CN102141513A - 一种微纳光纤折射率传感器 - Google Patents

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孙琪真
刘德明
梁瑞冰
沃江海
李晓磊
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Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤光栅的高灵敏度折射率传感器，传感单元为直径小于传输波长的亚波长直径微纳光纤，并在微纳光纤刻写均匀布拉格光栅，宽谱光源经过环形器连接传感单元微纳光纤光栅，环形器的另一端接光谱分析仪。利用微纳光纤的强倏逝场特性和光纤光栅的波长选择特性，可通过测量光栅中心波长来实现对周围介质折射率变化的实时响应。本发明测量灵敏度高、结构简单、体积小、具有广泛的应用前景。

Description

一种微纳光纤折射率传感器
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种基于亚波长直径微纳光纤光栅的高灵敏度折射率传感器。
背景技术
折射率传感在气体和水溶液样品测量以及大飞机符合材料固化监测中都有重要的意义，折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。长周期光纤光栅(LPG)对周围介质折射率变化具有很高的灵敏度，但是LPG多谐振峰和传输峰带宽大限制了折射率测量的准确性，有报道通过蚀刻光纤布拉格光栅(FBG)利用倏逝场光波导来测量介质的折射率，可达到很高的灵敏度，但这种方法在蚀刻增加灵敏度的同时降低了传感器的机械强度。
基于倏逝场光波导的传感器在过去的几年里已经得到了广泛的研究，并且在传感应用中发挥着重大的作用。亚波长直径微纳光纤是指光纤直径小于传输波长在微米或纳米量级的光纤，微纳光纤表现出一些不同于普通光纤的光学特性。亚波长直径微纳光纤大比例倏逝波传输的光学特性，使得微纳光纤对附近及表面介质的变化非常敏感，具有极高的灵敏度。
本发明结合微纳光纤倏逝场传输的光学特性和FBG强波长选择特性，提出一种基于微纳光纤光栅的高灵敏度折射率传感器。该传感器具有结构简单、灵敏度高、体积小等优点，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、灵敏度高的微纳光纤折射率传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种微纳光纤折射率传感器，其特征在于，传感单元为直径小于传输波长的亚波长直径微纳光纤，所述微纳光纤上刻写均匀布拉格光栅，光源经过环形器连接所述传感单元，环形器的另一端连接光谱分析仪。
优选的，所述微纳光纤的纤芯半径为0.3～1μm。
进一步优选的，所述布拉格光栅采用相位掩模法刻写。
本发明的测量原理如下：
根据光纤布拉格光栅的耦合方程，光纤光栅的布拉格反射波长λB，表示为：
λB＝2neffΛ    (1)
其中neff为光纤光栅传导模的有效折射率，数值与光纤光栅区域的几何结构、纤芯材料及包层材料的折射率等相关，Λ为光栅周期常数。
光纤布拉格光栅并不直接暴露在周围介质中，其本身对外界折射率的变化并不具有灵敏性。亚波长直径微纳光纤没有芯包结构，光纤仅由纤芯部分组成，包层即为外部介质，利用微纳光纤倏逝场传输的光学特性，微纳光纤直径一定，传输模以一定的比例以倏逝场的形式在光纤外的介质中传输，因此对外部介质的折射率变化非常灵敏。
本发明中将微纳光纤的倏逝场特性和光栅的波长选择特性结合起来，把刻写有布拉格光栅的微纳光纤作为折射率传感器的传感单元。将传感单元暴露或者浸入到被测溶液中，如图1所示原理图，当溶液的折射率发生变化时，就会改变传导模的有效折射率，进而引起光栅中心波长的漂移，通过监测波长的改变实现折射率的高灵敏度测量。
当外界被测溶液的折射率增大时，传导模的有效折射率随之增加，从而引起布拉格光栅的中心波长向长波长方面漂移。微纳光纤的直径越小，纤芯外倏逝场的比例越大，对外界溶液的折射率变化就越灵敏，因而减小微纳光纤的直径可以极大的提高折射率传感器的灵敏度。
本发明在已有通过蚀刻光纤布拉格光栅来实现折射率测量的传感器基础上进行改进，是结合微纳光纤倏逝场的特性和光栅的强波长选择特性的一种波长调制型光学传感器，不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、准确性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明所用传感器原理图。
图2为本发明所用传感器装置。
图3为纤芯半径为1μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。
图4为纤芯半径为0.6μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。
图5为纤芯半径为0.3μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。
其中，1、宽谱光源输入，2、光栅反射谱，3、光栅透射谱，4、微纳光纤，5、光栅周期性结构，6、微纳光纤倏逝场，7、宽谱光源(ASE)，8、传感单元，9、光谱分析仪(OSA)，10、被测溶液，11、环形器。
具体实施方式
微纳光纤采用火焰加热一步拉伸的方法拉制而成，将去掉涂覆层的固定在电动平移台上，采用氢气火焰来加热裸光纤，裸光纤加热处于熔融状态，通过控制两端步进电机的速度和行程得到所需尺寸的微纳光纤。
在微纳光纤上利用相位掩模法刻写均匀布拉格光栅构成传感器的传感元件。
本发明的传感器的具体组装方法如图2所示。将宽谱光源的光经过一个环形器后输入到刻有布拉格光栅的微纳光纤中，微纳光纤反射光经过环形器输出到光谱分析仪。
本发明在具体测量待测溶液折射率时，将传感器的传感单元浸入到被测溶液中，当溶液的折射率发生变化时，光谱仪显示的中心波长就会发生漂移，记录中心波长的数值，实现溶液折射率的测量。
本发明的高灵敏度折射率传感器，在理论上对其传感特性进行分析，折射率传感器的灵敏度随着微纳光纤的尺寸发生变化，如图3所示，随着周围介质折射率的增加，微纳FBG的中心波长向长波长方向漂移。当周围介质折射率比较小时，中心波长的变化比较缓和，随着周围介质折射率的继续增加接近于纤芯材料的折射率时，中心波长的增加速率加快且接近于线性变化。同时，微纳光纤芯径越小，中心波长随周围介质折射率的变化越快，并且可测量的线性区域越大。由此可知，微纳光纤的芯径越小，微纳尺度光纤布拉格光栅的折射率传感的灵敏度就越高，且更容易实现折射率的线性测量。
本发明中当光纤半径为1μm，如图3所示中心波长随周围介质折射率的变化，在折射率值为1.43，折射率传感的灵敏度为946.7nm/RIU；当光纤半径为0.6μm如图4所示，在折射率值为1.43，折射率传感灵敏度为1027nm/RIU；当光纤半径减小到0.3μm如图5所示，折射率传感近似于线性，灵敏度可达到1089.9nm/RIU。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种微纳光纤折射率传感器，其特征在于，传感单元为直径小于传输波长的亚波长直径微纳光纤，所述微纳光纤上刻写均匀布拉格光栅，光源经过环形器连接所述传感单元，所述环形器的另一端连接光谱分析仪。
2.根据权利要求1中所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤的纤芯半径为0.3～1                                               
Figure 2010106143814100001DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1或2所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述布拉格光栅采用相位掩模法刻写。
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