CN105241842A - 一种基于单模-多模-单模光纤锥头(smst)的小型光纤折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，采用聚焦等离子束刻蚀的方法以获得平整的光纤锥头，并在多模光纤的锥头端面镀金膜、用聚焦等离子束刻蚀方法在锥头区域刻蚀光栅以提高反射率。本发明发挥了锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率对外部介质折射率变化的敏感性，具有较高的折射率测量灵敏度，SMST的空间分辨率较高，可插入窄孔，并且具有尺寸小巧、加工方便、线性响应、易于与其他光纤组件连接以及低成本等优势，可广泛应用于化学和生物传感等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器的技术领域，具体涉及一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，对光纤折射率传感器在小型空间的应用、提高光纤折射率传感器的灵敏度及测量精度有着重要的意义和价值，将服务于未来各个的折射率领域，特别是化学和生物传感领域。
背景技术
随着科技的发展，光纤传感技术已经广泛应用于多个领域。目前大多数的物理量都可以通过光纤来感知，如光强度位移、温度、压力、转动、声音、拉力、磁场、电场、辐射、流体、液位、化学分析和振动等。相比于传统的传感器，光纤传感器具有很多优点，如抗电磁干扰、抗腐蚀、小尺寸、高灵敏度并且可实现远程传感。全光纤干涉仪由于具有易加工、高灵敏度和结构紧凑等特点，近期得到了深入研究，包括基于双花生型结构、锥形光纤和纤芯直径失配等方案的模式干涉仪。2006年，研究人员提出一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤的传感器，该传感器通过多模光纤纤芯区域的多模干涉实现。同时，由于锥形光纤具有大消逝场、强约束、快速响应等优点，基于锥形光纤的器件得到广泛研究，并在提升器件性能和减小器件尺寸方面表现出潜在优势。之后便有人提出了一种单模-锥形多模-单模(STMS)光纤传感器，STMS光纤传感器由一个输入单模光纤、一个锥形多模光纤和一个输出单模光纤组成。在锥形多模光纤中，纤芯中部分LP0m模与包层中的高阶模会在锥形区开始的位置发生耦合，从而增加多模光纤包层中消逝波的能量。但是，为了获得较大的折射率变化，需要将较长一段多模光纤置于周围介质中。因此，器件尺寸通常长达几厘米。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，具有小型化、加工方便、线性响应、高灵敏度、易于与其他光纤组件连接以及低成本等特性。本发明还提供了所述基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器的基本原理和工作方式。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，包括超连续宽带(SC)光源、环形器、单模-多模-单模光纤锥头以及光谱分析仪；所述的单模-多模-单模光纤锥头包括输入/输出单模光纤、带有周期性光栅结构的多模光纤锥头和镀在锥头端面作为反射镜的金膜以及光纤包层；
所述的超连续宽带(SC)光源、环形器、单模-多模-单模光纤锥头和光谱分析仪构成一个小型光纤折射率传感器，输入/输出单模光纤、带有周期性光栅结构的多模光纤锥头、镀在锥头端面作为反射镜的金膜和光纤包层集成于一体，构成单模-多模-单模光纤锥头；超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤进入环形器后，经光纤到达带有周期性光栅结构的单模-多模-单模光纤锥头；在多模光纤锥头的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合并在周期性光栅结构和金膜处发生反射；反射回来的光通过光纤传输到环形器中，并从光纤中传输到光谱分析仪中，从而通过光谱分析仪中测得外部介质折射率。
其中，所述的SMS样品是由一段42mm长，数值孔径为0.22，纤芯半径为105μm的阶跃型折射率多模光纤制成。
其中，所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的直径约为3μm。
其中，所述的多模光纤锥头的尖端被聚焦离子束(FIB)系统切平。
其中，所述的多模光纤锥头被聚焦离子束(FIB)系统刻蚀成周期性光栅结构。
其中，所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的锥头端面镀有40mm金膜，以提高反射率。
其中，所述的超连续宽带(SC)光源输出端采用斜切的方式以防止光纤组件的背向反射对光源产生影响。
另外，本发明提供一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，按照以下工作方法实现外部介质折射率的测量：
利用单模-多模-单模光纤锥头(SMST)中的锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介质折射率影响的特性，来实现对外部介质折射率的测量，通过检测输出信号光，得到输出信号光的有效折射率，从而计算得到外部介质折射率；
超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤进入环形器后，经光纤到达单模-多模-单模光纤锥头；在多模光纤锥头的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合，产生多模干涉并在金膜处发生反射；反射回来的光通过光纤传输到环形器中，并从光纤中传输到光谱分析仪中；由于从光纤输出到光谱分析仪中的光的有效折射率会随着外部介质的折射率变化，而有效折射率与光的波长有关，从而可以从光谱仪中得到相应的波长信息中得到外部介质的折射率。
本发明的原理：本发明通过利用单模-多模-单模光纤锥头(SMST)中的锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介质折射率影响的特性，来实现对外部介质折射率的测量。超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤进入环形器后，经光纤到达单模-多模-单模光纤锥头；在带有周期性光栅结构的多模光纤锥头的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合，产生多模干涉并在周期性光栅结构和金膜处发生反射；反射回来的光通过光纤传输到环形器中，并从光纤中传输到光谱分析仪中；由于从光纤输出到光谱分析仪中的光的有效折射率会随着外部介质的折射率变化，而有效折射率与光的波长有关，从而可以从光谱仪中得到相应的波长信息里得到外部介质的折射率。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明利用在多模光纤锥头的端面镀上金膜，可以使得整个光纤折射率传感器的尺寸缩小，具有较高空间分辨率且可插入窄孔；
(2)、本发明利用聚焦离子束(FIB)系统把多模光纤锥头的尖端切平，可以提高器件的反射率；
(3)、本发明利用聚焦离子束(FIB)系统把多模光纤锥头刻蚀成周期性光栅结构，可以提高器件的反射率；
(4)、本发明利用锥头多模光纤的芯中LP0m模与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合产生多模干涉，测量灵敏度较高。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的结构图。
