CN104280364A - 一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器 - Google Patents

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倪凯
黄然
马启飞
吴雪英
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本发明提供了一种基于花生形结构(Peanut-Shape Structure)的马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)的折射率传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个花生形结构(2)、连接光纤(3)、第二个花生形结构(4)、出射光纤(5)组成；第一个花生形结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个花生形结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个花生形结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个花生形结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪；本发明灵敏度高、制作简单、成本低、结构微小，可以应用于各类实际工程中。

Description

一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器
技术领域
本发明提供了一种基于花生形结构(Peanut-Shape Structure)的马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)的折射率传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
马赫曾德干涉仪广泛应用于传感领域中。它是运用双光束干涉原理制作而成的。传统的马赫曾德干涉仪是由单色光激光器、两个耦合器，两根普通的单模光纤和光谱仪组成。由激光器发出的相干光，通过一个耦合器分别进入两根长度相同的单模光纤中，一根光纤被放到测试环境中作为传感器来感受某一物理量的变化，另一根光纤作为参考臂被固定好，然后通过另一个耦合器使得传感臂和参考臂中的不同光程差的两束光产生干涉，最后通过观测光谱仪中干涉信号的变化来监测被测物理量的变化。
由于传统的光纤马赫曾德干涉仪的干涉臂是由两根单模光纤组成的，并且要求两个干涉臂应固定在相应的物理环境下，除了需要测量的物理量外不应受到如温度、湿度等其他物理量的影响，同时该干涉仪中的两个干涉臂长度要完全相同，稍有不同就会影响该干涉仪的测量精度。因此传统的马赫曾德干涉仪制作困难，稳定性较差。为了解决以上这些问题，一类新型的全光纤马赫曾德干涉仪传感器被提出来，这种干涉仪的干涉臂只有一根光纤。这种全光纤的马赫曾德干涉仪具有灵敏度高、制作简单、成本低、结构微小等优点。
基于花生形结构马赫曾德干涉仪的折射率传感器中的花生形结构使得包层与纤芯中的光发生干涉。当使用该传感器对外界环境折射率进行测量时，每次改变折射率都会使干涉条纹发生漂移。这是由于包层模和纤芯模对折射率变化的响应程度不同，从而导致原来的光程差发生改变。在新的光程差下，干涉条纹就会有所改变。当折射率经过一系列的变化之后，就会在光谱仪上显现出一系列的干涉条纹。在干涉条纹的某些特征位置，比如干涉峰或干涉谷，就可以看到极值所位于的波长发生漂移。通过监测干涉光谱的漂移量可以实现折射率测量。通过将该传感器放在同一温度环境下，消除温度对测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器。该装置能够将待测折射率的变化量转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、成本低、结构微小、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，由入射光纤(1)、第一个花生形结构(2)、连接光纤(3)、第二个花生形结构(4)、出射光纤(5)组成；第一个花生形结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个花生形结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个花生形结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个花生形结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤的马赫曾德干涉仪。
所述的一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)均可采用G.652单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为25～35mm。
所述的一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，其特征在于：花生形结构(2)和(4)的光纤均可采用G.652单模光纤，长度为390～410um，花生形结构(2)和(4)的外层光纤直径为200um～230um。
本发明的工作原理是：当带宽光源发出的光经过入射光纤进入第一个花生形结构，包层模式被激发，一部分光将耦合进入包层，另一部分光将继续沿着纤芯传播，当到达第二个花生形结构时，在包层中传播的光将与在纤芯中传播的光发生干涉，最后经过传出光纤到达光谱仪。由于包层与纤芯中存在相位差Φ，马赫曾德干涉仪才可以用来测量外界的折射率。这里Φ可近似写成
其中Δneff是纤芯和包层中有效折射率差，L是两个花生形结构之间的干涉长度，λ为入射光波长。当使用该传感器对折射率进行测量时，每次改变外界折射率，由于包层模和纤芯模对折射率变化的响应程度不同，Δneff发生变化，从而改变了包层与纤芯之间的相位差Φ，干涉条纹发生漂移，通过监测干涉光谱波长漂移量可以还原待测信号。
本发明的有益效果是：该折射率传感器是基于两个级联花生形结构的马赫曾德干涉仪制作而成的。两个花生性结构参数基本相同。第一个花生形结构使得输入光信号一部分仍沿着纤芯传播，另一部分进入包层沿着包层传播；第二个花生形结构使得在包层中传播的光被耦合进入纤芯与纤芯中的光发生干涉。当改变传感器的外界折射率时，对应的干涉光谱将会漂移。该传感器采用全光纤的马赫曾德干涉仪，稳定更好，灵敏度更高。
附图说明
图1是本发明的基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器示意图；
图2是本发明的传感器在不同折射率下的干涉光谱变化实验图；
图3是本发明的折射率灵敏度曲线图；
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，由入射光纤(1)、第一个花生形结构(2)、连接光纤(3)、第二个花生形结构(4)、出射光纤(5)组成；第一个花生形结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个花生形结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个花生形结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个花生形结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪。花生形结构(2)和(4)的光纤均可采用G.652单模光纤，长度为402.6um，直径为229.8um。熔融在其中间的连接光纤(3)可采用G.652单模光纤，长度为30.2um，直径为125um。入射光纤(1)与出射光纤(5)均可采用G.652单模光纤，长度均为30cm。实验时将传感器的两端固定在平台上，在传感头的下端放置一个升降台，用于保存甘油溶液。通过替换升降台上不同折射率的甘油溶液来改变传感器的外界环境，图(2)为室温条件不同折射率下传感器的干涉光谱变化实验图。可见，当外界折射率从1.3334增加到1.4208时，传感器的干涉光谱向短波方向漂移。图3是本发明的折射率灵敏度曲线图，当折射率在1.3334～1.3606范围内，该传感器的灵敏度为50.3nm/RIU；当折射率在1.3606～1.4280范围内，该传感器的灵敏度为93.4nm/RIU。

Claims (3)

1.本发明提供了一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个花生形结构(2)、连接光纤(3)、第二个花生形结构(4)、出射光纤(5)组成；第一个花生形结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个花生形结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个花生形结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个花生形结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)均可采用G.652单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为25～35mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于花生形结构的马赫曾德干涉仪的折射率传感器，其特征在于：花生形结构(2)和(4)的光纤均可采用G.652单模光纤，长度为390～410um，花生形结构(2)和(4)的外层光纤直径为200um～230um。
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