CN104864895B - 基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感检测技术领域，为实现对外界环境物质高精度、高灵敏度的传感测量，并突破现有的传感灵敏度。为此，本发明采取的技术方案是，基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器，包括模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换少模长周期光纤光栅，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化。本发明主要应用于涉及光纤传感检测。

Description

基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感检测技术领域。具体讲，涉及基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器。

背景技术

普通光纤布拉格光栅传感器(FBG)是通过外界物质参量(如温度、应力、振动等)对光纤光栅谐振波长的影响获得传感信息的一种波长调制型光纤传感器，现有的FBG传感器件对温度、应力、应变、振动的变化量都比较敏感，但是对包围在光纤光栅周围物质的折射率、酸碱度、浓度等变量却缺乏敏感性，因此，在生物、化学、环境等领域的应用受到限制。而长周期光纤光栅(LPFG)传感器则是通过纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合共振，使部分能量耦合到包层中传输，这些共振模在包层中传输并衰减形成透射谱中的多个衰减峰，当光栅周围的待测物质特性发生变化时，衰减峰的波长随之产生漂移。研究结果表明，对不同的物理参量，这些谐振峰的变化敏感度有所不同，因此可以实现高精度、多参量的传感检测。

目前国内外大部分长周期光纤光栅传感器都是在单模光纤中写入光栅，受光纤结构限制，芯模能量中用于传感信息的模式能量效率不高，因此传感器的敏感度较低。人们为了提高光纤光栅传感器的敏感度做过许多改进，如对光纤光栅的包层进行蚀刻减薄、采用高折射率的有机聚合物薄膜覆盖LPFG表面、采用纳米材料覆盖在LPFG表面等，这些方法各有所长，但都无法改变光纤结构对敏感度限制的本质。也有部分人开展少模光纤布拉格光栅(FM-FBG)传感器的研究，但由于结构设计简单，少模光纤光栅的制备工艺还不完善，耦合效率依然不高，传感灵敏度提高不明显。

发明内容

为克服技术的不足，实现对外界环境物质高精度、高灵敏度的传感测量，并突破现有的传感灵敏度。为此，本发明采取的技术方案是，基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的传感器，包括模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换少模长周期光纤光栅，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化。

基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法，将模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅FM-LPFG传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立折射率变化对波长变化量的关系，实现对外界待测物质的传感测量。

蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器的制作方法是，第一步：首先采用飞秒激光器将周期为Λ₂，范围在300～600μm之间，的长周期光纤光栅写入少模光纤中；

第二步：将少模光纤两端固定在匀速转动的两个旋转轴之间，使其刚好和HF酸溶液表面相接触，在液体表面张力的作用下使酸液裹覆在光纤包层上，旋转光纤使腐蚀掉落的SiO₂及时脱离光纤表面，均衡光纤的刻蚀速度，保证刻蚀后的光纤光栅包层厚度均匀一致，之后需要对包层腐蚀后的FM-LPFG做NaOH溶液处理，防止残留的HF酸进一步腐蚀包层；

第三步：采用外加磁场诱导Fe₃O₄/碳纳米纤维排列整齐，规则地沉积在蚀刻后的少模光纤光栅上。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

相比于现有的技术，本研究将从两个方面提高并突破现有的传感灵敏度。

(1)通过提高模式耦合效率来提高传感灵敏度：本发明设计了一个级联的少模长周期光纤光栅器件，先利用周期为Λ₁为430μm的FM-LPFG将入射光的能量从基模转换到LP02模上，器件的理论转换效率可以达到90％，LP02模的光进入周期为Λ₂、并进行了蚀刻和碳纳米纤维涂覆的传感器之后，其能量直接与包层模上形成共振耦合模，在传感器周围被测物质的影响下，共振耦合模的波长发生变化，直接反映在透射光谱中的衰减峰波长变化上。由于模式耦合和转换效率的提高，长周期光纤光栅的透射光谱衰减峰的峰值凹陷更深，对被测物质物理量的改变更加敏感，再加上两个光纤模块纤芯尺寸相同，避免了连接耦合损耗，也进一步提高了器件的传感灵敏度。

(2)通过对加入Fe₃O₄/碳纳米管复合纳米材料加以磁场诱导，使碳纳米纤维规则排布在光纤光栅表面，提高了传感器件对待测物质的吸附能力，从而进一步提高了传感器的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方法，下面将对实施方法中所需使用的附图作简单介绍：

