CN105300926A - 基于微光纤环谐振腔的折射率传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：在底板的中部设置有介质柱，介质柱侧壁轴向加工有8～10个矩形槽a，锥形微纳光纤的腰区缠绕在介质柱上，缠绕圈数为2圈，锥形微纳光纤两锥区末端用胶固定在底板上。本发明具有制作简单，输出不受光源功率浮动影响，稳定性好，容易实现远程和分布式传感等优点，适合测量气体折射率。

Description

基于微光纤环谐振腔的折射率传感器

技术领域

本发明属于测量或者测试装置技术领域，具体涉及到一种入射光根据所测试的材料性质而改变的装置。

背景技术

光纤折射率传感器因其具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、体积小、重量轻、功耗小、可实现远程和分布式传感等优良特性，被广泛应用于石油化工、医学诊断、医药开发、食品安全等领域。目前，许多基于光纤的折射率传感器结构已被提出，例如：基于光纤布拉格光栅的折射率传感器、基于长周期光纤光栅的折射率传感器、基于光纤表面等离子体的折射率传感器、基于多模干涉的折射率传感器等。大部分光纤折射率传感器的传感机理是基于光纤周围的倏逝场与周围介质相互作用来实现折射率传感。

由于微纳光纤具有倏逝场强、损耗低、柔韧性好、机械强度大等优良的光学和机械特性，为光纤折射率传感器向高灵敏度、微型化、集成化方向发展，提供了崭新的研究思路。研究人员已提出了许多基于微纳光纤的折射率传感器结构，其中包括基于微纳光纤布拉格光栅的折射率传感器、基于微纳光纤长周期光栅的折射率传感器、基于微纳光纤耦合器的折射率传感器等。但是，损耗大、制作难度高、稳定性不理想等问题，在很大程度上制约了基于微纳光纤倏逝场特性的光纤折射率传感器的发展及应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤折射率传感器的缺点，提供一种结构简单、灵敏度高、体积微小的适于测量气体折射率的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案：在底板的中部设置有介质柱，介质柱侧壁轴向加工有8～10个矩形槽a，锥形微纳光纤的腰区缠绕在介质柱上缠绕2圈，锥形微纳光纤两锥区末端用胶固定在底板上。

本发明的锥形微纳光纤3的锥区长度l₁为30mm～50mm、腰区直径为1～5μm、腰区长度l₂为10～20mm。

本发明的介质柱2为聚四氟乙烯柱、直径为20μm～2mm。

本发明矩形槽a的宽度为3.14μm～0.314mm、深度为1～100μm。

本发明的胶4为紫外胶。

本发明具有制作简单，输出不受光源功率浮动影响，稳定性好，容易实现远程和分布式传感等优点，适合测量气体折射率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是锥形微纳光纤3的结构示意图。

图3是本发明实施例2的折射率传感效应简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

实施例1

在图1、2中，本实施例的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器由底板1、介质柱2、锥形微纳光纤3连接构成，在底板1的中部设置有介质柱2，介质柱2和底板1一次模压成型，底板1和介质柱2的材料为聚四氟乙烯，由杜邦公司生产的特氟龙AF1600，介质柱2直径为1mm，在介质柱2侧壁轴向均匀分布有9个矩形槽a，矩形槽a的宽度为0.1mm、深度为50μm，矩形槽a用于减小光在微光纤环谐振腔中的传输损耗，增加倏逝场与周围被检测物质的接触面积，锥形微纳光纤3的腰区缠绕在介质柱2上，缠绕圈数为2圈，锥形微纳光纤3的腰区直径为3μm、腰区长度l₂为15mm、锥区长度l₁为40mm，锥形微纳光纤3的两端拉紧并用胶4固定在底板1上，胶4选用紫外胶。

锥形微纳光纤3一端接宽带光源、另一端接光谱分析仪，宽带光源发出的光经锥形微纳光纤3的一端进入由具有较强倏逝场特性的锥形微纳光纤缠绕在低折射率的介质柱上构成的微光纤环谐振腔，光在微光纤环谐振腔中传播时，一方面，是沿着光纤的长度方向传播，另一方面，是相邻微光纤环间的倏逝场耦合，光在微光纤环谐振腔中传播和耦合过程可以用如下的耦合波方程来描述：

