CN105954235B - 一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种用于外界环境折射率、气体浓度等传感测量的孔助双芯光纤干涉型折射率传感器。一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置；双芯光纤两个纤芯间距离小于12微米或大于25微米。利用孔助双芯光纤作为传感探头部分，由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯易于裸露出来，加工成本低，制作工艺简单，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

Description

一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种用于外界环境折射率、气体浓度等传感测量的孔助双芯光纤干涉型折射率传感器。

背景技术

光纤传感器结构简单、重量轻、尺寸小、轻巧柔软，用一根光纤可以测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数，结合时分复用和波分复用技术，非常适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面实现多点监测；光纤传感器因其所具有的诸多优点而成为结构监测和光纤技术研究的热点问题。

随着光纤技术的不断发展，各种新型结构光纤也不断涌现。为了解决降低光纤光缆的制造成本和开发高密集度大芯数光缆这两大难题，S.Inao于1979年提出了多芯光纤的概念。多芯光纤传感器由于体积小、结构紧凑，构成材料一致，热膨胀系数相同，对温度表现出来的响应是一样的，因而可以避免温度与其他物理量的交叉敏感问题，具有自温度补偿等诸多的优点。所以利用多芯光纤作为传感元件的研究引起了人们的广泛关注。

双芯光纤是结构最简单的多芯光纤。利用双芯光纤可以实现定向耦合器、复用/解复用器、双芯光纤分波/合波器、滤波器、传感器等。普通意义的双芯光纤是由两个平行的纤芯和包围这两个纤芯的公共包层组成的无空气孔辅助的实心光纤。利用双芯光纤构成的干涉型光纤传感器结构简单、集成度高、制作方便。若想让一个纤芯裸露出来，需要利用化学腐蚀或激光微加工技术。制作时需要精确控制腐蚀时间或激光能量，纤芯容易受到损坏。加工过的纤芯表面质量很难保证，插损较大，很难再进行表面2次处理。

本发明是用一种孔助双芯光纤基于马赫-曾德(M-Z)干涉机理实现对物理量的测量。由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯很容易裸露出来。因而且纤芯表面不受影响，器件插损小，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置；双芯光纤两个纤芯间距离小于12微米或大于25微米。

所述的孔助双芯光纤空气孔直径20-50微米，两个纤芯均为单模，并且两个纤芯折射率相同。

所述的孔助双芯光纤的两个纤芯间距离小于12微米时，偏心纤芯的尺寸等于中心纤芯尺寸，孔助双芯光纤与两端单模光纤利用侧向偏移技术直接进行焊接，使两个纤芯获得相同的能量。

所述的孔助双芯光纤两个纤芯间距离大于25微米时，偏心纤芯直径大于中心纤芯直径，孔助双芯光纤与两端的单模光纤的连接，是单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯直接对准进行焊接，然后在焊点附近利用拉锥技术，将双芯光纤进行拉锥实现两个纤芯的分光。

所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用化学腐蚀的方法将其裸露于外界。

所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用激光微加工技术将其裸露于外界。

所述的偏心纤芯进一步进行表面化学修饰。

本发明的有益效果在于：

1、利用孔助双芯光纤作为传感探头部分，由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯易于裸露出来，加工成本低，制作工艺简单，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

2、孔助双芯光纤空气孔的隔离使裸露的纤芯表面不受破坏，表面光滑，器件插损小。

3、该干涉型光纤传感器易于与单模光纤互联，灵敏度高，且器件集成度高，具有温度补偿能力。

附图说明

图1是孔助双芯光纤结构图；

图2a是化学腐蚀后偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图2b是利用激光微加工技术将偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图2c是利用激光微加工技术将偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图3是双芯间距较小时，孔助双芯光纤与单模光纤焊接示意图；

图4是双芯间距较小时，孔助双芯光纤干涉型折射率传感器示意图；

图5是双芯间距较大时，孔助双芯光纤干涉型折射率传感器示意图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明提供了一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤包层有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。当两个纤芯距离较近时，孔助双芯光纤与两端的单模光纤利用侧向偏移技术直接进行焊接使两个纤芯获得相同的能量；当两个纤芯距离较远时，则利用拉锥技术实现等比例分光。由于偏心空气孔的存在，可以利用腐蚀或激光微加工技术很方便的将纤芯裸露出来，当外界折射率发生变化时，传感臂光程发生改变，干涉谱将发生漂移，进而实现折射率传感。该传感器制作简单，易于与单模光纤互联，灵敏度高，因两个纤芯在一个波导中，器件集成度高，具有温度补偿能力。该器件在溶液或气体浓度等传感方面都将有广泛的应用。

