CN103900994A - 基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计、制作方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感器技术领域，提供了一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计，包括依次顺序熔接的第一根单模光纤、细芯光纤和第二根单模光纤；所述细芯光纤的长度和所述第二根单模光纤的长度的比值符合一定数值范围。所述的基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计只需控制细芯光纤和第二根单模光纤的长度比值即可获得较好的干涉对比度，实现折射率的测量。该全光纤折射率计具有体积小、结构简单、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优点。

Description

基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计、制作方法及系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计、制作方法及系统。

背景技术

折射率是流体介质比如液体，气体等重要的物理参数。流体的折射率通常与浓度、成分、物质含量等相关参量有关，这些参量可以在折射率上得到反映。因此可以通过测量折射率的变化了解其物理和化学性质。折射率测量的方法很多，其中光纤折射率传感器的类型有光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、光纤表面等离子体共振、光纤马赫-曾德干涉仪、光纤法布里－珀罗干涉仪等。这些光纤传感器普遍存在测量灵敏度低、折射率测量区间小、结构复杂或成本高等问题。Wong等人提出了一种基于纤芯错位熔接和电弧放电致光纤末端形成圆弧面的迈克尔逊干涉仪，基于高阶模式干涉原理获得为1.24×10^-4RIU的折射率探测极限，但这种结构的干涉对比度只有6dB左右，并且测量范围较窄，由于采用电弧放电制作的圆弧端，圆弧度具有随机性。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计、制作方法及系统，旨在提出一种制备方法简单、探测灵敏度高和测量范围大的新型全光纤折射率计。

本发明是这样实现的，基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计，包括依次顺序熔接的第一根单模光纤、细芯光纤和第二根单模光纤；所述细芯光纤的长度和所述第二根单模光纤的长度的比值符合一定数值范围。

所述的全光纤折射率计，其中，所述细芯光纤的长度在1100μm-1900μm范围内。

所述的全光纤折射率计，其中，所述第二根单模光纤的长度在40μm-60μm范围内。

所述的全光纤折射率计，其中，所述细芯光纤替换为色散位移光纤或光子晶体光纤。

本发明还提供一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的制作方法，所述全光纤折射率计包括第一根单模光纤、细芯光纤和第二根单模光纤，包括以下步骤：

将第一根单模光纤的一端与细芯光纤的一端进行熔接，熔接点为JO₁；

将所述细芯光纤从熔接点JO₁起间隔长度为L1处切平细芯光纤，并与第二根单模光纤进行熔接，熔接点为JO₂，从熔接点JO₂起间隔长度为L₂处切平第二根单模光纤；其中，所述细芯光纤长度L₁与第二根单模光纤长度L₂比值符合一定的数值范围。

所述的全光纤折射率计的制作方法，其中，位于熔接点JQ₁与熔接点JQ₂之间的细芯光纤的长度L₁在1100μm-1900μm范围内。

所述的全光纤折射率计的制作方法，其中，所述第二根单模光纤的长度L₂在40μm-60μm范围内。

所述的全光纤折射率计的制作方法，其中，所述熔接点JQ₁和JQ₂利用商用熔接机设置熔接参数，所述熔接参数选用多模光纤熔接模式的默认参数。

所述的全光纤折射率计的制作方法，其中，所述熔接的细芯光纤替换为色散位移光纤或光子晶体光纤。

本发明还提供一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计系统，包括光源、光谱测量仪、耦合器和如上所述的任一全光纤折射率计，所述耦合器的第一输入端连接所述光源，所述耦合器的第二输入端连接所述光谱测量仪，所述耦合器的输出端连接所述全光纤折射率计的第一单模光纤，所述全光纤折射率计的第二单模光纤处的传感头浸没于待测液体中。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：通过控制细芯光纤和第二根单模光纤的长度就可以获得较好的干涉对比度，实现折射率的测量；所述的全光纤折射率计具有制备方法简易、结构简单、探测灵敏度高和测量范围大等优势。

