CN102721665B - 一种微纳光纤光栅折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤光栅折射率传感器，包括依次连接的宽带光源、光耦合元件和微纳光纤光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；所述宽带光源发出的光信号经光耦合元件后入射微纳光纤光栅，经微纳光纤光栅反射后再次经过光耦合元件入射光波长检测单元；所述微纳光纤光栅的两个偏振态方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而温度敏感度相同。两个反射峰对外环境折射率的灵敏度不同，短波长的反射峰具有更大的折射率灵敏度，即在外环境折射率升高时，两反射峰的波长差减小。本发明结构简单，实现与解调方法简便，测量结果准确。

Description

一种微纳光纤光栅折射率传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅折射率传感器领域，特别是一种微纳光纤光栅折射率传感器。

背景技术

作为二十世纪最为重要的光子器件之一，光纤布拉格光栅（简称光纤光栅）以其体积小、灵敏度高、波长编码、抗电磁干扰等优点，在光纤传感和光纤通信领域中得到广泛应用。

在折射率以及生物化学传感方面，微纳光纤光栅将微纳光纤与光纤光栅技术相结合，一方面可以实现微纳光纤大倏逝场与外界进行作用，同时，另一方面也可以充分利用光纤光栅的优势，为其外环境折射率探测提供了良好的条件。

因此，在拉锥而成的微纳光纤上刻写光纤光栅已经成为行业发展的趋势和主要发展方向。而微纳光纤光栅由于其独特的性质和优势已经成为了物理、化学以及生物医学领域内的新的热点。

香港理工大学的X.Fang等人，采用飞秒激光器，其在小空间区域内拥有极大的光能量，以及超短的间歇时间（飞秒量级），在微纳光纤上刻写出了光纤光栅，所刻制的光纤直径可以由2~10μm，在光纤直径为2μm处，环境折射率值为1.44时，可获得最大的灵敏度为231.4nm/RIU。聚焦离子束（FIB）蚀刻方式刻写MFBG也同时被国内外研究者提出，此种方式可以获得很紧凑的结构，并实现折射率传感。华中科技大学Y.Zhang等人，采用248nm的KrF准分子激光器，借助相位掩模板，在直径为微米量级的具有光敏性的微纳光纤上刻制了光纤布拉格光栅。MFBG具有不同于普通光纤布拉格光栅（FBG）的独特的反射特性，在其反射谱中，除了具有对应基模的反射峰（类似于普通FBG）外，还有对应于高阶模式的反射峰；并且高阶模式的反射峰具有灵敏度很高的折射率传感特性，在实验中获得了102nm/RIU的传感灵敏度；Yang Ran等人利用193nm准分子激光器在微纳光纤上刻写布拉格光栅制作折射率传感器，获得折射率灵敏度为165nm/RIU；R.Ahmad等研究者，在硫化物光纤上，采用633nm以及1550nm激光器刻写出了MFBG并实现了折射率灵敏度测量。

然而，上述基于微纳光纤光栅的折射率传感器，都没有考虑温度对微纳光纤光栅的影响。事实上，在折射率传感中，尤其是生物医学的传感应用中，温度往往是不容忽视的一个影响因素，其作用于微纳光纤光栅上所引起的交叉敏感性会导致测量精度和准确性的降低。而且，尤其在生物体测量中，往往折射率变化是很小的，而温度变化相对较大。因此，如何消除温度响应，实现真正的完全的折射率传感测量就显得尤为必要。

将微纳光纤光栅与普通光纤光栅串联定标，可以实现温度响应的消除，但是，引入多个光栅会引起结构上的复杂化，不适合实际应用的需要。

而一些基于F-P腔、倾斜光纤光栅、长周期光纤光栅以及光纤腐蚀方法等实现的温度不敏感的折射率测量器件，都不属于微纳光纤光栅的范畴。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤光栅折射率传感器，该传感器是在具有几何双折射特性的微纳光纤上写制而成的光纤光栅，可以排除温度交叉敏感性，在外环境折射率测量中的消除温度干扰，实现对外界环境折射率的绝对测量，结构紧凑，测量方法简单。

本发明的目的通过以下技术方案实现：本微纳光纤光栅折射率传感器，包括依次连接的宽带光源、光耦合元件和微纳光纤光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；所述宽带光源发出的光信号经光耦合元件后入射微纳光纤光栅，经微纳光纤光栅反射后再次经过光耦合元件入射光波长检测单元；所述微纳光纤光栅的透射反射谱线中的两个偏振态方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而温度敏感度相同。

