CN103196870A - 一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器，包括激光光源、环行器、光谱仪、一段带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤；所述的激光光源连接环行器第一端口，带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤接入环行器第二端口，光谱仪接入环行器第三端口。普通光纤由于高频CO₂激光的刻蚀在光纤包层形成一个槽口，在环行器传输到光纤的光经过槽口时部分进入到光纤包层中，然后经过高反射面的反射回来，再次经过槽口时，包层中的光再耦合到光纤纤芯中。包层与纤芯中的折射率差，使得光形成一定的相位差，从而发生干涉。当外界折射率发生变化，干涉峰波长的偏移，通过检测干涉峰的偏移，便可实现对外界环境如折射率的测量。

Description

一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤元件领域，具体涉及一种可用于光纤传感领域的Michelson模场干涉折射率传感器。

背景技术

折射率在物理生物、化学等学科领域是一个很重要的参数，对其精确测量在化工、医药、食品等相关部门有重要意义和用途。因此，许多的测量折射率的方法应运而生。传统的测量有掠入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法，还有宽带吸收光谱法、滴定法和荧光淬火等测量方法，但是这些方法中大多数只局限于可见光范围而且都是取样的方法，不能进行实时的监控，随后，光声、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术相继出现，并且现在很多折射率传感器一般都采用光子晶体光纤光栅，但是这些方法价格昂贵并且不易操作。

发明内容

本发明目的是克服以上的折射率的传感器的不足，提供一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器，能够实现对周围环境折射率的检测。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器，包括激光光源、环行器、光谱仪、一段带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤和连接用单模光纤；所述的激光光源通过连接用单模光纤连接到环行器的一个端口，带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤接入环行器的下一个端口，光谱仪接入环行器剩下的另一个端口；所述的带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤中的槽口的底部接近光纤纤芯，但不与光纤纤芯接触，且所述单模光纤的另一个端面镀以高反射率膜；所述槽口离端面高反射率膜的距离为2.5mm-20mm。

本发明制作的Michelson干涉仪传感器的工作原理：

由于普通光纤通过高频CO₂激光刻蚀在光纤包层中产生槽口，通过环行器传输到光纤的光经过槽口时部分进入到光纤包层中，然后经过高反射率膜反射回来，再次经过槽口时，包层中的光再次耦合到光纤纤芯中。包层与纤芯中的折射率差，使得光形成一定的相位差，从而发生干涉，最后经环行器进入光谱仪，并在光谱仪上观察两束光的干涉状态。

对于相位差的变化为：

${\mathrm{\φ}}^m=2L\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·[n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},i}(\mathrm{\λ},n_{\mathrm{ext}})]=\frac{4\mathrm{\πL\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}$

其中 ${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}=n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},i}$

其中λ是入射波长，L是槽口到反射膜端面的距离，

是纤芯的折射率，是光纤包层的有效折射率，

受到外界环境折射率的变化影响，φ^m是相位差。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法具有制作工艺简单，成本低，集成度高，可操作性强等优点，还可以广泛应用于传感器和光纤通信领域。

将本发明Michelson干涉仪用作传感器时，外界环境如折射率的改变，将导致干涉仪条件的改变，从而引起干涉峰波长的偏移，通过检测干涉峰波长的偏移，便可实现对外界环境如折射率的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中光纤Michelson干涉仪整体结构及原理示意图；

图3是本发明中所使用的环行器的结构示意图。

图中：1.激光光源，2.光谱仪，3.环行器，4.一段带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的光纤，5.光纤包层，6.光纤纤芯，7.用高频CO₂激光刻蚀的槽口，8.镀有高反射率膜的光纤端面，9.环行器第一端口，10.环行器第二端口，11.环行器第三端口。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本发明提供的基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器，包括激光光源1、光谱仪2、环行器3、一段带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口7的单模光纤4。激光光源1通过连接用单模光纤与环行器3的第一端口9相连，带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口的单模光纤4接入环行器沿顺时针方向的下一个端口，即单模光纤4与环行器3的第二端口10相连，光谱仪2通过连接用普通单模光纤与环行器3剩下的另一个端口即第三端口11连接，见图1和图3。

所述的带有用高频CO₂激光刻蚀的槽口7的单模光纤4中的槽口的底部接近光纤纤芯6，但不与光纤纤芯接触，且所述单模光纤的另一个端面8镀以高反射率膜。所述槽口离端面8高反射率膜的距离为2.5mm-20mm，见图2。

在环行器3传输到光纤的光经过槽口7时，由于高频CO₂激光刻蚀光纤4，光纤包层5发生改变，部分光进入到光纤包层5中，然后经过高反射率膜的光纤端面8反射回来，再次经过槽口7时，光纤包层5中的光再耦合到光纤纤芯6中。光纤包层5与光纤纤芯6中的折射率差，使得光形成一定的相位差，从而发生干涉。最后进入光谱仪2，在光谱仪2上可以观察两束光的干涉状态。

具体应用实例

取一根单模光纤，用高频CO₂激光刻蚀光纤包层5，使其被烧蚀，槽口7的大小形状可以通过计算机控制。并且保证槽口7接近光纤纤芯6，但不与光纤纤芯6接触。在本发明中，这一节常规的单模光纤（康宁公司的SMF-28）的直径是8.2μm。槽口7的宽度是由显微镜估计约10μm和深度大约是56μm。并且在该光纤的另一个端面上镀上高反射膜面8，本发明中，槽口7与高反射率膜面距离8为5mm，具体连接参见以上实施例部分。

将以上实施例中制作的基于单模光纤的Michelson干涉仪传感器应用于检测外界环境折射率的变化，其原理是外界环境折射率的变化会引起光纤包层5有效折射率的变化，而光纤纤芯6的有效折射率不会发生变化。这将引起干涉条件的改变，从而引起最大损耗峰波长的偏移。通过检测最大损耗峰波长的偏移，便可以实现折射率变化的测量。

测试过程中，将干涉仪固定在支撑架以保证伸直，测量液体折射率时，测试完成后清洗干净并吹干，这样尽可能的减小弯曲和残余液带来对测试的影响。

Claims (4)

1.一种基于单模光纤的Michelson模场干涉折射率传感器，其特征在于：包括激光光源、环行器、光谱仪、一段带有用CO₂激光照射出的槽口的单模光纤和连接用单模光纤；所述的激光光源通过连接用单模光纤连接到环行器的一个端口，带有用CO₂激光照射出的槽口的单模光纤接入环行器的下一个端口，光谱仪接入环行器的剩下另一个端口。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的带有用CO₂激光照射出的槽口的单模光纤中的槽口的底部接近光纤纤芯，但不与光纤纤芯接触。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述的带有用CO₂激光照射出的槽口的单模光纤的另一个端面镀以高反射率膜。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述槽口离端面高反射率膜的距离为2.5mm-20mm。

Images