CN102879357A

CN102879357A - 一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法

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Publication number: CN102879357A
Application number: CN2012103838223A
Authority: CN
Inventors: 刘颖刚; 乔学光; 贾振安; 傅海威; 车伏龙
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-01-16

Abstract

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，包括有一有机玻璃板，有机玻璃板与光纤布拉格光栅的两端固定相连，光纤布拉格光栅的中段为无包层的纤芯栅区，其制作方法的步骤为：1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱内，将温度控制在17℃～25℃内一恒定温度；2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸0.8ml～1.2ml，腐蚀时间为125～80分钟，腐蚀掉栅区的包层，使光栅的栅区纤芯直接裸露；3）将步骤2）腐蚀的光纤布拉格光栅连同有机玻璃取出，吸去残留的腐蚀液，清洗后再涂上浓度为40%的NaOH溶液浸泡10分钟，确保残余氢氟酸被完全中和，最后用去离子水清洗干净即可，具有结构简单、测量准确、信噪比高的特点。

Description

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法。

背景技术

折射率是常用的光学参数之一，物质的许多物理、化学参数与折射率有关，测量折射率在石油化工、环境监测、医学诊断等应用领域具有重要的研究意义。传统的测量折射率的方法有：最小偏向角法、阿贝折射仪临界角法、干涉法等，这些技术方法易受空间以及应用环境条件限制。随着光纤传感技术的发展，光纤传感器由于体积小、耐腐蚀、耐电磁干扰等特点，在科研、工业、环境、医疗、军事等领域的应用显示了突出的优势。

光纤传感技术与折射率测量方法的有机结合，诞生了基于长周期光纤光栅的折射率测量方法。虽然长周期光纤光栅( LPG)对周围介质折射率变化具有较高的灵敏度而且能够消除小空间、腐蚀和电磁干扰等应用环境条件限制，但存在多谐振峰和传输峰带宽大等问题，限制了折射率测量的准确性，降低了光纤光栅折射率传感器的复用能力，影响长周期光纤光栅折射率传感器的推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法，具有结构简单、不受空间以及应用环境条件限制，有较高灵敏度，具有结构简单、测量准确、信噪比高的特点。

为解决实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，包括有一有机玻璃板，有机玻璃板与光纤布拉格光栅的两端固定相连，光纤布拉格光栅的中段为无包层的纤芯栅区。

所述的光纤布拉格光栅采用普通光纤布拉格光栅。

所述的光纤布拉格光栅采用微纳光纤布拉格光栅。

所述的无包层的纤芯栅区的直径在1-8μm量级。

所述的机玻璃板与光纤布拉格光栅的两端采用石蜡固定连接。

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的制作方法，包括如下步骤：

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱内，将温度控制在17℃～25℃内一恒定温度；

2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸0.8～1.2ml，腐蚀时间为80～125分钟，腐蚀掉栅区的包层，使栅区纤芯直接裸露；

3）将步骤2）腐蚀的微纳光纤布拉格光栅连同有机玻璃取出，用吸管吸去残留的腐蚀液，用清水清洗后再涂上浓度为40%的NaOH溶液浸泡10分钟，确保残余氢氟酸被完全中和，最后用去离子水清洗干净即可。

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率检测装置，包括有折射率匹配液槽，折射率匹配液槽与可调温箱内的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的一端相连，微纳光纤布拉格光栅传感器的另一端在与光纤环形器相连，光纤环形器还分别与宽带光源和光谱分析仪相连。

宽带光源输出光经光纤环形器进入传感器探头，满足布拉格反射条件的光被反射再次通过光纤环形器，并由光纤环形器的另一端传输进入光谱分析仪进行探测分析，其中折射率匹配槽用于消除光纤端面反射，防止信号干扰提高传感信号的信噪比。

折射率传感器工作原理如下：

光纤Bragg光栅(FBG)是一种光纤芯区折射率受周期性调制的光纤波导。根据耦合模理论，其导模谐中心波长

Figure 2012103838223100002DEST_PATH_IMAGE001

与纤芯有效折射率

、光栅周期

Figure 2012103838223100002DEST_PATH_IMAGE003

满足关系。光栅周期和有效折射率的任何改变均可引起中心波长的改变，光纤光栅温度、应变以及压力等传感正是基于此原理而实现的。然而，普通的光纤布拉格光栅是刻写在光纤芯区的并不是直接暴露在环境中，因此导模有效折射率并不随外界环境折射率改变。但是当包层被腐蚀掉以后，刻有光栅的纤芯便暴露在具有一定折射率的环境中，一部分传输光就会以倏逝场的形式在纤芯外的介质中传输，当环境折射率发生变化时，就会影响纤芯中传输模的有效折射率，使微纳光纤光栅的布拉格波长发生飘移，根据波长与环境折射率变化关系即可实现对环境折射率的测量。

