为10dB。当干涉腔内的折射率变化为n丙酮＝1.3571和n酒精＝1.3619时，干涉条纹两个波峰之间的距离明显减少，这表明干涉腔内的折射率在增加，光程差在增大。因此，理论上验证了该结构的F-P传感器可以被用来测量外界液体或者气体的折射率。
参见附图4，图中是本发明的折射率计的实物干涉谱，对比图4和图3，实验结果和理论分析非常吻合，小的误差主要是由于3dB耦合器引入的附加损耗。在1520-1570nm的波谱范围内，干涉条纹光滑、规则，没有出现低频信号所产生的大包络，且在空气中干涉条纹的对比度比较高，约为10dB，为后续的信号处理提供了一定的基础。当液体进入F-P腔的时候，干涉条纹两个波峰之间的距离明显减少，这表明干涉腔内的折射率在增加。对于每一种溶液，我们都在室温下进行了五次测量，其测量的平均值分别为n丙酮＝1.3571和n酒精＝1.3619，这和矫正的数值非常接近。因此，本发明的折射率计具有高的测量准确性和好的重复性。此外，随着干涉腔内折射率的增加，干涉条纹的光强显著下降，我们分析主要是由于以下两个原因造成的：首先是随着干涉腔内折射率的增加，反射面的反射率都将减小从而导致反射光强的减小，其次可能是由于液体对光的吸收或者光通过空气孔的外泄。
参见图5，采用本发明的折射率计的一种测量装置结构，光谱仪5-1(型号：Si720)被用来监测折射率计5-3的输出光谱，其波长分辨率和精度分别为2.5pm和1pm。光谱仪5-1发出的光经过一个2×1的耦合器5-2进入折射率计5-3，被反射回来的光再次经过耦合器5-2进入光谱仪5-1的输入端，经过连接的电脑进行数据存储与处理。在测量过程中，折射率计6-3被垂直放入待测溶液内；每次测完一种折射率的溶液后，折射率计5-3就要用清水洗干净并且吹干，等到折射率计5-3的光谱恢复到初始状态后再放入另一折射率的待测溶液中进行测量，即只用将使用后的折射率计5-3用清水洗干净并且吹干，就可以测量不同溶液的折射率。
将折射率计5-3分别垂直置于五种不同折射率的溶液内，由于实心光子晶体光纤3的外包层3-1的空气孔足够大，溶液能够比较快速地进入F-P腔。随着溶液折射率的变化，该折射率计的光程差就会发生变化，其变化规律如图6所示。可以看出，在1.33～1.36的范围内，微探针型折射率计的光程差随着外界折射率的增加而线性增加，其灵敏度为～65.97/RIU，远大于非本征型F-P气体折射率计的灵敏度。此外，由于用于监测该光纤F-P传感器的光谱仪具有2.5pm的波长分辨率，因此，该折射率计用于检测大折射率的有毒气体(比如，乙醚)时，折射率分辨率可以达到为～1.62×10-6RIU(refractive index unit)。
Claims (9)
1.一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其特征在于：该折射率计包括：普通单模光纤(1)、空心多模光纤(2)、实心光子晶体光纤(3)，普通单模光纤(1)一端与空心多模光纤(2)一端熔接，空心多模光纤(2)的另一端与实心光子晶体光纤(3)一端熔接；实心光子晶体光纤(3)的长度足够短，使实心光子晶体光纤(3)另一端端头的外包层(3-1)上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤(2)内部和外环镜。
2.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其特征在于：空心多模光纤(2)选用纤芯掺锗的多模光纤，采用氢氟酸里腐蚀的方法除去多模光纤的纤芯，得到空心多模光纤(2)。
3.根据权利要求1或2所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其特征在于：空心多模光纤(2)的内径为55～70μm，外径为120～130μm；普通单模光纤(1)的外径与空心多模光纤(2)的外径相匹配。
4.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其特征在于：实心光子晶体光纤(3)为无尽单模光子晶体光纤，即EPCF；实心光子晶体光纤(3)的长度小于空心多模光纤(2)长度；实心光子晶体光纤(3)的外径与空心多模光纤(2)外径相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，其特征在于：外包层(3-1)上的空气孔区域的直径为60μm，空气孔之间的间距Λ为8μm，归一化的空气孔直径d/Λ为0.46。
6.一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：该方法步骤如下：
1)将一段纤芯掺锗的多模光纤浸泡在氢氟酸里腐蚀直至去除纤芯，得到空心多模光纤(2)；根据设计长度切割普通单模光纤(1)；
2)采用手动熔接的方法将空心多模光纤(2)一端与普通单模光纤(1)一端熔接；
3)根据设计的F-P腔长度，在显微镜下切割空心多模光纤(2)；
4)采用手动熔接的方法将空心多模光纤(2)的另一端与一小段实心光子晶体光纤(3)熔接；
5)在显微镜下切割实心光子晶体光纤(3)，使实心光子晶体光纤(3)长度满足：实心光子晶体光纤(3)裸露端的外包层(3-1)上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤(2)内部和外环镜；
7.根据权利要求6所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：各个器件的参数如下：普通单模光纤(1)、空心多模光纤(2)和实心光子晶体光纤(3)三者的外径相同且都为120～130μm；空心多模光纤(2)的内径为55～70μm；实心光子晶体光纤(3)为无尽单模光子晶体光纤，即EPCF；实心光子晶体光纤(3)的长度小于空心多模光纤(2)长度。
8.根据权利要求6所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：步骤4)中，熔接空心多模光纤(2)与实心光子晶体光纤(3)时，使实心光子晶体光纤(3)远离放电区域中心轴线25μm以上。
9.根据权利要求6或8所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：熔接操作的工艺参数为：电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。
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