附图说明

图1为基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的结构示意图；

图2为基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的原理示意图；

图3为全光纤折射率计在空气中测得的反射光谱图；

图4a为当外界环境折射率从1.0变化到1.46时反射谱的演变图；

图4b为当外界环境折射率从1.46变化到1.70时反射谱的演变图；

图5a为当外界环境折射率从1.0变化到1.46时，1430nm—1480nm范围内的反射谱的演变图；

图5b为当外界环境折射率从1.46变化到1.70时，1430nm—1480nm范围内的反射谱的演变图；

图5c为波长在1454nm处光强度随折射率变化的关系图；

图5d为波长在1454nm附近的波谷所对应的波长随折射率变化的关系图；

图6a为全光纤折射率计在不同温度环境中的光谱；

图6b为在1454nm附近波谷所对应的波长和强度随温度变化的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了基于普通单模光纤(SMF)-细芯光纤(TCF)-单模光纤(SMF)熔接的迈克尔逊干涉仪结构。基于该干涉结构的全光纤折射率计相比于其他类型的全光纤折射率计，具有体积小、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优点，在生化传感领域有着广泛的应用前景。

结合图1、图2所示，一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计，包括依次顺序熔接的第一根单模光纤101、细芯光纤102和第二根单模光纤103；细芯光纤102的长度和第二根单模光纤103的长度的比值符合一定数值范围。

当细芯光纤102的长度与第二根单模光纤103的长度比值为25～45倍范围内时，其实现的系统功能更佳，测得的光谱效果较好，干涉对比度较为理想。细芯光纤102的长度在1100μm-1900μm范围内，第二根单模光纤103的长度在40μm-60μm范围内，能更好地实现本发明的方案。优选的，所述细芯光纤102的长度为1736μm，所述第二单模光纤103的长度为58μm，可以得到较好的光谱效果。

具体地，全光纤折射率计在制作时可以用康宁公司生产的纤芯直径为8μm，包层直径为125μm的单模光纤(SMF-28)和Nufern公司生产的纤芯直径为4μm，包层直径为125μm的超高数值孔径单模光纤UHNA3(细芯光纤)，UHNA3光纤的成分组合使得UHNA3光纤和SMF-28光纤熔接时纤芯热扩束，从而保证UHNA3和低数值孔径传输光纤的低损耗熔接。熔接时只需要控制细芯光纤102与末端第二单模光纤103的长度就可以获得较好的干涉对比度，实现折射率测量。所述的全光纤折射率计结构简单，采用一小段SMF-28光纤替代现有技术中的圆弧末端，大大降低了其制作的随机性，整个全光纤折射率计的长度不超过2mm；通过结构参数优化，所述全光纤折射率计的折射率测量范围可增大到1.70，干涉条纹对比度可提高到24dB；并且全光纤折射率计工作在反射模式易于实用。

与上述实施例相结合，所述细芯光纤102可以替换为色散位移光纤或者光子晶体光纤。所述细芯光纤、色散位移光纤和光子晶体光纤的作用都是产生纤芯失配，激发包层模式。

一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的制作方法包括以下步骤：将第一单模光纤101的一端与细芯光纤102的一端进行熔接，得到熔接点JO₁，如图1所示；将所述细芯光纤102从熔接点JO₁起间隔长度为L₁处切断细芯光纤，并将切断处与第二根单模光纤103进行熔接，熔接点为JO₂，从熔接点JO₂起间隔长度为L₂处切断第二根单模光纤103。其中，细芯光纤102的长度L₁与第二根单模光纤103的长度L₂的比值符合一定的数值范围。所述的数据范围为细芯光纤102的长度L₁与第二根单模光纤103的长度L₂的比值约为25～45倍范围内。优选的，细芯光纤102的长度L₁在1100μm-1900μm范围内，第二根单模光纤103的长度L₂在40μm-60μm范围内。优选的，所述细芯光纤102的长度为1736μm，所述第二单模光纤103的长度为58μm。这仅仅是使得光谱效果较好的一组数值，但并不是唯一的长度数值。在熔接时可利用商用熔接机设置熔接参数，所述熔接参数选用多模光纤熔接模式的默认参数。所述的全光纤折射率计采用强度调制的方法来解调光谱。