一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心，光纤包层4有一个大尺寸空气孔3，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。孔助双芯光纤空气孔3的直径为20-50微米，两个纤芯1和2均为单模，两个纤芯折射率相同。孔助双芯光纤两个纤芯间距离小于12微米时，偏心纤芯2的尺寸等于中心纤芯1的尺寸。孔助双芯光纤5与两端单模光纤6利用侧向偏移技术直接进行焊接，使两个纤芯1和2获得相同的能量。孔助双芯光纤两个纤芯间距离大于25微米时，为了使两个纤芯中的模式匹配，偏心纤芯直径大于中心纤芯直径。孔助双芯光纤与两端的单模光纤的连接，是由单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯直接对准进行焊接实现的。然后利用拉锥技术，将双芯光纤在焊点附近进行拉锥实现来两个纤芯的分光。孔助双芯光纤的偏心纤芯2可以利用化学腐蚀或激光微加工技术在空气孔一侧加工微槽7将纤芯2裸露于外界，外露的偏心纤芯可以进一步进行表面化学修饰。一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其工作原理是当光源从单模光纤6注入，孔助双芯光纤两个纤芯间距离小于12微米时，在光源注入端利用侧向偏移技术将两个光纤直接进行焊接，并通过调节单模纤芯横向偏移量，使两个纤芯1和2获得相同的能量。由于两个纤芯1和2尺寸相同，两个纤芯中的模式不匹配，两个纤芯间能量相互耦合可以被忽略。在出射端利用相同的方法将孔助双芯光纤5和单模光纤6直接焊接。在出射单模纤6中将会发生干涉，构成M-Z干涉仪。孔助双芯光纤两个纤芯间距离大于25微米时，在光源注入端，单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯直接对准进行焊接，然后在焊点附近对双芯光纤进行拉锥，由于偏心纤芯直径大于中央纤芯直径，可以使两个纤芯中的模式匹配，通过拉锥可以使纤芯1和2获得相同的能量，形成干涉仪的两个臂。由于两个纤芯距离较远，两个纤芯间能量相互耦合可以被忽略，在出射端利用相同的方法将孔助双芯光纤5和单模光纤6进行焊接。在出射单模光纤6中，也将会发生干涉，构成M-Z干涉仪。再将单模光纤输出光进入探测器构成传感系统。当外界环境变化时，偏心干涉臂的光程会改变，探测器接收到的光谱将会发生漂移，进而实现物理量的传感测量。

实施例1：

结合图1、图2(a)、图3和图4，一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心，光纤包层4有一个大尺寸空气孔3，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。孔助双芯光纤的5空气孔3直径50微米，两个纤芯1和2直径均为9微米，芯包折射率差0.005，两个纤芯间距11微米。在光源一侧，孔助双芯光纤5与单模光纤6利用光纤焊接机手动调节模式，使单模光纤与孔助双芯光纤中心有一定的偏移，精确调节相互间的位置，利用CCD进行监测，使纤芯1和2具有相同的能量。在出射端利用相同的方法将孔助双芯光纤5和单模光纤6进行焊接。由于纤芯1和2尺寸相同，两个纤芯中的模式不匹配，两个纤芯间能量相互耦合可以被忽略，在出射单模光纤6中，将会发生干涉，构成M-Z干涉仪。在出射端利用光谱仪进行监测，当干涉峰对比度最大时进行两光纤的焊接。用氢氟酸减薄光纤直径(图2(a))，腐蚀包层厚度大于6微米，偏芯2即可裸露出来，构成微槽7，腐蚀长度可以是整个双芯光纤长度，也可以是部分长度。另若把传感单元置于食盐水中，待测液体会接触偏芯，当食盐水的浓度变化时，液体折射率也会变化，输出干涉谱将发生改变，进而实现折射率传感。

实施例2：

结合图1、图2(b)和图5，一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心。光纤包层4有一个大尺寸空气孔3，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。孔助双芯光纤5的空气孔3的直径为20微米，芯包折射率差0.005，纤芯1和2直径分别为8.07和12微米，两个纤芯间距30微米。孔助双芯光纤两端的单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯直接对准进行焊接，然后利用拉锥技术，将双芯光纤在焊接点附近进行拉锥,实现两个纤芯1和2的等比例分光，形成干涉仪的两个臂。因两个纤芯中的模式相互匹配，两个纤芯中模式传播常数相等，在锥区可以实现能量耦合。在非锥区两个纤芯距离较远，相互间的耦合可以忽略。在出射端单模光纤6中，将会发生干涉，构成M-Z干涉仪。偏芯2是利用高频CO2激光在空气孔一侧进行切削裸露出来的(图2(b))，构成微槽7。若把传感单元置于待测液体中，待测液体接触纤芯2，液体折射率发生变化时，探测器接收到的光谱将会发生漂移，进而实现物理量的传感测量。

Claims (6)

1.一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置；双芯光纤两个纤芯间距离小于12微米，所述的空气孔直径20-50微米，两个纤芯均为单模，并且两个纤芯折射率相同。

2.根据权利要求1所述的一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：所述的孔助双芯光纤的两个纤芯间距离小于12微米时，偏心纤芯的尺寸等于中心纤芯尺寸，孔助双芯光纤与两端单模光纤利用侧向偏移技术直接进行焊接，使两个纤芯获得相同的能量。

3.根据权利要求1所述的一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：所述的孔助双芯光纤两个纤芯间距离大于25微米时，偏心纤芯直径大于中心纤芯直径，孔助双芯光纤与两端的单模光纤的连接，是单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯直接对准进行焊接，然后在焊点附近利用拉锥技术，将双芯光纤进行拉锥实现两个纤芯的分光。

4.根据权利要求1所述的一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用化学腐蚀的方法将其裸露于外界。

5.根据权利要求1所述的一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用激光微加工技术将其裸露于外界。

6.根据权利要求2所述的一种孔助双芯光纤干涉型折射率传感器，其特征在于：所述的偏心纤芯进一步进行表面化学修饰。