CN106556575A - 在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感技术领域，提供了一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括第一单模光纤、分光光纤、错位熔接的传感单模光纤与参考单模光纤、合光光纤及第二单模光纤；测量时传感单模光纤处于待检物质中；宽谱光自第一单模光纤输入，通过分光光纤耦合到传感单模光纤中以纤芯模和包层模的模式传播再进行模式转换，纤芯模耦合到包层中继续传播，包层模部分能量耦合到纤芯中继续传播，参考单模光纤输出的光于合光光纤中合光干涉通过第二单模光纤输出，以进行波长解调，获得折射率变化。本发明由于参考单模光纤的光程补偿，使干涉条纹漂移量大，灵敏度更高。传感单模光纤和参考单模光纤配合具有温度补偿效应，提高了传感器的抗干扰性及检测精度。

Description

在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测系统

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，特别涉及一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测系统。

背景技术

在线双光束干涉型光纤传感器是一种通过纤芯模式与包层模式干涉进行检测的干涉型传感器，由于工艺简单、成本低、结构紧凑，这种传感结构受到研究人员的重视，被用于折射率传感研究中，对生物和医学领域的光学探测具有重要意义。如图1，现有在线双光束干涉型光纤折射率传感器的核心部件包括输入单模光纤101、分光结构102、传感单模光纤103、合光结构104和输出单模光纤105，分光结构102将光分到传感单模光纤103的两个光路中，一部分以纤芯模形式传播，另一部分以包层模形式在传感光纤包层中传播，最终两束光通过合光结构104耦合到输出单模光纤105的纤芯中传播，由于传感单模光纤103的纤芯模和包层模的等效折射率差，就会产生相位差和干涉条纹。当传感单模光纤103包层外环境折射率改变时，相位差会改变，通过干涉条纹漂移即可解调出折射率变化。

然而，这种现有的折射率传感器存在一些缺点，由于包层模的折射率对外界折射率变化的灵敏度低，同时干涉条纹的自由光谱范围比较小，干涉条纹漂移量过小，因此折射率传感灵敏度较低。另外，光纤的纤芯和包层的热光系数差异较大，这就增加了温度漂移，使测量结果误差增大，精度偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，旨在提高折射率检测灵敏度和精度，降低温度漂移干扰。

本发明是这样实现的，一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括依次连接的第一单模光纤、分光光纤、传感单模光纤、参考单模光纤、合光光纤以及第二单模光纤；所述传感单模光纤与参考单模光纤错位熔接，所述传感单模光纤的纤芯与所述参考单模光纤的包层对接，所述传感单模光纤的包层与所述参考单模光纤的纤芯对接；进行测量时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；宽谱光自所述第一单模光纤输入，通过所述分光光纤耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，然后进行模式转换，所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，所述传感单模光纤中的包层模部分能量耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述合光光纤中合光并干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行波长解调，获得待检测物质折射率变化。

本发明的另一目的在于提供一种折射率检测系统，包括宽谱光源、上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器以及光谱检测仪，所述宽谱光源发出的光经过所述在线双光束干涉型光纤折射率传感器发生双光束干涉，由所述光谱检测仪对干涉光谱进行检测以获得折射率变化。

本发明提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：

第一，由于参考单模光纤的光程补偿，使光程差大大减小，干涉条纹的自由光谱范围大大增加，在同样的光程变化下，干涉条纹漂移量更大，相应的灵敏度更高。

第二，传感单模光纤与参考单模光纤错位熔接，光束在传感单模光纤和参考单模光纤中互换模式传输，二者长度近似时，具有较佳的温度补偿效应，两者的温度变化对干涉条纹的影响近似抵消，进而提高了传感器的抗干扰性以及检测精度。

附图说明

图1是现有技术中在线双光束干涉型光纤折射率传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的折射率检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括依次连接的第一单模光纤1、分光光纤2、传感单模光纤3、参考单模光纤4、合光光纤5以及第二单模光纤6；其中，传感单模光纤3与参考单模光纤4通过错位熔接方式熔接，其他光纤连接处直接对位熔接。传感单模光纤3的纤芯31与参考单模光纤4的包层42对接，传感单模光纤3的包层32与参考单模光纤4的纤芯41对接；进行测量时，传感单模光纤3处于待检测物质中。具体是传感单模光纤3的包层32处于待检测物质中，其他光纤都不接触待检测物质。宽谱光自第一单模光纤1输入，进入分光光纤2，产生多个模式，再通过分光光纤2耦合到传感单模光纤3的纤芯31和包层32中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，然后在传感单模光纤3和参考单模光纤4的熔接处进行模式转换，传感单模光纤3中的纤芯模耦合到参考单模光纤4的包层42中并继续传播，传感单模光纤3中的包层模部分能量耦合到参考单模光纤4的纤芯41中并继续传播，因此产生两个路径：“纤芯模—包层模”和“包层模—纤芯模”。在参考单模光纤4的包层42和纤芯41输出的光于合光光纤5中合光并干涉，并通过第二单模光纤6输出，该输出光由光谱检测仪接收，用以进行波长解调，获得待检测物质折射率变化。

传感单模光纤3的包层32受到外界待检测物质折射率的调制，其有效折射率发生改变，进而改变“纤芯模-包层模”与“包层模-纤芯模”两束光的光程差，使干涉光谱发生漂移，最终通过特征波长(峰值波长或谷值波长)的漂移量解调出外界待检测物质折射率的变化。

