CN105044030B - 光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法，包括光源、光纤传感器探针、光纤耦合器/环形器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集及处理模块；光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤，光源通过光纤耦合器/环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤一端连接，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器/环形器与第二光电探测器输入端连接，D型光纤的一端通过单模光纤连接第一光电探测器的输入端，刻有倾斜光纤光栅的光纤和光纤耦合器/环形器连接的一端与D型光纤和第一光电探测器连接的一端在同一侧；第一光电探测器和第二光电探测器分别连接数据采集及处理模块。具有折射率测量精度更高的优点。

Description

光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种折射率传感器设计领域，特别涉及一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法。

背景技术

折射率是液体重要的物理参数，折射率的测量在环境监测、食品、化学等领域中是十分重要的。液体的折射率通常与其浓度、成分、物质含量等参量相关，因此可以通过测量折射率的变化掌握其物理和化学性质。倾斜光纤光栅是一种新型的光纤传感器件，由于光栅倾角的引入，使得前向传输的纤芯模有效激发出后向传输的包层模，这些包层模具有不同的有效折射率，对环境折射率变化非常敏感，可实现高灵敏度折射率测量。与此同时，由于纤芯模对环境折射率不敏感，可提供稳定独立的环境温度变化信息，实现折射率测量过程中温变自校准功能。然而已报到的基于光纤光栅的折射率测量器件大多数是通过自身透射谱进行波长解调，这些方法不但操作复杂(透射谱工作方式)，而且需要昂贵的解调仪器(波长解调方式)。上述问题不仅提高了系统成本，而且不易实现系统小型化和集成化。

为了实现测量处理过程更加方便(尤其是对分析剂量为微升或亚微升的生物医学试剂)，探针式的折射率传感器是非常好的选择，这就要求倾斜光纤光栅必须基于反射谱解调。为实现反射式测量，已报道的各类光纤传感探针均基于光纤内部结构的改造，总体思路是通过引入包层-纤芯后向耦合结构，使倾斜光纤光栅激发的包层模再次后向耦合进入光纤纤芯。这些方法包括：基于倾斜光纤光栅的错位熔接方法、纤芯直径不匹配法、长周期光栅与双包层光纤耦合法等。然而这些基于光纤内部结构改造的探针式折射率测量方法耦合到的包层模光谱相对较窄，这限制了折射率的测量范围，尤其是对于低折射率(接近1.33)的生物医学试剂的测量，其灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量精度更高的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，能够同时实现温度的测量，并且可以消除折射率和温度的交叉敏感问题。

本发明的另一目的在于，提供一种上述折射率计的检测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计，包括光源、光纤传感器探针以及光纤耦合器/环形器，还包括第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集及处理模块；

所述光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤，光源通过光纤耦合器/环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤连接，光源发射的光通过光纤耦合器/环形器入射到倾斜光纤光栅，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器/环形器与第二光电探测器输入端连接，光源入射到倾斜光纤光栅中被反射的光通过光纤耦合器/环形器传输给第二光电探测器；D型光纤通过单模光纤连接第一光电探测器的输入端，其中刻有倾斜光纤光栅的光纤和光纤耦合器/环形器连接的一端与D型光纤和第一光电探测器连接的一端在同一侧；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接数据采集及处理模块。

优选的，所述刻有倾斜光纤光栅的光纤与光纤耦合器/环形器连接的一端以及D型光纤与第一光电探测器连接的一端均封装于毛细管内，另一端均外露用于检测。

更进一步的，D型光纤通过其侧平面紧贴刻有倾斜光纤光栅的光纤，D型光纤封装于毛细管内的一端与单模光纤熔接，通过单模光纤连接第一光电探测器，另一端端点处通过紫外固化胶与刻有倾斜光纤光栅的光纤平行固定。

优选的，所述倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm；所述D型光纤为双包层结构，长度为20mm，包层直径约为114μm。

优选的，所述光源输出光谱为1480至1580nm，所述光源输出光谱的范围与倾斜光纤光栅包层模光谱匹配。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现，包括如下步骤：

S1、光纤传感探针插入微量生物溶液中，使光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤耦合区完全浸于待测生物溶液中；

S2、光源输出入射光，入射光经过光纤耦合器/环形器后进入到光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤，入射光经过倾斜光纤光栅后，包层模通过倏逝场反向耦合至D型光纤，纤芯模被倾斜光纤光栅直接沿着纤芯原路反射回去；