理论研究已表明，微纳光纤光栅直径尺寸越小，传输的倏逝场的比例就会越大，外界环境较小的折射率变化就会导致较大的导模折有效射率变化，使微纳光纤光栅谐振波长产生较大的飘移，因而能够实现较高灵敏度的折射率传感检测。有文献已经报道，当光栅直径为400nm时，其折射率灵敏度可以达到993nm/RIU。但随着直径的变小，微纳光纤光栅的机械强度就会变弱非常容易断裂，即要提高灵敏度就得以损失机械强度为代价。因而，在一定的测量灵敏度要求下，通过模型设计和优化总可以使其机械强度保持在最好状态，这也成为本发明要解决的的重点问题。

作为新一代微型化光纤传感技术发展的产物—微纳光纤布拉格光栅，是一种基于光波导光纤与传统光纤光栅相结合的新型光纤波导器件。它的直径在微米或纳米量级，结合了微纳光纤倏逝场光学传输特性和光纤光栅强波长选择的特性，其导模谐振波长受环境折射率变化的影响，因而可实现对环境折射率的传感检测。由于微纳光纤布拉格光栅谐振波长光谱带宽窄，能够增加测量的准确性和提高折射率传感器的复用能力，使折射率的测量更加方便灵活、响应快、灵敏度高、测量更准确可靠。

本发明的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，具有体积小、结构简单、适用于电磁干扰和腐蚀境和具有较高灵敏度的特点。

本发明利用微纳光纤倏逝场传输与光纤光栅强波长选择特性，提出的通过腐蚀普通光纤光栅，制作不同直径微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的方法，在保持一定机械强度的同时获得较高灵敏度，测试系统组建简单，测量快捷、准确而且灵敏度高。

附图说明

图1为传感单元-微纳光纤布拉格光栅元件结构原理图。

图2为微纳光纤布拉格光栅制作装置图。

图3为腐蚀过程中光纤光栅的反射光谱图。

图4微纳光纤布拉格光栅直径随腐蚀时间的变化关系曲线。

图5为8μm的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器谐振波长对折射率的响应关系曲线。

图6为2μm的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器谐振波长对折射率的响应关系曲线。

图7为1μm的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器谐振波长对折射率的响应关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于下面所述实施例。

实施例一

参见图1，一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，包括有一有机玻璃板10，有机玻璃板10与光纤布拉格光栅1的两端固定相连，光纤布拉格光栅1的中段为无包层的纤芯栅区4。

所述的光纤布拉格光栅1采用普通光纤布拉格光栅。

所述的光纤布拉格光栅1采用微纳光纤布拉格光栅。

所述的无包层的纤芯栅区4的直径在1-8μm量级。

所述的机玻璃板10与光纤布拉格光栅1的两端采用石蜡固定连接。

本发明所用微纳光纤布拉格光栅，是只有纤芯的光纤布拉格光栅，其直径为1-8μm量级，机械强度相对较好，包层是通过氢氟酸腐蚀掉的。

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱9内，将温度控制在25℃的恒温；

2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸1.2ml，腐蚀时间为80分钟，腐蚀掉栅区的包层，使栅区纤芯直接裸露；

当环境折射率变化时，会导致栅区4中传输的导模有效折射率发生变化，将起到调制布拉格反射波长作用，可实现折射率的传感测量。

参见图2，一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率检测装置，包括有折射率匹配液槽8，折射率匹配液槽8通过普通光纤与可调温箱9内的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的一端相连，微纳光纤布拉格光栅传感器的另一端通过普通光纤再与光纤环形器11相连，光纤环形器11还分别通过光纤与宽带光源6和光谱分析仪7相连。

光纤光栅左侧尾纤终端浸入匹配液槽8，目的是消除光纤的的断面反射以提高波长信号的信噪比；光纤环行器11的作用是限制光的传播方向的，普通光纤环行器有三端，分别标记有红、蓝和白三色，宽带光源6发出的光由红色端进入，从蓝色端输出进入光纤光栅，满足布拉格条件的光被反射经光纤环行器11从白色端进入光谱分析仪7，不满足布拉格条件的光通过光栅进入匹配液槽8被吸收几乎无反射。

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率的检测方法，其步骤是：

采用微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率检测装置将光纤拉直，在光纤光栅的栅区左右两侧固定石蜡，石蜡固定点内侧边沿间距为光纤光栅的栅区长度；

将固定有光栅的机玻璃板10水平放入可调温箱9中，然后在两石蜡点间滴上HF腐蚀液5为0.8～1.2ml，将可调温箱9温度调至20℃，用光谱分析仪7监测腐蚀过程中光纤光栅光谱的变化。

将光纤光栅在恒温下腐蚀119分钟以后，光谱分析仪7所测得光谱如图3所示，其光谱带宽已经展宽，与普通光纤光栅光谱相比3dB增加了0.02dBm，10dB带宽增加了0.05dBm，光谱形状明显不对称。