所述微纳光纤光栅是制备在包层为矩形、类矩形或D型的具有纯几何双折射的微纳尺度的光纤上。

所述微纳光纤光栅是通过紫外曝光法、飞秒激光刻写法、聚焦离子束蚀刻法或红外曝光法制备。

采用两个偏振态方向布拉格反射峰之间的波长差对被测折射率进行编码。

所述微纳光纤的横截面尺度在10微米以下。

所述在宽带光源和光耦合器之间连接有光偏振控制器。

所述光耦合元件为3dB耦合器或光环形器。

所述的微纳光纤光栅折射率传感器通过对两个偏振态方向布拉格反射峰的波长差编码实现传感与解调。

本发明的几何双折射微纳光纤光栅在透射反射谱线上具有属于两个偏振态的布拉格反射峰，可以通过偏振控制器对反射功率进行调谐使之成为同一水平，便于观察与测量。两反射峰对温度具有相同的灵敏度，即在不同温度作用下，两反射峰的波长差恒定。而对外环境折射率的灵敏不同，短波长的反射峰具有更大的折射率灵敏度，即在外环境折射率升高时，两反射峰的波长差减小。因此，通过计算两反射峰的波长差，再由折射率传感定标，可以得到排除温度影响的折射率测量值。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用几何双折射微纳光纤进行光纤光栅刻写，制成外环境折射率传感器，实现折射率测量。相比其他微纳光纤光栅传感器，本发明通过测定两个主偏振方向布拉格反射峰波长差值的方法，可消除温度对光栅带来的影响，实现完全意义上的外环境折射率测量。

2、本发明基于微纳光纤光栅结构，相比于F-P腔，长周期光栅、腐蚀、倾斜光栅等方法实现温度不敏感折射率测量，具有更高的折射率传感灵敏度，解调方便，实现简单，结构小巧。

3、本发明采用几何双折射微纳光纤，双折射率可以通过不同光纤尺寸来调节，越细的纯几何双折射微纳光纤具有更高的双折射率，即可以对纯几何双折射微纳光纤光栅两反射峰初始的波长差进行设计。

4、本发明采用几何双折射微纳光纤光栅，波长差折射率敏感度也同样可以通过不同光纤尺寸来设定，越细的几何双折射微纳光纤所写制的光栅具有更高的波长差折射率灵敏度；此外，光栅反射强度可以接入偏振控制器进行调节，实现两峰的反射强度在同一量级，便于测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是几何双折射微纳光纤光栅的结构示意图；

图3是几何双折射微纳光纤光栅的特性原理图；

其中：1-几何双折射微纳光纤光栅；2-光纤横截面短边；3-光纤横截面长边；4-光纤纤芯；5-光纤光栅条纹；6-宽带光源；7-偏振控制器；8-3dB耦合器；9-待测溶液；10-波长检测单元；11-单模通信光纤。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明包括依次连接的宽带光源6、偏振控制器7、3dB耦合器8和几何双折射微纳光纤光栅1，以及与耦合器8连接的波长检测单元10；宽带光源6与偏振控制器7之间、偏振控制器7与耦合器8之间、耦合器8与几何双折射微纳光纤光栅1、耦合器8与波长检测单元10之间均通过单模通信光纤11连接。宽带光源6发出的光信号经偏振控制器7和耦合器8后入射几何双折射微纳光纤光栅1，将几何双折射微纳光纤光栅1作为传感头伸入待测溶液9中，通过与耦合器8连接的波长检测单元10对几何双折射微纳光纤光栅1的谱线进行检测。

几何双折射微纳光纤光栅1在包层为矩形的几何双折射微纳光纤上制备而成，光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。具体是将光纤包层进行熔融拉锥加工得到：将几何双折射微纳光纤的外涂覆层除去，然后将光纤两端固定于光纤夹具之上，用高温热源对去掉外涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后，用光纤夹具对光纤进行左右拉伸，同时高温热源以预热区（即去掉外涂覆层的光纤区域）为中心左右往返移动，拉伸后的光纤分为两个部分，一个是直径渐变过渡区，另一个是微纳光纤区。高温热源为丁烷喷枪或二氧化碳激光器或高压电弧，产生高温为1000℃以上。拉锥前的矩形光纤不具有几何双折射特性，而拉锥后的微纳光纤横截面的最长边尺寸不高于10μm，具有相当量级的几何双折射特性，双折射率随光纤横截面尺寸的减小而增大。具有几何双折射微纳光纤光栅的两端尾纤与标准光纤熔接。