S3、耦合到D型光纤的倏逝场光信号输入到第一光电探测器中，刻有倾斜光纤光栅的光纤自身纤芯反射回去的光信号经光纤耦合器/环形器后输入到第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的光信号转换成电信号；

S4、数据采集与处理模块分别从第一光电探测器和第二光电探测器中读取电信号，根据第一光电探测器中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的折射率，根据第二光电探测器中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的温度变化信息。

优选的，所述步骤S2中，入射光经过倾斜光纤光栅后，通过倏逝场反向耦合至D型光纤的包层模光谱宽度大于等于30nm，信噪比大于等于30dB。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明以刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤耦合结构作为传感单元，光源发送的入射光进入刻有倾斜光纤光栅的光纤，入射光经过倾斜光纤光栅后，在光纤包层里产生向后传输的包层模，这些包层模通过倏逝场耦合到D型光纤，然后采用第一光电探测器将通过倏逝场反向耦合到D型光纤的光信号转换成电信号，并且获取到电信号的强度，数据采集及处理模块根据电信号的强度得到生物溶液的折射率。本发明基于纤间倏逝场耦合的方式，获得了更宽的高阶包层模光谱，从而使该发明更适合低折射率(折射率在1.33附近)的生物溶液的测量，提高折射率测量精度的同时也扩大了折射率的测量范围。

(2)本发明折射率计能够实现折射率和温度信息的同时测量，通过测量反向耦合到D型光纤的纤间倏逝场信号能量强度实现折射率测量，同时通过测量倾斜光纤光栅反射的纤芯模信号能量实现温度测量。由于纤芯模对环境折射率不敏感，因此本发明的折射率计可以消除折射率和温度的交叉敏感问题。

(3)本发明折射率计采用光强度解调方式，通过两个光电探测器分别获取倾斜光纤光栅反射的纤芯模光信号和反向耦合到D型光纤的纤间倏逝场光信号，并且转换成电信号，然后通过数据采集及处理模块获取到电信号强度，因此本发明不需要光纤滤波器件，与其它波长解调方案相比，本发明大大降低了解调成本和器件体积，利于测量系统的小型化与集成化。

(4)本发明折射率计为探针式测量方式，传感探头尺寸小，适合于微量生物溶液检测。

(5)本发明折射率计与传统电类传感器相比，采用光纤技术，具有不受电磁干扰、耐腐蚀性强等优点，并且不存在电火花等安全隐患。

附图说明

图1是本发明折射率计的组成结构框图。

图2是本发明折射率计中光纤传感器探针示意图。

图3是本发明折射率计中光纤传感器探针工作原理图。

图4是本发明光纤传感器探针置于空气中时，得到的倾斜光纤光栅输出的透射谱图和从刻有倾斜光纤光栅的光纤包层模耦合到D型光纤6的反向耦合谱图。

图5a是本发明不同折射率和反向耦合至D型光纤6的能量强度关系图。

图5b是本发明不同折射率下的反向耦合至D型光纤6的反向耦合光谱图。

图6a是本发明不同折射率与倾斜光纤光栅反射的纤芯模能量强度关系图。

图6b是本发明不同折射率下的纤芯模光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计，包括光源1、光纤传感器探针、光纤环形器2、第一光电探测器8、第二光电探测器9和数据采集及处理模块10；其中光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤4和D型光纤6，光源1通过光纤环形器2与刻有倾斜光纤光栅的光纤4连接，光源1发射的光通过光纤环形器2入射到倾斜光纤光栅，刻有倾斜光纤光栅的光纤4通过光纤环形器2与第二光电探测9器输入端连接，光源1入射到倾斜光纤光栅中被反射的光通过光纤环形器2传输给第二光电探测器9，即光纤环形器2的输入端连接光源1，输出端连接刻有倾斜光纤光栅的光纤4，返回端连接第二光电探测器9；D型光纤6的一端通过单模光纤7连接第一光电探测器8的输入端，其中刻有倾斜光纤光栅的光纤4和光纤环形器2连接的一端与D型光纤6和第一光电探测器8连接的一端在同一侧；第一光电探测器8和第二光电探测器9的输出端分别连接数据采集及处理模块10。

