CN110057389A - 基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第一无芯光纤、至少有两个气孔且其中一部分气孔外露的边孔光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤、光谱仪。光场能量被第一无芯光纤分光分别进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的孔以及被封闭的孔。这三路光场能量被第二无芯光纤合并，再经第二单模光纤输出至光谱仪。边孔光纤纤芯以及与外界连通的孔中的两束光发生干涉，形成马赫曾德干涉，其干涉光谱随着外界环境变化；纤芯和被封闭的孔中的两束光也发生马赫曾德干涉，其干涉光谱不受外界环境的变化影响。两个马赫曾德干涉并联形成游标效应，使传感器具有44084.1nm/RIU的超高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，属于光生化传感技术领域。
背景技术
折射率的检测一直在生物医学、物理、化学、工业等领域发挥着重要的作用。在众多折射率传感器中，光纤传感器具有响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等优点，在光学传感器中有很大的应用前景。但是光纤传感器目前遇到的一个普遍的问题就是，光纤内光场能量通过倏逝场与外界环境接触，光-物相互作用很弱，灵敏度很低。近年来，微结构光纤的出现，似乎使这一困境出现了转机。如何设计结构，使其内部的孔洞将导光路径与液体流通路径集成，以此来增强光-物相互作用，提高检测灵敏度，这是一个问题。
此外，光学游标效应与游标卡尺测量原理类似，当两种周期性干涉光谱的周期不同但差异很小时，两者叠加形成的光谱的包络具有更大的周期，而且相同的外界环境变化所引起的包络偏移量比原来任意一个的周期性干涉光谱的偏移量更大，从而实现传感相位灵敏度的倍增。光学游标效应在光纤传感器中的应用能显著提高其灵敏度，增强其传感性能。例如，哈尔滨理工大学2019年1月17日申请的基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器将Sagnac干涉计与FP干涉计串联，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度，使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级。2019年2月18日，南方科技大学提出的基于微波光子技术的液体密度传感器系统利用双重的Sagnac环干涉形成游标效应实现了对被检测的液体密度的检测，提高检测精度。上述结构无疑成功的利用游标效应提高了光纤传感器的灵敏度，但是光路繁复，结构相当复杂，实际使用不方便。
发明内容
本发明针对上述问题，通过合理设计光纤结构，将两个马赫曾德干涉光路集成于同一根光纤中，形成游标效应提高光纤传感器的灵敏度的同时，使整体结构高度集成小型化。
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，包括：宽带光源、将光场能量输入的第一单模光纤、进行分光的第一无芯光纤、至少具有两个气孔且有一部分个数的气孔外露的边孔光纤、耦合光场的第二无芯光纤、将光场能量输出给光谱仪的第二单模光纤、光谱仪。
其中，所述宽带光源与第一单模光纤通过光纤珐琅盘连接，第二单模光纤与光谱仪通过光纤珐琅盘连接，第一单模光纤、第一无芯光纤、边孔光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤依次用光纤熔接机进行熔接相连。
其中，所述的边孔光纤在纤芯旁具有多个(至少两个)与纤芯同向的气孔通道，并且有一部分个数的通道与外界环境连通，可以作为传感区域，其余气孔通道被两侧的第一无芯光纤和第二无芯光纤封闭，具体做法可以是事先对边孔光纤进行侧边抛磨直至有部分气孔外露，或者是在光纤熔接过程中进行错位熔接，使其中的部分气孔没有被两侧的无芯光纤完全堵住。
其中，所述第一单模光纤与第二单模光纤为普通的单模光纤，包层直径125微米，纤芯直径8.2微米；所述第一无芯光纤的直径、边孔光纤的包层直径、第二无芯光纤的直径与单模光纤包层直径相同。
其中，所述第一无芯光纤与第二无芯光纤的长度控制在1毫米左右，既能保证光路的分光与耦合，又避免引入明显的多模干涉。
其中，所述边孔光纤的长度小于3毫米，避免引入太大的损耗。
其中，光场能量在所述传感器中传输的具体光路为：从宽带光源出发的光场能量通过第一单模光纤进入第一无芯光纤，第一无芯光纤对光场进行扩束分光使得光场能量分别进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的气孔、被封闭的孔。然后这三路的光场能量被第二无芯光纤合并耦合，再经过第二单模光纤输出至光谱仪，最后光谱仪输出实际光谱。
所述传感器的总光路中包含了两个马赫曾德干涉。