该折射率传感器可有效提高检测灵敏度，具体地，将传感单模光纤3的纤芯模及基模的有效折射率记为n_core，包层模具有多个级次成分，然而能量基本集中在低阶模上，可忽略高阶成分，其有效折射率记为n_clad。记参考单模光纤4的纤芯模和包层模的有效折射率分别为n'_core和n'_clad。由于纤芯模有效折射率与外界折射率无关，故n'_core＝n_core。假设传感单模光纤3与参考单模光纤4的长度分别为l和l'。那么最终产生的干涉光谱条纹的强度以及对应的相位差为：

对应的频域的自由光谱范围为：

从式中可看出，由于参考光纤的补偿作用，自由光谱范围大大增大，最终使折射率传感灵敏度大大提高。

本发明实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：

第一，由于参考单模光纤4的光程补偿，使光程差大大减小，干涉条纹的自由光谱范围大大增加，在同样的光程变化下，干涉条纹漂移量更大，相应的灵敏度更高。

第二，光束在传感单模光纤和参考单模光纤中互换模式传输，将二者长度设为近似时，具有较佳的温度补偿效应，两者的温度变化对干涉条纹的影响近似抵消，进而提高了传感器的抗干扰性以及检测精度。

进一步地，在传感单模光纤3的包层32中传输的光会有部分进入参考单模光纤4的包层42中，即还存在第三路光“包层模—包层模”，该路径的光会对检测产生干扰，本实施例在传感单模光纤3和参考单模光纤4的表面各涂有一段相同长度和相同材料的折射率匹配胶7，将这部分光引出损耗掉，进而提高干涉条纹的对比度，提高折射率检测的精度。匹配胶的长度的选取要适中，兼顾传感器灵敏度、输出功率、条纹对比度等因素。

在本实施例中，第一单模光纤1、分光光纤2、传感单模光纤3、参考单模光纤4、合光光纤5以及第二单模光纤6的包层直径相等，在本实施例中可以为125微米。另外，分光光纤2和合光光纤5的长度以及纤芯直径相等，以便保持传感器结构对称，使发生干涉的两束光功率一致，从而提高干涉条纹的对比度。本实施例中，分光光纤2和合光光纤5的长度为1mm以内。

进一步地，分光光纤2和合光光纤5可以采用多模光纤或者光纤拉锥的方式，本实施例不进行具体限定。

进一步地，传感单模光纤3和参考单模光纤4的纤芯直径相等，保持传感器结构对称，使发生干涉的两束光功率一致，另外，传感单模光纤3和参考单模光纤4的错位距离大于纤芯直径且小于包层半径，保证两个路径的模式转换充分进行。

在本实施例中，传感单模光纤3和参考单模光纤4的长度接近，以充分抵消温度漂移带来的影响，本实施例可选为10-20mm。另外，还要兼顾灵敏度，两光纤的长度差异越小，越有利于提高灵敏度，因此综合温度补偿和灵敏度的优势，选取原则为使干涉条纹的自由光谱范围等于宽谱光的带宽。

在本实施例中，第一单模光纤1、分光光纤2、传感单模光纤3、参考单模光纤4、合光光纤5以及第二单模光纤6保持拉直状态，以提高条纹的对比度。

如图2，本发明进一步提供一种折射率检测系统，包括宽谱光源01、上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器02以及光谱检测仪03，三者依次连接。宽谱光源01发出的光经过在线双光束干涉型光纤折射率传感器02发生双光束干涉，由光谱检测仪03对干涉光谱，最终通过检测干涉峰或干涉谷的漂移实现折射率变化的高灵敏度检测。优选的，该双光束干涉的干涉条纹的自由光谱范围不大于宽谱光源01的带宽。

该折射率检测系统采用了本发明提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，提高了检测灵敏度和检测精度，同时抵消了温漂干扰，提升了检测系统的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，包括依次连接的第一单模光纤、分光光纤、传感单模光纤、参考单模光纤、合光光纤以及第二单模光纤；所述传感单模光纤与参考单模光纤错位熔接，所述传感单模光纤的纤芯与所述参考单模光纤的包层对接，所述传感单模光纤的包层与所述参考单模光纤的纤芯对接；进行测量时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；宽谱光自所述第一单模光纤输入，通过所述分光光纤耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，然后进行模式转换，所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，所述传感单模光纤中的包层模部分能量耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述合光光纤中合光并干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行波长解调，获得待检测物质折射率变化。

2.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，在所述传感单模光纤和参考单模光纤的表面各涂有一段相同长度和相同材料的折射率匹配胶。

3.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、分光光纤、传感单模光纤、参考单模光纤、合光光纤以及第二单模光纤的包层直径相等。

4.如权利要求1、2或3所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述分光光纤和合光光纤的长度以及纤芯直径相等。

5.如权利要求1、2或3所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述传感单模光纤和参考单模光纤的纤芯直径相等，所述传感单模光纤和参考单模光纤的错位距离大于纤芯直径且小于包层半径。

6.如权利要求1、2或3所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述传感单模光纤和参考单模光纤的长度差的选取原则为使干涉条纹的自由光谱范围不大于所述宽谱光的带宽。

7.如权利要求1、2或3所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、分光光纤、传感单模光纤、参考单模光纤、合光光纤以及第二单模光纤保持拉直状态。

8.一种折射率检测系统，其特征在于，包括宽谱光源、权利要求1至7任一项所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器以及光谱检测仪，所述宽谱光源发出的光经过所述在线双光束干涉型光纤折射率传感器发生双光束干涉，由所述光谱检测仪对干涉光谱进行检测以获得折射率变化。

9.如权利要求8所述的折射率检测系统，其特征在于，所述双光束干涉的干涉条纹的自由光谱范围不大于所述宽谱光源的带宽。