本实施例刻有倾斜光纤光栅的光纤6与光纤环形器2连接的一端以及D型光纤6与第一光电探测器8连接的一端均封装于毛细管3内，通过毛细管3对刻有倾斜光纤光栅的光纤4和D型光纤6进行固定，另一端均外漏用于插入到生物溶液中进行检测。

如图2所示，本实施例D型光纤6通过其侧平面紧贴刻有倾斜光纤光栅的光纤4，D型光纤6封装于毛细管3内的一端与单模光纤7熔接，通过单模光纤7连接第一光电探测器8，另一端端点处通过紫外固化胶5与刻有倾斜光纤光栅的光纤4平行固定。

本实施例中倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm，能够激发数几十个包层模，包层模光谱程梳状分立。本实施例D型光纤为双包层结构，长度为20mm，包层直径约为114μm。

本实施例中光源输出光谱为1480至1580nm，光源输出光谱的范围与倾斜光纤光栅包层模光谱匹配。

本实施例中光纤环形器也可以用光纤耦合器代替，光源通过光纤耦合器与刻有倾斜光纤光栅的光纤一端连接，光源发射的光通过光纤耦合器入射到倾斜光纤光栅，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器与第二光电探测器输入端连接，光源入射到倾斜光纤光栅中被反射的光通过光纤耦合器传输给第二光电探测器。

本实施例中，D型光纤6侧平面紧贴着刻有倾斜光纤光栅的光纤4，如图3所示，本实施例中光源发射的入射光经过倾斜光纤光栅后，D型光纤6通过倏逝场将倾斜光纤光栅向后激发的包层模耦合到D型光纤的纤芯中传输，并且通过与D型光纤连接的单模光纤传输至第一光电探测器8中。在空气中，从倾斜光纤光栅耦合到D型光纤6的包层模光谱宽度达30nm，信噪比达30dB。由于耦合到大于30nm宽的高阶包层模使得本实施例可测有效折射率低到1.33，能够与待测生物溶液折射率匹配，进而增强探测灵敏度。另外本实施例中光源1发射的入射光经过倾斜光纤光栅后，还有一部分经过倾斜光纤光栅反射的纤芯模直接沿着纤芯原路反射回去，反射回去的光通过光纤环形器2的返回端输出到第二光电探测器9中，本实施例第一光电探测器8和第二光电探测器9分别将接收到的光信号转换成电信号，数据采集与处理模块10分别从第一光电探测器8和第二光电探测器9中读取电信号，根据第一光电探测器8中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的折射率，根据第二光电探测器9中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的温度变化信息。

本实施例还公开了上述光纤纤间倏逝场耦合折射率计的检测方法，包括如下步骤：

S1、光纤传感探针插入微量生物溶液中，使光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤4和D型光纤6耦合区完全浸于待测生物溶液中。

S2、光源1输出入射光，入射光经过光纤环形器2后进入到光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤4，入射光经过倾斜光纤光栅后，如图3所示，一部分携带了溶液折射率信息的包层模通过倏逝场反向耦合至D型光纤6，另一部分包含温度信息的纤芯模被倾斜光纤光栅直接沿着纤芯原路反射回去。

S3、耦合到D型光纤的倏逝场光信号输入到第一光电探测器8中，刻有倾斜光纤光栅的光纤4自身纤芯反射回去的光信号经光纤环形器2输入到第二光电探测器9，第一光电探测器8和第二光电探测器9分别将接收到的光信号转换成电信号；

S4、数据采集与处理模块10分别从第一光电探测器8和第二光电探测器9中读取电信号，根据第一光电探测器8中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的折射率，根据第二光电探测器9中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的温度变化信息。

如图4所示为将光纤传感探针直接置于空气中时，得到的倾斜光纤光栅输出的透射谱和从刻有倾斜光纤光栅的光纤包层模耦合到D型光纤6的反向耦合谱。从图4可以看出，在空气中，从刻有倾斜光纤光栅的光纤耦合到D型光纤6的包层模光谱即反向耦合谱宽度达30nm，信噪比达30dB。测量时，不同折射率下，从倾斜光纤光栅耦合到D型光纤6的包层模光谱和能量强度随之改变。