边孔光纤与外界环境连通的孔中的光以及纤芯中的光发生第1个马赫曾德干涉，干涉光强其中I开孔表示与外界环境连通的孔中的光强，I纤芯表示边孔光纤纤芯中的光强，表示这两束波长为λ的光经过边孔光纤的长度L边孔光纤以后的相位差，表示纤芯对于波长为λ的光的等效折射率，表示与外界环境连通的孔对于波长为λ的光的等效折射率。由于不受外界环境影响，而随着周围环境变化而变化，所以两束光的相位差△n1随着外界环境变化而变化，其光谱透射率的波谷以及自由光谱范围都随着周围环境改变而改变，这里k是正整数；
第2个马赫曾德干涉是纤芯中以及被封闭的孔中的两束光发生干涉，干涉光强其中I封闭孔表示被封闭的孔中的光强，I纤芯表示边孔光纤纤芯中的光强，表示这两束波长为λ的光经过边孔光纤的长度L边孔光纤以后的相位差，这里表示纤芯对于波长为λ的光的等效折射率，表示被封闭的孔对于波长为λ的光的等效折射率。由于两束光与外界环境无接触，所以两束光的相位差△n2不受外界环境影响，其光谱透射率的波谷以及自由光谱范围都不受外界环境影响，这里k是正整数。
两个马赫曾德干涉并联，两个干涉光谱叠加成新的光谱。当两种干涉光谱的周期，即FSR1和FSR2不同但差异很小时，两者叠加形成的光谱的包络具有更大的周期，新的光谱包络的自由光谱范围而且相同的外界环境变化所引起的包络偏移量比原来任意一个的周期性干涉光谱的偏移量更大，从而实现传感相位灵敏度的倍增，放大倍数这就是所谓的光学游标效应。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用边孔光纤的孔将传光路径与传感区域集成，既增强了光-物相互作用，提高灵敏度，又实现了器件小型化，还有效减少了所需样品量，仅需要充满微米量级尺寸的传感气孔，样品量为μL量级。
本发明将双重马赫曾德干涉集成于同一段边孔光纤中，实现了游标效应，进一步提高了传感灵敏度，又大大简化了光路结构的繁复程度，有利于实现结构的高集成度与器件小型化。
附图说明
图1为本发明实施例中基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器的系统示意图
图2为本发明实施例中通过将边孔光纤侧面磨抛实现其中一个孔与外界环境连通的结构示意图
图3为本发明实施例中通过将边孔光纤错位熔接实现其中一个孔与外界环境连通的结构示意图
图4为针对本发明实施例中的传感器进行仿真计算得到的第1个马赫曾德干涉的干涉光谱图
图5为针对本发明实施例中的传感器进行仿真计算得到的第2个马赫曾德干涉的干涉光谱图
图6为针对本发明实施例中的传感器进行仿真计算得到的两个马赫曾德干涉光谱叠加形成的新的光谱及其包络线
图7为本发明实施例中基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器进行实际检测的光谱以及光谱的包络线
图8为本发明实施例中基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器进行实际检测的波长偏移图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明实施例中基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器的示意图，包括：宽带光源1、将光场能量输入的第一单模光纤2、进行分光的第一无芯光纤3、至少具有两个气孔且有一部分个数的气孔外露的边孔光纤4、耦合光场的第二无芯光纤5、将光场能量输出给光谱仪的第二单模光纤6、光谱仪7。其中，所述宽带光源1与第一单模光纤2通过光纤珐琅盘连接，第二单模光纤6与光谱仪7通过光纤珐琅盘连接，第一单模光纤2、第一无芯光纤3、边孔光纤4、第二无芯光纤5、第二单模光纤6之间依次用光纤熔接机进行熔接相连。第一单模光纤2与第二单模光纤6为普通的单模光纤，包层直径125微米，纤芯直径8.2微米；所述第一无芯光纤3的直径、边孔光纤4的包层直径、第二无芯光纤5的直径与第一单模光纤2和第二单模光纤6的包层直径相同。所述第一无芯光纤3与第二无芯光纤5的长度均为1毫米，边孔光纤的长度为2.7毫米。
如图2和图3所示为本发明实施例中涉及到的将边孔光纤的其中一个孔与外界环境连通的结构示意图，其中图2中的结构是通过事先将边孔光纤进行侧面磨抛实现其中一个孔与外界环境连通，而图3中的结构则是通过错位熔接实现边孔光纤的其中一个孔与外界环境连通。在图2和图3中，第一单模光纤2、第一无芯光纤3、边孔光纤4、第二无芯光纤5、第二单模光纤6依次用光纤熔接机进行熔接相连。其中，所述的边孔光纤4在纤芯402两侧具有两个孔401和403。其中一个孔401与外界环境相连通，可以作为传感区域，另一个孔403被两侧的第一无芯光纤3以及第二无芯光纤5封闭。
从宽带光源1发出的光场能量通过第一单模光纤2进入第一无芯光纤3，第一无芯光纤3对光场进行扩束分光使得光场能量分别进入边孔光纤4裸露于外界环境中的孔401、边孔光纤的纤芯402、边孔光纤的被封闭的另一个孔403。然后这三路的光场能量被第二无芯光纤5合并耦合，再经过第二单模光纤6输出至光谱仪7。
所述传感器中的总光路中包含了两个马赫曾德干涉。