而微纳光纤光栅是采用折射率周期调制方法在几何双折射微纳光纤上刻写得出，刻写方法可选择紫外曝光、飞秒激光刻写、聚焦离子束蚀刻、红外曝光。刻写出来的微纳光纤光栅，在透射反射谱线上可以观测到属于两个偏振态方向布拉格反射峰；两峰之间的波长差与几何双折射微纳光纤的横截面尺寸有关，尺寸越小，波长差越大；横截面尺寸一定的几何双折射微纳光纤光栅，通过调整偏振控制器，可以将属于两个偏振态方向布拉格反射峰调节至同一反射功率水平，便于观察和测量。属于两个偏振态方向布拉格反射峰随着作用于微纳光纤光栅的温度的升高，都向长波长方向漂移，同时，在此过程中，两个反射峰的折射率温度敏感度相同，即两峰的波长差保持不变；属于两个偏振态方向布拉格反射峰随着外环境折射率的提高，也都向长波长方向漂移，然而，在此过程中，两个反射峰的折射率敏感度不同，短波长反射峰（快轴峰）具有更大的折射率敏感度，因此，即两峰的波长差随着外环境折射率的增大而减小。

如图2所示，几何双折射微纳光纤光栅1包括光纤纤芯4和光纤光栅条纹5，矩形光纤横截面的长边3与矩形光纤横截面的短边2的比例为1.5。当矩形光纤被拉锥至矩形光纤横截面的长边3为10微米以下时，矩形光纤呈现高几何双折射率特性。在此基础上进行光纤光栅加工，可在纤芯和周围一小部分区域内实现沿轴向周期性的折射率调制，形成光纤光栅条纹5。

如图3所示，矩形光纤横截面的短边2对应的轴为快轴，形成短波长反射峰，矩形光纤横截面的长边3对应的轴为慢轴，形成长波长反射峰。由于几何双折射微纳光纤光栅1的谱线中的两个偏振态布拉格反射峰的温度敏感度相同，都为12.01pm/℃,因此两个反射峰的波长差在外环境折射率不变情况下，只由初始的波长差决定。当矩形光纤横截面的长边3为4.8微米时，几何双折射微纳光纤光栅1的两个偏振态所形成的布拉格反射峰波长差可以达到1.87nm，可以计算出其几何双折射率可以达到1.7×10^-3。

而几何双折射微纳光纤光栅1的谱线中的两个偏振态布拉格反射峰的外环境折射率敏感度不同，快轴所对应的短波长峰具有更高的折射率灵敏度，以快轴、慢轴反射峰分别在折射率为1.36处，对应46nm/RIU以及39nm/RIU为例。因此，随着外环境折射率升高，两峰的波长差呈减小的态势。两峰波长差和折射率关系式为：

Ws=47.742×I-18.808×I²-29.62

其中，Ws为两峰波长差值,I为外环境折射率值；通过以上关系式可以测量得到排除温度影响的外环境折射率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：包括依次连接的宽带光源、光耦合元件和微纳光纤光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；所述宽带光源发出的光信号经光耦合元件后入射微纳光纤光栅，经微纳光纤光栅反射后再次经过光耦合元件入射光波长检测单元；所述微纳光纤光栅的两个偏振态方向布拉格反射峰的折射率敏感度不同而温度敏感度相同；

所述微纳光纤光栅是制备在包层为矩形、类矩形或D型的具有纯几何双折射的微纳尺度的光纤上。

2.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述微纳光纤光栅是通过紫外曝光法、飞秒激光刻写法、聚焦离子束蚀刻法或红外曝光法制备。

3.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：采用两个偏振态方向布拉格反射峰之间的波长差对被测折射率进行编码。

4.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：在宽带光源和光耦合元件之间连接有光偏振控制器。

5.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述微纳光纤的横截面尺度在10微米以下。

6.根据权利要求1所述的微纳光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述光耦合元件为3dB耦合器或光环形器。