CN106768525A - 基于瑞利不稳的长周期光栅传感器及其制备和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瑞利不稳的长周期光栅传感器及其制备和测量方法。在拉锥微光纤腰区上利用玻璃棒快速涂覆一层连续的特氟龙溶液，连续的特氟龙溶液由于液体的瑞利不稳效应而断裂成周期性的结构，溶液中溶剂挥发后即在拉锥微光纤的腰区得到长周期光栅结构，该结构可用于应力与温度的高灵敏度传感。具体测量时，将长周期光栅传感器的两个尾纤分别固定在平移台上，光源输出端通过单模光纤接长周期光栅传感器的一端，长周期光栅传感器另一端的透射光经单模光纤到达光谱分析仪。本发明制备方法简单，对多种液体具有通用性，传感器灵敏度相对于单模光纤上的长周期光栅高一个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤传感器的研究与制备。更具体而言，涉及一种基于瑞利不稳的长周期光栅传感器及其制作方法和测量应用。
背景技术
瑞利不稳是流体动力学的一个重要分支，解释了液柱下落过程中断裂的现象。自出现以来，瑞利不稳效应被广泛用来制备周期性的起伏结构，如尼龙纤维表面的周期结构被用来定向收集雾气中的水分，玻璃毛细管外表面的周期性结构被用来驱动毛细管内部液体的热流动，光纤内部的瑞利不稳被用来量产微球。
光纤传感技术是一门以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质的一种新技术。光纤传感器相对于传统传感器而言具有体积小重量轻，不受电磁场干扰，灵敏度高等优点，因而自20世纪70年代低损耗光纤问世以来，它逐步成为新一代传感器的重点研发方向。近几年来，随着科学技术的进步，各式各样的光纤传感器不断被研制出来，光纤传感成为一个热门的研究领域。
长周期光栅是光学通讯中的重要器件，常见的长周期光栅是在单模光纤芯层内引入折射率的周期性分布。相较于普通单模光纤，微光纤表面的倏逝场对外界环境十分敏感，因此基于微光纤的长周期光栅传感器灵敏度高于普通光纤长周期光栅传感器。目前基于聚合物的微光纤长周期光栅传感器的主要制备方法是利用点对点涂覆的方法在微光纤表面修饰周期性结构，整个制备过程成本较高，且对仪器的精度要求严格，因此迫切需要简单快捷的长周期光栅制备方法。
发明内容
本发明的目的是：利用液体的瑞利不稳效应在微光纤上制备基于聚合物的长周期光栅，使其具有高灵敏度，高通用性，低成本，制备简单等优势。
本发明采用的技术方案是：
基于瑞利不稳的长周期光栅传感器，拉锥微光纤表面沿其长度方向上涂覆有周期性的特氟龙结构，所述周期性的特氟龙结构位于拉锥微光纤的腰部区域；所述拉锥微光纤的腰部区域直径为1-10微米，长度为0.5-10厘米；所述特氟龙结构的平均周期为10-500微米，厚度为100-1000纳米。
本发明基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)利用氢氧焰加热拉伸的方法拉制具有腰部区域的拉锥微光纤，(2)在玻璃棒末端蘸取一滴浓度范围为1-6％的特氟龙溶液，利用玻璃棒沿微光纤长度方向以大于每秒5毫米的速度扫掠，在微光纤腰部区域表面涂覆一层连续的特氟龙溶液，特氟龙溶液由于瑞利不稳断裂成周期性结构，待溶剂挥发后即在拉锥微光纤的腰部区域上引入了长周期光栅，制得传感器。
利用上述基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的测量方法，包括光源、单模光纤、平移台、光谱分析仪和所述长周期光栅传感器，将所述长周期光栅传感器的两个尾纤分别固定在平移台上，光源输出端通过第一单模光纤接所述长周期光栅传感器的一端，长周期光栅传感器另一端的透射光经第二单模光纤到达光谱分析仪。
本发明中的基于瑞利不稳的长周期光栅，应力传感的原理为：在微光纤表面上涂覆一定长度的连续的特氟龙薄膜，在外界微扰作用下连续薄膜断裂成周期性液珠，待液珠溶剂挥发后留下的周期性结构对光纤模式进行调制，激发微光纤的高阶模式，基模与高阶模耦合满足相位匹配条件时即在微光纤上引入了长周期光栅结构，长周期光栅在应力作用下由于弹光效应，折射率发生变化，透射谱的中心波长随之发生移动，由波长移动可推算外界的应力大小。
本发明同时具有以下优势：(1)该长周期光栅结构具有制备方便，成本低廉，制备方法对多种溶液通用等优势。(2)该长周期光栅的应力传感测量方法采用全光纤光路设计，系统内无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有优良的抵抗性。(3)传感器测量的灵敏度相对于单模光纤上的长周期光栅高一个数量级。
附图说明
图1是本发明长周期光栅传感器的制备过程示意图。
图2是直径6微米微光纤上引入的长周期光栅周期性结构的显微图。
图3是利用本发明传感器的测量装置示意图。
图4是图2中长周期光栅利用图3光路得到的透射谱。
图5是施加不同应力大小时的长周期光栅透射谱。
图6是长周期光栅共振波长对应不同应力大小的测量结果及线性拟合关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明中长周期光栅传感器的制备过程示意图。具体制备过程如下：
首先利用氢氧焰拉伸的方法拉制具有腰部区域的微光纤1，本实施例中，拉锥微光纤1的腰区直径为6微米，均匀腰区的长度为1.5厘米；拉制过程中光纤两端被固定在两个平移台上7。微光纤1拉制结束后，利用直径1毫米的玻璃棒4沾取一滴浓度为1％的特氟龙溶液，在空气中静置挥发2分钟后以大于每秒5毫米的速度在微光纤表面快速涂覆一层连续的特氟龙薄膜2，由于瑞利不稳效应，连续涂层断裂成周期性结构3，待溶剂挥发后，微光纤1表面留下周期性结构3如图2所示。本实施例中，特氟龙周期性结构3的平均周期为120微米，厚度为200-500纳米，长度为55微米。
图3是本发明透射谱的测量光路，包括超连续宽谱光源5(波长覆盖范围为1200纳米至1600纳米)、普通单模光纤6、平移台7、微光纤1和光谱分析仪8。微光纤1的两尾纤分别固定在平移台7上，光源5输出端通过单模光纤6接长周期光栅传感器的一端，传感器的另一端的透射光经单模光纤6到达光谱分析仪8。
图4是本实施例中基于瑞利不稳的长周期光栅的透射谱，图中可以看出，在1447纳米处存在对比度为15dB的共振峰，半峰宽为2纳米,这是因为微光纤表面的周期性结构激发了微光纤中的高阶模式，基模与高阶模耦合时满足相位匹配条件。
图5是本实施例中基于瑞利不稳的长周期光栅在不同应力作用下的透射谱，应力通过两端的平移台7施加，图中可以看出，应力增加过程中，共振波长向左移动，通过图6的线性拟合，得出本实施例中基于瑞利不稳的长周期光栅应力灵敏度为-2.5pm/με。
Claims (6)
1.基于瑞利不稳的长周期光栅传感器，其特征在于，拉锥微光纤表面沿其长度方向上涂覆有周期性的特氟龙结构，所述周期性的特氟龙结构位于拉锥微光纤的腰部区域；所述拉锥微光纤的腰部区域直径为1-10微米，长度为0.5-10厘米；所述特氟龙结构的平均周期为10-500微米，厚度为100-1000纳米。
2.基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用氢氧焰加热拉伸的方法拉制具有腰部区域的拉锥微光纤，(2)在玻璃棒末端蘸取一滴特氟龙溶液，利用玻璃棒沿微光纤长度方向快速扫掠的方法，在微光纤腰部区域表面涂覆一层连续的特氟龙溶液，特氟龙溶液由于瑞利不稳断裂成周期性结构，待溶剂挥发后即在拉锥微光纤的腰部区域上引入了长周期光栅，制得传感器。
3.根据权利要求2所述基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的制备方法，其特征在于，所述拉锥微光纤的腰部区域直径为1-10微米，长度为0.5-10厘米；所述长周期光栅的周期为10-500微米，厚度为100-1000纳米。
4.根据权利要求2所述基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中特氟龙溶液的浓度范围为1-6％。
5.根据权利要求2所述基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中扫掠的速度大于每秒5毫米。
6.利用如权利要求1所述基于瑞利不稳的长周期光栅传感器的测量方法，其特征在于，包括光源、单模光纤、平移台、光谱分析仪和所述长周期光栅传感器，将所述长周期光栅传感器的两个尾纤分别固定在平移台上，光源输出端通过第一单模光纤接所述长周期光栅传感器的一端，长周期光栅传感器另一端的透射光经第二单模光纤到达光谱分析仪。
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