附图标记列示如下：1-超连续宽带光源，2-环形器，3-单模-多模-单模光纤锥头，4-光谱分析仪，5-单模光纤，6-多模光纤锥头，7-金膜，8-包层，9-光纤，10-光纤，11-光纤，12-周期性光栅结构。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，包括超连续宽带光源1，环形器2，单模-多模-单模光纤锥头3，光谱分析仪4。
所述的SMS样品是由一段42mm长，数值孔径为0.22，纤芯半径为105μm的阶跃型折射率多模光纤制成。
所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的直径约为3μm。
所述的多模光纤锥头的尖端被聚焦离子束(FIB)系统切平。
所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的锥头端面镀有40mm金膜，以作为反射镜。
所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)被聚焦离子束(FIB)系统刻蚀成周期性光栅结构以作为反射镜。
所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)小型光纤折射率传感器的输入端采用斜切的方式以防止光纤组件的背向反射。
超连续宽带(SC)光源1发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤9进入环形器2后，经光纤10到达直径约为2.94μm单模-多模-单模光纤锥头3；带有周期性光栅结构12的多模光纤锥头6是由一段42mm长，数值孔径为0.22，纤芯半径为105μm的阶跃型折射率多模光纤所制成的，在带有周期性光栅结构12的多模光纤锥头6的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合，产生多模干涉并在周期性光栅结构12和40mm厚的金膜7处发生反射；反射回来的光通过光纤10传输到环形器中，并从光纤11中传输到光谱分析仪4中；由于从光纤11输出到光谱分析仪4中的光的有效折射率会随着外部介质的折射率变化，而有效折射率与光的波长有关，从而可以从光谱仪4中得到相应的波长信息中得到外部介质的折射率。
基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器的测量外部介质折射率的工作方法主要是：
利用单模-多模-单模光纤锥头(SMST)中的锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介质折射率影响的特性，来实现对外部介质折射率的测量。通过检测输出信号光，得到输出信号光的有效折射率，从而计算得到外部介质折射率。
超连续宽带(SC)光源1发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤9进入环形器2后，经光纤10到达单模-多模-单模光纤锥头3；在带有周期性光栅结构12的多模光纤锥头6的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合，产生多模干涉并在周期性光栅结构12和金膜7处发生反射；反射回来的光通过光纤10传输到环形器中，并从光纤11中传输到光谱分析仪4中；由于从光纤11输出到光谱分析仪4中的光的有效折射率会随着外部介质的折射率变化，而有效折射率与光的波长有关，从而可以从光谱仪4中得到相应的波长信息中得到外部介质的折射率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，包括一个超连续宽带(SC)光源(1)、一个环形器(2)、一个单模-多模-单模光纤锥头(3)、一个光谱分析仪(4)；所述的单模-多模-单模光纤锥头(3)包括一根输入/输出单模光纤(5)、一根带有光栅结构(12)的多模光纤锥头(6)和镀在锥头端面作为反射镜的金膜(7)以及光纤包层(8)；
超连续宽带(SC)光源(1)、环形器(2)、单模-多模-单模光纤锥头(3)和光谱分析仪(4)构成一个小型光纤折射率传感器，一根输入/输出单模光纤(5)、一根带有光栅结构(12)的多模光纤锥头(6)、镀在锥头端面作为反射镜的金膜(7)和光纤包层(8)集成于一体，构成单模-多模-单模光纤锥头(3)；超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤(9)进入环形器(2)后，经光纤(10)到达单模-多模-单模光纤锥头(3)；在带有光栅结构的多模光纤锥头(6)的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层(8)中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合并在单模-多模-单模光纤锥头(3)中的周期性光栅结构(12)和金膜(7)处发生反射；反射回来的光通过光纤(10)传输到环形器(2)中，并从光纤(11)中传输到光谱分析仪(4)中，从而通过光谱分析仪(4)中测得外部介质折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，单模-多模-单模光纤样品中的多模部分是一段42mm长，数值孔径为0.22，纤芯半径为105μm的阶跃型折射率多模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的直径约为3μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，多模光纤锥头的尖端被聚焦离子束系统(FIB)切平。
5.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，多模光纤锥头被聚焦离子束(FIB)系统刻蚀成周期性光栅结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，锥头端面镀有40mm金膜，以增强端面反射。
7.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，其特征在于，在超连续宽带(SC)光源输出端采用斜切的方式以防止光纤组件的背向反射对光源产生影响。
8.一种如权利要求1至7之一所述的基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器的测量折射率的工作方法，其特征在于：
利用单模-多模-单模光纤锥头的锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介质折射率影响的特性，通过检测输出信号光来得到外部介质的折射率；
超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤(9)进入环形器(2)后，经光纤(10)到达单模-多模-单模光纤锥头(3)；在多模光纤锥头(6)的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层(8)中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合，产生多模干涉并在光纤锥头中的周期性光栅结构(12)和金膜(7)处发生反射；反射回来的光通过光纤(10)传输到环形器(2)中，并从光纤(11)中传输到光谱分析仪(4)中；由于从光纤(11)输出到光谱分析仪(4)中的光的有效折射率会随着外部介质的折射率变化，而有效折射率与光的波长有关，从而可以从光谱仪中得到相应的波长信息中得到外部介质的折射率。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160113 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |