CN108872089B - 含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法 - Google Patents

含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法 Download PDF

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    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Abstract

本发明属于光纤光栅生化医学传感器设计领域，具体涉及含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法，通过在靠近倾斜光纤光栅纤芯区域的包层中引入折射率调制(即内包层调制)，极大增强了倾斜光纤光栅的谐振强度，从而极大提高了检测灵敏度；通过监测传感器的谐振强度而非谐振波长随待测物质的变化从而实现传感，不仅简化了传感器的制备工艺，同时大大降低了检测装置的成本；进一步通过调控该传感器在不同待测物质环境中的谐振强度，可实现低折射率区域的气体到高折射率区域的液体的高灵敏高精度的折射率传感检测。

Description

含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法
技术领域
本发明属于光纤光栅生化医学传感器设计领域，具体涉及含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法。
背景技术
光纤光栅传感器是一种重要的无源光子器件，在生物医学检测、环境监测、污染物传感等方面具有非常广阔的应用前景。在这些传感应用中，其基本原理是通过监测光纤光栅的特征参量(如谐振波长、谐振强度、偏振损耗等)随待测物质参量(典型的为待测物质折射率)的变化，从而实现传感检测。在光纤光栅传感研究的相关报道中，倾斜光纤光栅成为近些年的研究热点。倾斜光纤光栅是一种光栅调制平面与光纤轴向具有一定夹角的光纤光栅。
为提高倾斜光纤光栅的传感灵敏度，常用的方法是在光栅区域的包层表面涂敷纳米量级金属薄膜或其他特异性传感薄膜，从而将满足相位匹配条件的包层模耦合至金属薄膜内激励起表面等离子体共振波或膜层内谐振模式。等离子共振波或膜层内谐振模式对待测物质的折射率变化非常敏感，因而具有比传统光纤光栅传感器更优异的传感性能，相关领域已成为国内外研究热点。然而，该方法需要在纳米量级范围内精确控制膜层厚度，对传感器制备工艺及器件稳定性提出了较高要求。另一方面，减小倾斜光纤光栅的半径，从而增强包层模的倏逝场强度，可在一定范围内有效增强其传感灵敏度。但该方法破坏了光纤结构，其机械强度及稳定性受到了一定的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法。
本发明所采取的技术方案如下：含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，包括：
宽带光源，用于产生具有一定宽波段的入射光；
偏振控制器，用于接收所述宽带光源形成的入射光，并将所述入射光转化为单一偏振态的s偏振光；
待测物质反应池，为放置有含内包层调制倾斜光纤光栅的反应器皿，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅为在纤芯和靠近纤芯区域的包层中(即含内包层调制)写入倾斜光栅的倾斜光纤光栅构成，所述的s偏振光输入至所述的倾斜光纤光栅后，在光纤纤芯内激励起s偏振态纤芯导模，在满足相位匹配条件时，所述的s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至s偏振态TE0,j及HE2,j包层模式并在输出端产生包层模谐振峰或损耗峰；
滤波器，其中心波长与倾斜光纤光栅包层模的谐振波长匹配，该滤波器仅允许谐振波长处的光通过；
光电探测器，用于检测倾斜光纤光栅谐振峰强度的变化。
优选地，所述宽带光源为输出光谱包括1300nm～1600nm波段的宽带光源，所述宽带光源的输出光谱范围涵盖倾斜光纤光栅的输出光谱。
优选地，所述含内包层调制倾斜光纤光栅的光栅倾角为87°。