具体地，在制作全光纤折射率计时，首先用光纤切割刀将单模光纤（SMF）和一段细芯光纤（TCF）端面切割平整后放入熔接机，选择多模光纤熔接模式的默认参数进行熔接。在光学显微镜下观察到的TCF与SMF的熔接点(JO₁)如图1所示。然后用切割刀从距离JO₁熔接点1736μm处切断TCF，再与一段SMF熔接，得到熔接点JO₂。从距离JO₂点58μm处切断SMF。整个折射率传感器长度不超过2mm，结构简单，成本较低。在空气中测得干涉条纹对比度约为24dB，因为这个结构测量的是反射光，与外界的信息交换主要发生在末端SMF端面，因此末端SMF的长度影响干涉条纹的对比度。在折射率响应的测试中，全光纤折射率计光谱强度的灵敏度在折射率为1.44和1.50时分别为-208.24dB/RIU和125.44dB/RIU。所述全光纤折射率计的温度响应为48pm/℃，全光纤折射率计的光谱强度几乎不随温度的变化而变化。因此可以通过解调光谱强度的变化来获得环境折射率的信息。

一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计系统，包括光源、光谱测量仪、耦合器和如上所述的任一全光纤折射率计，所述耦合器的第一输入端连接所述光源，所述耦合器的第二输入端连接所述光谱测量仪，所述耦合器的输出端连接所述全光纤折射率计的第一单模光纤，所述全光纤折射率计的第二单模光纤处的传感头浸没于待测液体中。在测试时，全光纤折射率计处于自由拉直的状态，把传感头浸没在需要测试的溶液中，通过光谱测量仪观察反射光谱的变化。当测量完一种折射率之后，需要将传感头浸泡在无水乙醇中清洗，然后将传感头置于空气中，待光谱恢复到初始状态后再继续测量下一种液体的折射率。

所述基于光纤迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的工作原理如图2所示，光经过SMF1与TCF交界面I时，纤芯基模一部分能量耦合进入包层中，形成包层模式，剩余的能量进入TCF纤芯继续向前传输，形成纤芯模式。到达TCF与SMF2交界面II时，进入尾端SMF继续传输，在末端面III处被反射回来。最后被反射的包层模式和纤芯模式形成迈克尔逊干涉，如图3所示。两相干光干涉的一般方程为式(1)：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}(L_1\mathrm{\Δ}{n}_1+L_2\mathrm{\Δ}{n}_2)}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(1\right)$

式中λ为输入光波长，L₁为TCF长度，Δn₁为TCF纤芯和包层有效折射率之差，L₂为末端SMF的长度，Δn₂为SMF等效折射率之差，I₁和I₂分别为两相干光光强。相干条件为式(2)：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{4\mathrm{\π}(L_1\mathrm{\Δ}{n}_1+L_2\mathrm{\Δ}{n}_2)}{\mathrm{\λ}}=(2m+1)\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中，m为干涉级次，λ_m为m所对应的谐振波长。经过数学变换得到相邻损耗峰的间距，即自由光谱范围为式(3)：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2(L_1\mathrm{\Δ}{n}_1+L_2\mathrm{\Δ}{n}_2)}---\left(3\right)$

