CN110196070B - 一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，包括依次连接的宽带光源、光耦合元件和微纳光纤布喇格光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；所述宽带光源发出的光信号经光耦合元件后入射微纳光纤布喇格光栅，经微纳光纤布喇格光栅反射后再次经过光耦合元件入射光波长检测单元；所述的微纳光纤布喇格光栅，具有多个高次谐波反射信号，其各谐波反射信号波长对于环境折射率灵敏度的差异与它们对环境温度的灵敏度差异不同，可以实现对环境折射率和温度的同时测量。本发明的新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器结构紧凑、成本低、制作效率高、降低有效带宽占用且实现方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅折射传感器的研究领域，特别涉及一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器。
背景技术
凭借着成本低、结构灵活、生物相容、电绝缘以及可以远程测量等优势，光纤生物化学传感器在近年来发展尤为迅速。
光纤倏逝场生化传感器利用光波在光纤与外环境界面处产生的倏逝波，将光纤表面的特异性生物化学反应信息通过折射率变化的方式反馈于光传输信号，因此，只要对光信号参量进行追迹便可以实现对生物化学量的免标记探测。这种检测方式只与待测物浓度有关，并不依赖样本总量，符合微量样本测量的发展趋势，具有良好的应用基础和广阔的发展空间。
微纳光纤作为一种新型的倏逝场光学器件，自出现以来便引发了业内的广泛关注。一方面，其具有高比例倏逝场，对外界折射率的变化非常敏感。另一方面，微纳光纤相对常规光纤，直径减小了1个数量级，可以提供更大的表面积-体积比，更有利于生化目标的探测。此外，微纳光纤还具有结构灵活、通信系统兼容等优势，为光纤在生物医学传感领域的应用指明了方向。
在微纳光纤上制作具有纳米级周期结构的布喇格光栅，首先，可以在整体空间维度上实现器件的微型化(传感器长度为毫米量级，直径只有微米甚至纳米级别)，有利于器件的集成化和便携化；此外，其本征反射工作方式有利于在原始结构上实现微探针技术,可以最大程度的减少样品需求量，达到现场及原位检测的目的；而且，其窄带宽波长选择性可以实现更使其具备较为完备的波分复用能力，为多种待测物的联合同时测量提供了技术保证。因此，微纳光纤的布喇格光栅已经实现了对DNA、肿瘤标志物、心功能酶等生化目标的非标记检测。
然而，对于微纳光纤布喇格光栅传感器而言，温度交叉灵敏度的存在会严重影响其对环境折射率检测的准确度。传统的温度补偿或者测量方式往往需要额外引入其他的光传感元件来实现，会造成器件冗余和有效检测带宽的损失，不利于传感器的进一步发展与推广。因此，研究如何在不额外增加传感元件的情况下实现传感器的温度补偿或同时测量显得尤为关键。
中国暨南大学的Y.Ran等人采用几何双折射法，在包层为矩形的光纤所拉制的微纳光纤上写制了布喇格光栅，并基于两个正交偏振方向的反射信号实现了温度补偿下的折射率传感。然而，此种方式存在着如下问题：1)矩形包层光纤的采用会不可避免的导致成本的提高以及传输系统兼容性的问题；2)由于光纤的双折射正向影响传感器对折射率和温度参量的辨别能力，而增大双折射会导致两个正交偏振方向的反射信号的初始波长差进一步扩大，从而占据更多的有效信号带宽，不利于未来基于波分复用系统的多参量测量的发展需求。
随后，中国暨南大学的Y.Ran等人又采用了高阶模式耦合信号法，在常规通信光纤所拉制的微纳光纤上制作了布喇格光栅，并利用其高阶模式耦合反射信号与基模耦合反射信号实现了折射率传感中的温度补偿。不过，该方法也有着一定的局限性。由于光纤的细化会引发布喇格谐振波长的大幅度蓝移，传统设计波长下的高阶模式耦合信号会出现在光纤的“水吸收”区，引发信噪比的降低甚至信号湮灭等问题。
因此，深入挖掘新型布喇格光栅特征信号来实现温度自补偿或者同时测量是解决上述问题的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，具有多个高次谐波反射信号，其各谐波反射信号波长对于环境折射率灵敏度的差异与它们对环境温度的灵敏度差异不同，能实现折射率与温度同时测量。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，包括依次连接的宽带光源、光耦合元件、微纳光纤布喇格光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；
所述宽带光源发出的宽带光信号经过光耦合元件后，入射待测液体中的微纳光纤布喇格光栅，微纳光纤布喇格光栅反射后再次经过光耦合元件入射波长检测单元；
所述微纳光纤布喇格光栅同时具有K个高阶谐波反射信号，追踪高阶谐波反射信号的波长，根据谐波反射信号波长对环境折射率灵敏度的差异与各谐波反射信号对环境温度灵敏度的差异不同，构建微纳光纤布喇格光栅对折射率和温度的传感解析矩阵，能同时对折射率和温度进行测量。
进一步地，所述微纳光纤布喇格光栅包含未拉锥区域、微纳光纤、直径过渡区域。
进一步地，所述微纳光纤包括微纳光纤纤芯、写制于微纳光纤纤芯区域的布喇格光栅结构。
进一步地，所述布喇格光栅结构存在K个多阶谐波驻波结构，多阶谐波驻波结构能形成相应多阶谐波反射驻波，进而形成相应波段处的布喇格反射信号，反射率都大于90％。
进一步地，所述微纳光纤的包层直径小于10nm，微纳光纤纤芯直径小于 6nm，采用通信用多模光纤拉锥而成。
进一步地，所述谐波反射信号波长与谐波阶数相关，且各谐波反射信号波长乘以谐波阶数为定值。
进一步地，所述微纳光纤布喇格光栅采用准分子激光器结合相位掩膜板法制备，对微纳光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制。
进一步地，所述准分子激光器为193nm紫外准分子激光器。
进一步地，所述相位掩膜板法，相位掩膜板采用周期为C+L波段光栅设计，通过改变相位掩膜板的周期实现布喇格光栅波长的调谐。
进一步地，所述微纳光纤使用标准通信光纤进行熔融拉锥形成，具体为：将标准通信光纤的外涂覆层除去，把标准通信光纤固定在光纤夹具上用高温热源对去除外涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后，用光纤夹具对光纤进行拉伸，拉伸后的微纳光纤分为三部分：未拉锥区域、微纳光纤、直径过渡区域。
本发明的工作过程：宽带光源发出的光信号经光耦合元件后入射微纳光纤布喇格光栅，经微纳光纤布喇格光栅反射后再次经过光耦合元件入射光波长检测单元，通过波长检测单元对微纳光纤布喇格光栅的谱线进行追迹；微纳光纤布喇格光栅具有多个高阶谐波反射信号，各谐波反射信号波长对于环境折射率灵敏度的差异与它们对环境温度的灵敏度差异不同，由此构建微纳光纤布喇格光栅对折射率和温度的传感解析矩阵；对多个高阶谐波反射信号的波长进行在线追踪，结合传感解析矩阵，可以实现对环境折射率和温度的同时测量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明所采用的微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，通过自身的多个谐波反射信号，便可以实现对折射率与温度的同时测量，无需引入其它额外温度测量器件。
2、采用的微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，在标准通信光纤拉锥制成的微纳光纤上便可实现，兼容于现有光纤系统与体系，成本低廉。
3、采用的微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，利用多个谐波反射信号进行传感，其信号间波长差较大，避免了有效带宽的占据以及信号间的串扰。
4、采用的微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，实现两个谐波反射信号出现在1550nm和1060nm两个成熟的商用波段，一方面避免了光纤的“水吸收”区，另一方面，由于上述波段的相关光器件商用化程度较高，因此，可以进一步降低成本。