优选地，所述含内包层调制倾斜光纤光栅刻写在光纤纤芯区域和内包层调制区域。
优选地，所述含内包层调制倾斜光纤光栅参数如下：光纤纤芯半径4.15μm，光纤包层半径62.5μm，光纤纤芯折射率比光纤包层折射率高0.36％，内包层调制区域的折射率与光纤包层折射率一致，内包层调制区域的厚度介于0μm～6μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅倾角为87°，光栅长度介于20mm～30mm之间。
优选地，所述内包层调制区域最佳厚度及谐振参数根据待测物质的初始折射率确定。
优选地，应用于气体折射率测量时，待测物质反应池为密封容器，含内包层调制倾斜光纤光栅置于器皿中的待测物质内，利用气泵注入或抽出密封容器内待测气体，从而改变气体折射率，通过光电探测器监测谐振峰强度的变化实现待测气体折射率的检测。
优选地，应用于液体折射率测量时，待测物质池为普通的玻璃器皿，含内包层调制倾斜光纤光栅置于器皿中的待测物质内，稀释或注入待测物质改变液体折射率，通过光电探测器监测谐振峰强度的变化实现待测液体折射率的检测。
一种基于上述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感优化方法，包括：
S1、根据倾斜光纤光栅相位匹配条件，确定谐振包层模式。在满足相位匹配条件时，s偏振态纤芯导模会耦合至s偏振态TE0,j及HE2，j-1包层模式而非传统光纤光栅的HE/EH1,j包层模式；
S2、得到内包层调制对倾斜光纤光栅谐振强度的影响规律，确定最强包层模谐振参数。在靠近纤芯区域的包层中写入倾斜光栅后，纤芯导模通过倏逝场与包层模发生模式耦合，从而调控倾斜光纤光栅的谐振峰强度。考虑不同内包层调制区域的厚度并调整倾斜光纤光栅的长度，可得到含内包层调制倾斜光纤光栅的谐振强度随光栅长度的变化规律，从而得到最强包层模谐振并用于优化折射率传感灵敏度；
S3、得到含内包层调制倾斜光纤光栅的优化传感特性，逐步改变待测物质折射率，并通过光电探测器监测经滤波器后谐振峰强度的变化，从而得到含内包层调制倾斜光纤光栅的折射率传感特性；
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过监测s偏振态TE0,j和HE2，j-1包层模式的谐振强度随待测物质的变化来实现传感(即光强探测方式)，而非普遍采用的波长解调方法，不仅简化了传感装置的制备工艺，同时大大降低了传感装置的成本，具有传感装置结构简单且检测过程简单等优点。
(2)本发明采用含内包层调制倾斜光纤光栅作为传感探头，s偏振光进入该传感探头的光栅区域后在色散转折点处耦合至s偏振态TE0,j和HE2,j-1包层模式而非传统的HE/EH1,j包层模式，并在输出端产生s偏振包层模单峰谐振，TE0,j和HE2,j-1包层模具有比HE/EH1,j包层模式更灵敏的环境响应特性，从而有利于获得更优异的传感特性。
(3)本发明通过控制含内包层调制倾斜光纤光栅的内包层调制区域的厚度，可调控纤芯导模和包层模的模式耦合特性，从而在输出端产生比普通倾斜光纤光栅更强的单峰谐振，极大提高了倾斜光纤光栅的传感灵敏度，即优化了倾斜光纤光栅的传感性能。
(4)本发明通过引入内包层调制来优化倾斜光纤光栅的传感性能，与普遍采用的通过涂敷纳米量级金属薄膜、传感薄膜或腐蚀减小光纤包层半径提高传感性能相比，该方法不需要额外的纳米量级薄膜或腐蚀光纤，极大简化了传感器件的制备工艺，同时保证了传感器件的机械强度和稳定性。
(5)本发明应用的灵敏度优化方法与待测物质的初始折射率有关。对于其他不同初始折射率的待测物质，均可应用该方法得到倾斜光纤光栅最佳的内包层调制区域的厚度及谐振参数，使含内包层调制倾斜光纤光栅获得最佳传感性能，因而极大扩展了本发明提出的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置的适用范围，可实现低折射率区域的气体(nsri＝1.0～1.1)到高折射率区域的液体(nsri＝1.33～1.45)的高灵敏度高精度传感检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置结构框图；
图2为含内包层调制倾斜光纤光栅原理图；