在特定波长处，TCF和SMF长度的变化会影响自由光谱宽。

折射率测量从1.30-1.42和1.46-1.70，每隔0.04的变化，1.44-1.46范围内每隔0.01的变化。光谱变化如图4a、图4b所示，在空气中测得干涉谱最大对比度约为24dB。当折射率从1.0增加1.46时，强度逐步下降，下降幅度为43.27dB左右。随着折射率增加逐渐接近SiO₂折射率，传感头末端的反射率逐渐减小，泄露出光纤的能量增加，因此测得光谱强度呈下降趋势。在折射率n=1.46时，由于非常接近SiO₂的折射率，大部分能量透射出光纤损耗掉，迈克尔逊干涉现象消失。而在界面II和III处反射的模式能量可比，因此形成FP干涉，干涉谱如图4a中的n=1.46所示的曲线。当折射率从1.46增加到1.70时，干涉强度逐步增加，增加幅度为31dB。从n=1.50开始，折射率逐渐大于光纤的折射率，端面反射率增大，干涉谱呈上升趋势。在1450nm附近取出一个波谷如图5a、图5b所示，对波谷的强度和波长变化做二次曲线拟合如图5c、图5d所示。实验结果显示传感器对强度的灵敏度在折射率为1.44和1.50时分别为-208.24dB/RIU和125.44dB/RIU。波长灵敏度在折射率为1.44时约为-72.87nm/RIU。图6a、图6b显示了温度响应。实验结果显示传感器对温度的灵敏度约为48pm/℃，存在较大的交叉灵敏度(6.5×10^-4RIU/℃)，而强度几乎不随温度变化而变化。因此可以通过解调光谱强度的变化来获得环境折射率的信息从而克服交叉灵敏问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计，其特征在于，包括依次顺序熔接的第一根单模光纤、细芯光纤和第二根单模光纤；所述细芯光纤的长度和所述第二根单模光纤的长度的比值符合一定数值范围。

2.根据权利要求1所述的全光纤折射率计，其特征在于，所述细芯光纤的长度在1100μm-1900μm范围内。

3.根据权利要求1所述的全光纤折射率计，其特征在于，所述第二根单模光纤的长度在40μm-60μm范围内。

4.根据权利要求1所述的全光纤折射率计，其特征在于，所述细芯光纤可替换为色散位移光纤或光子晶体光纤。

5.一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计的制作方法，所述全光纤折射率计包括第一根单模光纤、细芯光纤和第二根单模光纤，其特征在于，包括以下步骤：

将第一根单模光纤的一端与细芯光纤的一端进行熔接，熔接点为JO₁；

将所述细芯光纤从熔接点JO₁起间隔长度为L1处切平细芯光纤，并与第二根单模光纤进行熔接，熔接点为JO₂，从熔接点JO₂起间隔长度为L₂处切平第二根单模光纤；其中，所述细芯光纤长度L₁与第二根单模光纤长度L₂比值符合一定的数值范围。

6.根据权利要求5所述的全光纤折射率计的制作方法，其特征在于，位于熔接点JQ₁与熔接点JQ₂之间的细芯光纤的长度L₁在1100μm-1900μm范围内。

7.根据权利要求5所述的全光纤折射率计的制作方法，其特征在于，所述第二根单模光纤的长度L₂在40μm-60μm范围内。

8.根据权利要求5所述的全光纤折射率计的制作方法，其特征在于，所述熔接点JQ₁和JQ₂的制作是利用商用熔接机设置熔接参数，所述熔接参数选用多模光纤熔接模式的默认参数。

9.根据权利要求5所述的全光纤折射率计的制作方法，其特征在于，所述熔接的细芯光纤可替换为色散位移光纤或光子晶体光纤。

10.一种基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计系统，其特征在于，包括光源、光谱测量仪、耦合器和权利要求1至4任一所述的全光纤折射率计，所述耦合器的第一输入端连接所述光源，所述耦合器的第二输入端连接所述光谱测量仪，所述耦合器的输出端连接所述全光纤折射率计的第一单模光纤，所述全光纤折射率计的第二单模光纤处的传感头浸没于待测液体中。

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