如图5a所示为生物溶液不同折射率和刻有倾斜光纤光栅的光纤4反向耦合至D型光纤6的能量强度关系，如图5b所示为生物溶液不同折射率下，刻有倾斜光纤光栅的光纤4反向耦合至D型光纤6的反向耦合光谱。因此可以根据刻有倾斜光纤光栅的光纤反向耦合至D型光纤6的能量强度得出被测溶液的折射率信息。本实施例光纤纤间倏逝场耦合折射率计的测量范围在1.33～1.45之间，最高灵敏度达到13634nW/RIU。本实施例光纤纤间倏逝场耦合折射率计以刻有倾斜光纤光栅的光纤4和D型光纤6耦合结构作为传感单元，把刻有倾斜光纤光栅的光纤包层模通过倏逝场再耦合到D型光纤里。与其它基于光纤内部结构改造的耦合结构不同，本实施例基于纤间倏逝场耦合的方法，获得了更宽的高阶包层模光谱，基于已报到的光纤内部结构改造的耦合结构只能获得低阶的包层模，而且通常只有几个纳米到十几个纳米，本实施例则获得了三十多纳米的高阶包层模光谱，从而使该本实施例折射率计更适合低折射率(折射率在1.33附近)的生物溶液的测量，提高折射率测量精度的同时也扩大了折射率的测量范围。

如图6a所示为生物溶液不同折射率与倾斜光纤光栅反射的纤芯模能量强度关系，如图6b所示为不同折射率下的纤芯模光谱，从图中可知纤芯模的光能量强度和光谱几乎没有变化，纤芯模对溶液折射率参数变化不敏感，因此纤芯模可作为温度变化或光源抖动的参考，从而消除环境温度变化带来的影响，克服折射率和温度的交叉敏感问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计，包括光源、光纤传感器探针以及光纤耦合器/环形器，其特征在于，还包括第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集及处理模块；

所述光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤，光源通过光纤耦合器/环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤连接，光源发射的光通过光纤耦合器/环形器入射到倾斜光纤光栅，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器/环形器与第二光电探测器输入端连接，光源入射到倾斜光纤光栅中被反射的光通过光纤耦合器/环形器传输给第二光电探测器；D型光纤通过单模光纤连接第一光电探测器的输入端，其中刻有倾斜光纤光栅的光纤和光纤耦合器/环形器连接的一端与D型光纤和第一光电探测器连接的一端在同一侧；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接数据采集及处理模块。

2.根据权利要求1所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，其特征在于，所述刻有倾斜光纤光栅的光纤与光纤耦合器/环形器连接的一端以及D型光纤与第一光电探测器连接的一端均封装于毛细管内，另一端均外露用于检测。

3.根据权利要求2所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，其特征在于，D型光纤通过其侧平面紧贴刻有倾斜光纤光栅的光纤，D型光纤封装于毛细管内的一端与单模光纤熔接，通过单模光纤连接第一光电探测器，另一端端点处通过紫外固化胶与刻有倾斜光纤光栅的光纤平行固定。

4.根据权利要求1所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm；所述D型光纤为双包层结构，长度为20mm，包层直径为114μm。

5.根据权利要求1所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，其特征在于，所述光源输出光谱为1480至1580nm，所述光源输出光谱的范围与倾斜光纤光栅包层模光谱匹配。

6.基于权利要求1至5中任一项所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、光纤传感探针插入微量生物溶液中，使光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤耦合区完全浸于待测生物溶液中；

S2、光源输出入射光，入射光经过光纤耦合器/环形器后进入到光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤，入射光经过倾斜光纤光栅后，包层模通过倏逝场反向耦合至D型光纤，纤芯模被倾斜光纤光栅直接沿着纤芯原路反射回去；

S3、耦合到D型光纤的倏逝场光信号输入到第一光电探测器中，刻有倾斜光纤光栅的光纤自身纤芯反射回去的光信号经光纤耦合器/环形器后输入到第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的光信号转换成电信号；

S4、数据采集与处理模块分别从第一光电探测器和第二光电探测器中读取电信号，根据第一光电探测器中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的折射率，根据第二光电探测器中读取到的电信号能量强度得出生物溶液的温度变化信息。

7.根据权利要求6所述的光纤纤间倏逝场耦合折射率计的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，入射光经过倾斜光纤光栅后，通过倏逝场反向耦合至D型光纤的包层模光谱宽度大于等于30nm，信噪比大于等于30dB。