图3为含内包层调制倾斜光纤光栅相位匹配条件；
图4为含内包层调制倾斜光纤光栅谐振强度与光栅长度的变化规律，插图为谐振强度与包层模调制区域厚度的变化规律；
图5为含内包层调制倾斜光纤光栅传感特性；
图6为含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感优化方法的流程示意图；
图中，1，宽带光源；2，偏振控制器；3，单模光纤跳线；4，待测物质反应池；5，含内包层调制倾斜光纤光栅；6，滤波器；7，光电探测器；8，内包层调制；9，倾斜光栅；10，待测物质；11，s偏振态包层模式。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本实施例公开了含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法，如图1所示，包括：宽带光源1、偏振控制器2、单模光纤跳线3、待测物质反应池4、含内包层调制倾斜光纤光栅5、滤波器6及光电探测器7。如图2所示，所述含内包层调制倾斜光纤光栅5为在纤芯和靠近纤芯区域的包层中(即含内包层调制8)写入倾斜光栅9的倾斜光纤光栅构成，所述含内包层调制倾斜光纤光栅5置于待测物质10内。其中，rco和rcl分别表示纤芯和包层半径，nco和ncl分别表示纤芯和包层折射率，nsri表示待测物质折射率，θ表示光栅倾角，Λ表示倾斜光栅周期，δr表示内包层调制8区域的厚度。所述的单模光纤跳线3用于连接偏振控制器2和含内包层调制倾斜光纤光栅5、含内包层调制倾斜光纤光栅5和滤波器6。
本实例中，所述的光源为近红外波段的宽带光源；所述的偏振控制器可将光源的输出光转化为单一偏振态的s偏振光，s偏振光经所述的单模光纤跳线输入至所述的含内包层调制倾斜光纤光栅并激励起s偏振态纤芯导模；所述的单模光纤跳线3为商用单模光纤跳线；所述的待测物质反应池为放置有所述的含内包层调制倾斜光纤光栅的反应器皿；所述的含内包层调制倾斜光纤光栅由所述的含内包层调制的光栅倾角为87°的倾斜光纤光栅构成；所述的含内包层调制倾斜光纤光栅置于所述的待测物质内；满足相位匹配条件的s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至s偏振态TE0,j和HE2,j-1包层模式11并在输出端的透射谱中产生包层模谐振峰或损耗峰；含内包层调制倾斜光纤光栅的输出光谱输入至所述的滤波器，滤波器的中心波长匹配含内包层调制倾斜光纤光栅包层模的谐振波长；含内包层调制倾斜光纤光栅的输出光谱经滤波器后输入至所述的光电探测器中检测谐振峰强度的变化。
本实例中，含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感的工作原理为：所述的宽带光源输出近红外波段的非偏振光，通过所述的偏振控制器后转化为单一偏振方向的s偏振光并输入至放置于所述的样品反应池内所述的含内包层调制倾斜光纤光栅，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅由含内包层调制的且倾角达87°的倾斜光纤光栅组成；所述的s偏振光输入至所述的含内包层调制倾斜光纤光栅后，在其纤芯内激励起s偏振态纤芯导模；在满足相位匹配条件时，所述的s偏振态纤芯导模在倾斜光栅区域耦合至s偏振态TE0,j及HE2,j-1包层模式并在输出端产生包层模谐振峰或损耗峰，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅输出光谱进入至所述的滤波器，调整滤波器的中心波长与所述的含内包层调制倾斜光纤光栅包层模的谐振波长匹配，经滤波器滤波后仅剩下该谐振波长处的光通过，并输入至所述的光电探测器，通过光电探测器监测包层模谐振强度随待测物质的变化，从而实现传感监测。
本实例中，含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感的优化方法为：通过在普通倾斜光纤光栅的包层区域引入内包层调制，并调控内包层调制区域的厚度及谐振参数，使s偏振态纤芯导模与s偏振态TE0,j及HE2,j-1包层模式之间的耦合发生在包层模色散转折点的位置，从而在谐振波长处产生s偏振态单峰谐振，经滤波后通过光电探测器监测谐振强度的变化。相比于普通的倾斜光纤光栅，含内包层调制倾斜光纤光栅可大大增强包层模的谐振强度，因而具有更灵敏的环境响应特性，可获得更高灵敏度和传感精度的传感检测。
本实例中，所述的宽带光源为输出光谱包括1300nm～1600nm波段的宽带光源，所述宽带光源的输出光谱范围涵盖含内包层调制倾斜光纤光栅的输出光谱。
本实例中，所述的偏振控制器用于将光源输出光转化为单一偏振方向的s偏振光。
本实例中，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅由含内包层调制的且倾角为87°的倾斜光纤光栅构成。
本实例中，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅刻写在单模石英光纤的纤芯和靠近纤芯的内包层区域。
本实例中，所述的滤波器的滤波范围涵盖了含内包层调制倾斜光纤光栅的谐振波长。
本实例中，含内包层调制倾斜光纤光栅的一组典型参数为：纤芯半径4.15μm，包层半径62.5μm，纤芯折射率比包层折射率高0.36％，内包层调制区域的折射率与包层折射率一致，内包层调制区域的厚度介于0μm～6μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅倾角为87°，光栅长度介于20mm～30mm之间，光栅周期根据相位匹配条件而确定，对于不同的包层模谐振，其光栅周期不尽相同。
进一步的，本实例中含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感优化方法通过如下步骤实现，如图6所示：
S1、根据倾斜光纤光栅相位匹配条件，确定谐振包层模式。考虑待测物质初始折射率为nsri＝1.343，在满足相位匹配条件时，s偏振态纤芯导模会耦合至s偏振态TE0,11及HE2,10包层模式、而非传统光纤光栅的HE/EH1,j包层模式，如图3所示。
S2、得到内包层调制对倾斜光纤光栅谐振强度的影响规律，确定最强包层模谐振参数。在靠近纤芯区域的包层中写入倾斜光栅后，纤芯导模通过倏逝场与包层模发生模式耦合，从而调控倾斜光纤光栅的谐振峰强度。考虑内包层调制区域的厚度介于0μm～6μm之间，并调整倾斜光纤光栅的长度，可得到含内包层调制倾斜光纤光栅的谐振强度随光栅长度的变化规律，从而得到最强包层模谐振并优化折射率传感灵敏度。如图4所示，考虑待测物质初始折射率为nsri＝1.343，对于普通的倾斜光纤光栅(δr＝0μm)，其最强谐振峰强度为37.5dB(取绝对值，下同)；当内包层调制区域厚度为δr＝2μm时，其最强谐振峰强度达55.1dB。对于其他初始折射率的待测物质，内包层调制区域厚度及谐振强度同样可通过该方法进行优化。
S3、得到含内包层调制倾斜光纤光栅的传输及优化传感特性。逐步改变待测物质折射率，并通过光电探测器监测经滤波器后谐振峰强度的变化，从而得到含内包层调制倾斜光纤光栅的折射率传感特性。含内包层调制倾斜光纤光栅透射谱中谐振峰的位置及强度变化可通过滤波器和光电探测器确定，包括以下两个步骤：第一步，逐步调整滤波器的中心波长，同时通过光电探测器监测谐振强度的变化，光强能量最小的位置即为最强谐振峰的位置；第二步，待测物质折射率发生变化时，经滤波器后通过光电探测器监测谐振峰强度的变化。如图5所示，选择内包层调制区域厚度分别为δr＝0μm和δr＝2μm的倾斜光纤光栅，普通倾斜光纤光栅(δr＝0μm)的最大灵敏度为6343.7dB/RIU，含2μm内包层折射率调制倾斜光纤光栅的最大灵敏度达到18742.3dB/RIU，提高约3倍。
进一步的，对于其他初始折射率的待测物质，可按照步骤S1～S3优化内包层调制区域的厚度及谐振峰强度，从而极大扩展了倾斜光纤光栅的适用范围及传感灵敏度，可实现低折射率区域的气体(nsri＝1.0～1.1)到高折射率区域的液体(nsri＝1.33～1.45)的高灵敏度高精度传感检测。
以上所述仅为本发明的一种实施例，并非用来限制本发明的保护范围；本发明的保护范围由权利要求书中的权利要求限定，并且凡是依发明所作的等效变化与修改，都在本发明专利的保护范围之内。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于，包括：
宽带光源(1)，用于产生具有一定宽波段的入射光；
偏振控制器(2)，用于接收所述宽带光源(1)形成的入射光，并将所述入射光转化为单一偏振态的s偏振光；
待测物质反应池(4)，为放置有含内包层调制倾斜光纤光栅(5)的反应器皿，所述的含内包层调制倾斜光纤光栅(5)为在纤芯和靠近纤芯区域的包层中写入倾斜光栅(9)的倾斜光纤光栅构成，写入倾斜光栅(9)的靠近纤芯区域的包层为内包层调制(8)，所述的s偏振光输入至所述的倾斜光纤光栅后，在光纤纤芯内激励起s偏振态纤芯导模，在满足相位匹配条件时，所述的s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至s偏振态TE0,j及HE2,j包层模式并在输出端产生包层模谐振峰；
滤波器(6)，其中心波长与倾斜光纤光栅包层模的谐振波长匹配，该滤波器仅允许谐振波长处的光通过；
光电探测器(7)，用于检测倾斜光纤光栅谐振峰强度的变化。
2.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于：所述宽带光源(1)为输出光谱包括1300nm～1600nm波段的宽带光源，所述宽带光源(1)的输出光谱范围涵盖倾斜光纤光栅的输出光谱。
3.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于：所述含内包层调制倾斜光纤光栅(5)的光栅倾角为87°。
4.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于，所述含内包层调制倾斜光纤光栅(5)参数如下：光纤纤芯半径4.15μm，光纤包层半径62.5μm，光纤纤芯折射率比光纤包层折射率高0.36％，内包层调制(8)区域的折射率与光纤包层折射率一致，内包层调制(8)区域的厚度介于0μm～6μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅倾角为87°，光栅长度介于20mm～30mm之间。
5.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于：所述内包层调制(8)区域的最佳厚度及谐振参数根据待测物质的初始折射率确定。
6.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于：应用于气体折射率测量时，待测物质反应池为密封容器，含内包层调制倾斜光纤光栅(5)置于器皿中的待测物质内，利用气泵注入或抽出密封容器内待测气体，从而改变气体折射率，通过光电探测器(7)监测谐振峰强度的变化实现待测气体折射率的检测。
7.根据权利要求1所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置，其特征在于：应用于液体折射率测量时，待测物质反应池为普通的玻璃器皿，含内包层调制倾斜光纤光栅(5)置于器皿中的待测物质内，稀释或注入待测物质改变液体折射率，通过光电探测器(7)监测谐振峰强度的变化实现待测液体折射率的检测。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置的含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感优化方法，其特征在于，包括：
S1、根据倾斜光纤光栅相位匹配条件，确定谐振包层模式，在满足相位匹配条件时，s偏振态纤芯导模会耦合至s偏振态TE0,j及HE2,j-1包层模式而非传统光纤光栅的HE/EH1,j包层模式；
S2、得到内包层调制对倾斜光纤光栅谐振强度的影响规律，确定最强包层模谐振参数，在靠近纤芯区域的包层中写入倾斜光栅后，纤芯导模通过倏逝场与包层模发生模式耦合，从而调控倾斜光纤光栅的谐振峰强度；考虑不同内包层调制区域的厚度并调整倾斜光纤光栅的长度，可得到含内包层调制倾斜光纤光栅的谐振强度随光栅长度的变化规律，从而得到最强包层模谐振并用于优化折射率传感灵敏度；
S3、得到含内包层调制倾斜光纤光栅的优化传感特性，逐步改变待测物质折射率，并通过光电探测器监测经滤波器后谐振峰强度的变化，从而得到含内包层调制倾斜光纤光栅的折射率传感特性。
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