图1为少模长周期光纤光栅传感器的制作流程示意图。

图中：

1-1少模长周期光纤光栅 1-2 HF酸腐蚀后做NaOH溶液处理的少模长周期光纤光栅 1-3覆盖碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅

图2为化学湿法腐蚀少模长周期光纤光栅包层装置示意图。

图中：

2-1腐蚀槽2-2旋转轴

2-3少模长周期光纤光栅2-4HF酸腐蚀液

图3是集成化的高灵敏级联少模长周期光纤光栅传感器示意图。

图中：

3-1少模长周期光纤光栅模式转换器 3-2按图1流程制作的少模长周期光纤光栅传感器。

图1中FM-LPFG为少模长周期光纤光栅

NaOH treated Etched FM-LPFG为氢氧化钠溶液处理后的蚀刻少模长周期光纤光栅

Nanofiber coated Etched FM-LPFG为纳米纤维覆盖的蚀刻少模长周期光纤光栅

Carbon-nanofiber为碳纳米纤维

Bio-molecules为生物分子

-OH为氢氧根离子

图2中HF为氢氟酸

图3中LP01和LP02为线偏振模

Carbonnanofiber为碳纳米纤维，简写为CN

CN-coated FM-LPFG为碳纳米纤维覆盖的少模长周期光纤光栅

Λ₁为3-1部分的光栅周期，数值为430μm

Λ₂为3-2部分的光栅周期，范围在300～600μm

具体实施方式

本发明首次提出基于少模长周期光纤光栅的敏感度增强技术和器件设计，从原理上突破光纤光栅敏感度限制，实现高灵敏的光纤传感检测。首先，在少模光纤中写入长周期光纤光栅，然后对其包层进行化学蚀刻减薄，最后用磁场诱导Fe₃O₄/碳纳米管复合纳米材料，使其规则排布并沉积在光纤光栅表面，可以极大地提高器件对被测物质的吸附和传感能力；其次，首次提出级联的长周期少模光纤光栅器件设计，即在传感模块之前级联一个用于模式转换少模长周期光纤光栅模块，可以提高纤芯导模与包层模之间的耦合效率，突破现有的传感灵敏度的限制。

为了实现对外界环境物质高精度、高灵敏度的传感测量，并突破现有的传感灵敏度。本发明采用的装置包括模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器两个模块，并将两部分级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过传感模块，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立折射率变化对波长变化量的关系，就可以实现对外界待测物质的高精度、高灵敏度传感测量。

相比于现有的技术，本研究将从两个方面提高并突破现有的传感灵敏度。

(1)通过提高模式耦合效率来提高传感灵敏度。模拟计算的结果表明，少模光纤纤芯中的高阶模LP02模与包层中的低阶模(LP0m)(m＝3～1000)模具有较高耦合系数，比基模(LP01)模高20％左右，因此本发明设计了一个级联的长周期光纤光栅器件，先利用周期为Λ₁的LPFG将入射光的能量从基模转换到LP02模上，器件的理论转换效率可以达到90％，LP02模的光进入周期为Λ₂、并进行了蚀刻和碳纳米纤维涂覆的传感器之后，其能量直接与包层模上形成共振耦合模，在传感器周围被测物质的影响下，共振耦合模的波长发生变化，直接反映在透射光谱中的衰减峰波长变化上。由于模式耦合和转换效率的提高，长周期光纤光栅的透射光谱衰减峰的峰值凹陷更深，对被测物质物理量的改变更加敏感，再加上两个光纤模块纤芯尺寸相同，避免了连接耦合损耗，也进一步提高了器件的传感灵敏度。

(2)通过对加入Fe₃O₄/碳纳米管复合纳米材料加以磁场诱导，使碳纳米纤维规则排布在光纤光栅表面，提高了传感器件对待测物质的吸附能力，从而进一步提高了传感器的灵敏度。

本发明首次在少模光纤中写入长周期光纤光栅，对其进行蚀刻减薄，涂覆能控制排布序列的碳纳米纤维材料，并首次在传感模块前级联一个少模长周期光纤光栅的模式转换器，实现对待测物质的高精度、高灵敏度传感测量。

长周期少模光纤光栅的制备，重点是采用外加磁场诱导碳纳米纤维规则排布沉积于蚀刻后的光纤光栅表面；

级联的少模长周期光纤光栅传感器。

下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。

附图1是对少模长周期光纤光栅蚀刻、涂覆碳纳米纤维的一个简易流程图。

第一步：首先采用飞秒激光器将周期为Λ₂的长周期光纤光栅写入少模光纤中；

第二步：然后如图2所示，在腐蚀槽内倒入HF酸腐蚀液，将光纤两端固定在匀速转动的两个旋转轴之间，使其刚好和HF酸溶液表面相接触，在液体表面张力的作用下使酸液裹覆在光纤包层上，旋转光纤使腐蚀掉落的SiO₂及时脱离光纤表面，均衡光纤的刻蚀速度，保证刻蚀后的光纤光栅包层厚度均匀一致，提高传感的灵敏度。之后需要对包层腐蚀后的FM-LPFG做NaOH溶液处理，防止残留的HF酸进一步腐蚀包层。

第三步：采用外加磁场诱导Fe₃O₄/碳纳米纤维排列整齐，规则地沉积在蚀刻后的少模光纤光栅上，此方法可以增大碳纳米材料的比表面积(surfacetovolume ratio)，从而提高传感器件对待测物质的吸附系数，进一步提高传感灵敏度。

附图3是本发明设计的一个集成化的高灵敏级联少模长周期光纤光栅传感器，由用于模式转换的少模长周期光纤光栅(FM-LPFG)和用于传感的碳纳米纤维覆盖的少模长周期光纤光栅(CN-coated FM-LPFG)传感器两个模块组成，其中模式转换模块是一个在纤芯写入光栅周期为430μm的少模光纤，其结构为，中心是直径为19.0μm的纤芯，外面是直径为125μm的包层，纤芯中允许有LP01、LP11、LP21、LP02四个线偏振光场模式传输，包层中则允许几百个更高阶的光场模式传输。在模式转换模块中，由于长周期光栅Λ₁的存在，可以获得LP01与LP02两个纤芯模式的相位匹配，从而将入射光中LP01基模的能量转移到LP02高阶模上；传感模块用与转换模块相同的少模光纤制成，不同的是在纤芯写入的光栅周期为Λ₂，其包层经化学腐蚀减薄后，又规则地、取向一致地涂覆了一层碳纳米纤维，这个模块的功能是使入射进来的LP02模与包层中的向前传输的低阶模式实现耦合共振，并且在向前传输过程中逐渐演变和衰减，外界待测物质的折射率变化会影响其有效折射率和共振波长，由此可感知和检测外界物质折射率的变化。

两个模块工作的物理机制都是光纤波导中模式的转化与耦合原理，首先将入射光输入到周期为Λ₁为430μm的少模长周期光纤光栅中，使基模LP01的能量转移到高阶模LP02上，然后通过周期为Λ₂、经过了蚀刻减薄并覆盖碳纳米材料的少模长周期光纤光栅，使LP02模与包层中传输的低阶模式满足相位匹配条件实现耦合共振，当周围的待测物质的折射率变化时，光纤包层模中的最低阶模逐渐全部被吸收到上面的覆盖层中，它的有效折射率变得接近于表面覆盖层，留下包层模式的有效折射率分布的一个空白，同时，所有高阶包层模式的有效折射率移动以恢复原来的有效折射率分布，这种移动通过长周期光纤光栅透射谱的每一个谐振波长的衰减带向更低阶移动的相位匹配条件反映出来，即随着外界折射率的变化，透射谱的谐振波长会发生漂移，进而解调出待测物质的折射率变化与波长漂移的对应关系，实现对外界物质的高精度、高灵敏度的传感测量。

Claims (3)

1.一种基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的传感器，其特征是，包括模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换少模长周期光纤光栅，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化。

2.一种基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法，其特征是，基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法，将模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器级联在一起，入射光输入到模式转换少模长周期光纤光栅，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立折射率变化对波长变化量的关系，实现对外界待测物质的传感测量。

3.如权利要求2所述的基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法，其特征是，蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器的制作方法是，第一步：首先采用飞秒激光器将周期为Λ₂，范围在300～600μm之间，的长周期光纤光栅写入少模光纤中；

第二步：将少模光纤两端固定在匀速转动的两个旋转轴之间，使其刚好和HF酸溶液表面相接触，在液体表面张力的作用下使酸液裹覆在光纤包层上，旋转光纤使腐蚀掉落的SiO₂及时脱离光纤表面，均衡光纤的刻蚀速度，保证刻蚀后的光纤光栅包层厚度均匀一致，之后需要对包层腐蚀后的少模长周期光纤光栅做NaOH溶液处理，防止残留的HF酸进一步腐蚀包层；

第三步：采用外加磁场诱导Fe₃O₄/碳纳米纤维排列整齐，规则地沉积在蚀刻后的少模长周期光纤光栅上。