$\frac{d}{ds}\left(\begin{array}{c}{A}_1\left(s\right)\\ A_2\left(s\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0& ik\\ ik& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_1\left(s\right)\\ A_2\left(s\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，A₁(s)为介质柱上第一个微纳光纤环在沿光纤长度方向的自然坐标s处的光场慢变幅近似，A₂(s)为第二个微纳光纤环在沿光纤长度方向的自然坐标s处的光场慢变幅近似，k为相邻两微纳光纤环环间的耦合系数，i为虚数单位。由于锥形微纳光纤是连续的，所以第一环输出的光与第二环输入的光是相等的，因此，存在如下的连续性条件：

$\left(\begin{array}{c}{A}_1\left(0\right)\\ A_2\left(0\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ e^{i\mathrm{\β}l}& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_1\left(l\right)\\ A_2\left(l\right)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{A}_1\left(0\right)\\ 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

β＝2π·n_eff/λ+iα(3)

式(2)、(3)中，n_eff为有效折射率，α为损耗系数，l为介质柱上微纳光纤环的周长，则微光纤环谐振腔的光波幅值透射系数T为：

$T=\frac{A_2\left(l\right)e^{i\mathrm{\β}l}}{A_1\left(0\right)}=\frac{(2e^{i\mathrm{\β}l}+e^{ikl}-e^{-ikl})e^{i\mathrm{\β}l}}{2-e^{ikl+i\mathrm{\β}l}+e^{-ikl+i\mathrm{\β}l}}---\left(4\right)$

所以微光纤环谐振腔的光波功率透射系数P为：

P＝T×T^*(5)

式(5)中，T是微光纤环谐振腔的光波幅值透射系数，T^*是T的共轭。

当微光纤环谐振腔周围的折射率发生变化时，会引起微光纤环谐振腔中传播光波的有效折射率n_eff发生变化，从而会导致微光纤环谐振腔的谐振波长发生移动，采用光谱分析仪对其谐振波长进行监测，从而可知被检测物质的折射率。

实施例2

在本实施例中，底板1的中部设置有介质柱2，介质柱2和底板1一次模压成型，底板1和介质柱2的材料为聚四氟乙烯、直径为20μm，在介质柱2侧壁轴向均匀分布有10个矩形槽a，矩形槽a的宽度为3.14μm、深度为1μm，锥形微纳光纤3的腰区缠绕在介质柱2上，缠绕圈数为2圈，锥形微纳光纤3的腰区直径为1μm、腰区长度l₂为10mm、锥区长度l₁为30mm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

图3是本实施例的折射率传感效应简图，设置微光纤环谐振腔周围介质的折射率n_a分别为1.000、1.005、1.010、1.015、1.020，用光谱分析仪监测其谐振波长的移动情况。

实施例3

在本实施例中，底板1的中部设置有介质柱2，介质柱2和底板1一次模压成型，底板1和介质柱2的材料为聚四氟乙烯、直径为2mm，在介质柱2侧壁轴向均匀分布有8个矩形槽a，矩形槽a的宽度为0.314mm、深度为100μm，锥形微纳光纤3的腰区缠绕在介质柱2上，缠绕圈数为2圈，锥形微纳光纤3的腰区直径为5μm、腰区长度l₂为20mm、锥区长度l₁为50mm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：在底板(1)的中部设置有介质柱(2)，介质柱(2)侧壁轴向加工有8～10个矩形槽(a)，锥形微纳光纤(3)的腰区缠绕在介质柱(2)上缠绕2圈，锥形微纳光纤(3)两锥区末端用胶(4)固定在底板(1)上。

2.根据权利要求1所述的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：所述的锥形微纳光纤(3)的锥区长度l₁为30mm～50mm、腰区直径为1～5μm、腰区长度l₂为10～20mm。

3.根据权利要求1所述的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：所述的介质柱(2)为聚四氟乙烯柱、直径为20μm～2mm。

4.根据权利要求1所述的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：所述矩形槽(a)的宽度为3.14μm～0.314mm、深度为1～100μm。

5.根据权利要求1所述的基于微光纤环谐振腔的折射率传感器，其特征在于：所述的胶(4)为紫外胶。