其中，第1个马赫曾德干涉：与外界环境相连通的孔401中的光以及边孔光纤纤芯402中的光发生干涉，它的干涉光强其中I开孔表示与外界环境连通的孔中的光强，I纤芯表示边孔光纤纤芯中的光强，表示这两束波长为λ的光经过边孔光纤的长度L边孔光纤以后的相位差，表示纤芯对于波长为λ的光的等效折射率，表示与外界环境连通的孔对于波长为λ的光的等效折射率。由于不受外界环境影响，而随着周围环境变化而变化，所以两束光的相位差△n1随着外界环境变化而变化，其光谱透射率的波谷以及自由光谱范围都随着周围环境改变而改变，这里k是正整数。图4是针对实施例中的光纤传感器用软件仿真模拟计算得到的纤芯中的光和与外界环境连通的孔中的光发生马赫曾德干涉以后形成的干涉光谱，其FSR1为3.3纳米。
第2个马赫曾德干涉是边孔光纤纤芯402中的光与被封闭的孔403中的光发生干涉，这里的干涉光强其中I封闭孔表示被封闭的孔中的光强，I纤芯表示边孔光纤纤芯中的光强，表示这两束波长为λ的光经过边孔光纤的长度L边孔光纤以后的相位差，这里表示纤芯对于波长为λ的光的等效折射率，表示被封闭的孔对于波长为λ的光的等效折射率。由于两束光与外界环境无接触，所以两束光的相位差△n2不受外界环境影响，其光谱透射率的波谷以及自由光谱范围都不受外界环境影响，这里k是正整数。图5是针对实施例中的光纤传感器用软件仿真模拟计算得到的纤芯中的和被封闭的孔中的两束光发生马赫曾德干涉以后形成的干涉光谱，其FSR2为2.9纳米。
两个马赫曾德干涉并联，两个干涉光谱叠加成新的光谱。当两种干涉光谱周期即FSR1和FSR2不同但差异很小时，两者叠加形成的光谱的包络具有更大的周期，新的光谱包络的自由光谱范围图6所示为用软件仿真模拟计算得到的两个马赫曾德干涉光谱叠加后形成的新的光谱以及其包络线。新的光谱包络具有更大的FSR包络，为24纳米。这就是游标效应，能引起M倍的灵敏度增加，其中
进一步的，在本发明的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器的传感区域滴入具有不同折射率的溶液。图7所示为进行实际检测时的光谱以及光谱的包络线，与仿真得到的结果基本吻合，说明游标效应已经形成了。
图5所示为本发明实施例中基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器进行实际检测的波长偏移图。从图中可以看到对于具有不同折射率的葡萄糖溶液具有不同程度的光谱波长偏移。实施例中光纤传感器实现了44084.1nm/RIU的超高折射率灵敏度，这里RIU表示折射率单位。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (6)
1.基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：包括宽带光源、将光场能量输入的第一单模光纤、进行分光的第一无芯光纤、至少具有两个气孔通道且有一部分个数的通道外露的边孔光纤、耦合光场的第二无芯光纤、将光场能量输出给光谱仪的第二单模光纤、光谱仪；
光场能量经过第一单模光纤后被第一无芯光纤分光，分别进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的气孔通道以及被封闭的通道，经过边孔光纤后又被第二无芯光纤合并，再经过第二单模光纤输出至光谱仪；
边孔光纤纤芯以及与外界环境连通的孔中的两束光发生干涉，形成马赫曾德干涉，其干涉光谱随着外界环境变化而变化；纤芯以及被封闭的孔中的两束光也发生马赫曾德干涉，其干涉光谱不受外界环境变化而影响；两个马赫曾德干涉并联形成游标效应。
2.根据权利要求1所述的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：所述宽带光源与第一单模光纤通过光纤珐琅盘连接，第二单模光纤与光谱仪通过光纤珐琅盘连接，第一单模光纤、第一无芯光纤、边孔光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤之间依次用光纤熔接机进行熔接相连。
3.根据权利要求1所述的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：所述的边孔光纤在纤芯旁具有多个(至少两个)与纤芯同向的气孔通道，并且有一部分个数的通道与外界环境连通，可以作为传感区域，其余气孔通道被两侧的第一无芯光纤和第二无芯光纤封闭。
4.根据权利要求1所述的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：所述第一单模光纤与第二单模光纤为普通的单模光纤，包层直径125微米，纤芯直径8.2微米；所述第一无芯光纤的直径、边孔光纤的包层直径、第二无芯光纤的直径与单模光纤包层直径相同。
5.根据权利要求1所述的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：所述第一无芯光纤与第二无芯光纤的长度为1毫米。
6.根据权利要求1所述的基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其特征在于：所述边孔光纤的长度小于3毫米。
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