将腐蚀的光纤光栅连同有机玻璃板10从可调温箱9中取出，用塑料吸管吸去残留的HF腐蚀液5，用清水清洗数次，然后涂上浓度为40%的NaOH溶液浸泡10分钟，确保残余HF腐蚀液被完全中和，再次用去离子水清洗，确保光纤光栅表面无NaOH残留，晾干后在显微镜下测得该微纳光纤光栅直径为2.0μm。

实施例2

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在10cm×5cm×0.5cm的有机玻璃上，方向沿长边方向，并用石蜡固定，将其置于可调恒温箱9内，将温度控制在17℃的恒温；

2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸0.8ml，腐蚀时间为125分钟，腐蚀掉栅区的包层，使光栅的栅区纤芯直接裸露；

实施例3

在本实施例中，通过设定腐蚀时间分别为15、30、45、60、75、90、105、120分钟，在20℃的恒温条件下，对直径为125μm（普通未经过处理的光纤布拉格光栅的直径）的光纤光栅进行腐蚀，所用方法与步骤同实施例2。测得光纤光栅直径随时间的变化关系如图4所示，其腐蚀过程与时间基本成线性关系，线性度达到了99.5%，可得光纤直径的腐蚀速率为0.992μm/min。通过上述温度与腐蚀速率，可控制微纳光纤光栅的直径大小，制作所需折射率传感器。

实施例4

在本实施例中，选用包层直径为125μm的光纤光栅，按实施例2所示方法将其固定，采用实施例3所计算出的腐蚀速率，确定腐蚀时间为125分钟、117分钟，得到直径约为1μm、8μm的微纳光纤布拉格光栅。

实施例5

本实施例中，对直径为8μm的光纤布拉格光栅感器进行折射率传感特性测量。检测装置采用实施例一的检测装置进行检测，参见图2所示原理图。

微纳光纤布拉格光栅直径为8μm，其栅区周围涂覆标准折射率液，通过光谱分析仪7检测波长变化，在室温条件下得到波长随折射率变化关系如图5，随着折射率的增大，传感器中心波长向长波方向移动，并不成线性关系，而且波长变化范围较小，仅为1.38nm。当折射率比较小时，波长随折射率变化比较慢，随着折射率增大波长增加的越来越快。

实施例6

本实施例中，对直径为2μm的微纳光纤布拉格光栅感器进行折射传传感特性测量，使用测试装置和方法与实施例5完全相同，测得微纳光纤布拉格光栅折射率传感器谐振波长对折射率的响应关系曲线如图6。波长随折射率变化趋势同实施例5基本相同，但对应折射率值的波长变化增大，即折射率测量灵敏度在提高、折射率测量范围在增大，而且当液体折射率接近纤芯折射率时，波长随折射率的变化曲线趋于直线，此特性可应用于高灵敏度大折射率传感器的制作。

实施例7

本实施例中，根据实施例6所示结果：小直径微纳光纤光栅对折射率应具有更高的灵敏度和测量范围，对直径为1μm的微纳光纤布拉格光栅感器进行折射传感特性测量，使用测试装置和方法与实施例5、实施例6完全相同，测得微纳光纤布拉格光栅折射率传感器谐振波长对折射率的响应关系曲线如图7。波长随折射率变化的非线性关系明显改善，趋近于线性；对应折射率的波长变化显著增大，在1.3-1.44折射率测量范围内，传感器波长改变达到65.734nm，在折射率为1.40时，其折射率才测量灵敏度达到974.32nm/RIU。

根据上述原理、方法以及结果，还可制作出直径不同的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器。所述实施例仅用以说明本发明的技术实施方案而并非限制，基于实施例中所述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，都应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于，包括有一有机玻璃板（10），有机玻璃板（10）与光纤布拉格光栅（1）的两端固定相连，光纤布拉格光栅（1）的栅区部分为无包层的纤芯栅区（4）。

2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅1采用普通光纤布拉格光栅。

3.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于，所述的机玻璃板（10）与光纤布拉格光栅（1）的两端采用石蜡固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于，所述的无包层的纤芯栅区（4）的直径在1-8μm量级。

5.一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱（9）内，将温度控制在17℃～25℃内一恒定温度；

6.根据权利要求5所述的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱（9）内，将温度控制在25℃的恒温；

7.根据权利要求5所述的一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在10cm×5cm×0.5cm的有机玻璃上，方向沿长边方向，并用石蜡固定，将其置于可调恒温箱内，将温度控制在17℃的恒温；

2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸0.8ml，腐蚀时间为125分钟，腐蚀掉栅区的包层，使栅区纤芯直接裸露在空气中；

8.一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率检测装置，其特征在于，包括有折射率匹配液槽（8），折射率匹配液槽（8）与可调温箱（9）内的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的一端相连，微纳光纤布拉格光栅传感器的另一端在与光纤环形器（11）相连，光纤环形器（11）还分别与宽带光源（6）和光谱分析仪(7)相连。