附图说明
图1是本发明所述一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中微纳光纤布喇格光栅结构示意图；
图3是本发明实施例中微纳光纤布喇格光栅的折射率传感曲线图；
图4是本发明实施例中微纳光纤布喇格光栅的温度传感曲线图。
其中，1-微纳光纤布喇格光栅，2-待测溶液，3-宽带光源，4-光耦合元件， 5-单模通信光纤，6-波长检测单元，7-未拉锥区域，8-过渡区域，9-微纳光纤， 10-微纳光纤纤芯，11-布喇格光栅结构，12-二阶谐波驻波结构，13-1550nm波段的布喇格反射信号，14-三阶谐波驻波结构，15-1030nm波段的布喇格反射信号。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种新型微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，如图1所示，包括依次连接的宽带光源3、光耦合元件4、微纳光纤布喇格光栅1，以及与光耦合元件4连接的波长检测单元6；宽带光源3与光耦合元件4之间、光纤耦合器4与微纳光纤布喇格光栅1、光耦合元件4与波长检测单元6之间均通过单模通信光纤5连接。
宽带光源3发出的宽带光信号经过光耦合元件4后，入射待测溶液2中的微纳光纤布喇格光栅1，将微纳光纤布喇格光栅1作为传感探头伸入待测溶液2 中，通过与光耦合元件4连接的波长检测单元6对微纳光纤布喇格光栅1的谱线进行追踪。
所述微纳光纤布喇格光栅1同时具有多个高阶谐波反射信号。
微纳光纤布喇格光栅1在标准通信多模光纤所拉制的微纳光纤上制备而成，具体为：将标准通信光纤的外涂覆层除去，把标准通信光纤固定在光纤夹具上用高温热源对去除外涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后，用光纤夹具对光纤进行拉伸；微纳光纤结构如图2所示，包括未拉锥区域7、过渡区域8、微纳光纤9，这里的过渡区域为直径渐变过渡区域；由于标准通信多模光纤具有较大的纤芯结构，因此拉锥后的微纳光纤依旧保留着纤芯部分。而拉锥后的微纳光纤9直径不大于10微米，微纳光纤纤芯直径为3至6微米。
微纳光纤9包括微纳光纤纤芯10、写制于微纳光纤纤芯区域的布喇格光栅结构11；布喇格光栅结构11采用折射率周期调制方法在微纳光纤上刻写得出，完成传感信号的换能与收集，直径渐变过渡区域将微纳光纤布喇格光栅区域收集的传感信号传递至未拉锥区域，未拉锥区域与商用通信检测线路以及设备实现光互联。
这里采用193nm准分子激光器结合相位掩模板法；布喇格光栅结构能形成二阶谐波反射驻波，从而形成1550nm波段处的布喇格反射信号；布喇格光栅结构能形成三阶谐波反射驻波，从而形成1030nm波段处的布喇格反射信号。
二阶谐波驻波结构12所对应的1550nm波段的布喇格反射信号13的折射率灵敏度为17nm/RIU，温度灵敏度为0.0138nm/℃。三阶谐波驻波结构14所对应的1030nm波段的布喇格反射信号15的折射率灵敏度为1.75nm/RIU，温度灵敏度为0.0109nm/℃。因此，利用波长检测单元6对1550nm波段的布喇格反射信号13和1030nm波段的布喇格反射信号15进行追迹，结合折射率温度解析矩阵，可以同时计算出溶液折射率的变化以及溶液温度的变化，图3是微纳光纤布喇格光栅的折射率传感曲线图，图4是微纳光纤布喇格光栅的温度传感曲线图。
其中，ΔRI为溶液折射率变化量，ΔT为溶液温度的变化量，Δλ1为1550nm 波段的布喇格反射信号的波长变化量，Δλ2为1030nm波段的布喇格反射信号的波长变化量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，包括依次连接的宽带光源、光耦合元件、微纳光纤布喇格光栅，以及与光耦合元件连接的波长检测单元；
所述宽带光源发出的宽带光信号经过光耦合元件后，入射待测液体中的微纳光纤布喇格光栅，微纳光纤布喇格光栅反射后再次经过光耦合元件入射波长检测单元；
所述微纳光纤布喇格光栅包含未拉锥区域、微纳光纤、直径过渡区域；所述微纳光纤包括微纳光纤纤芯、写制于微纳光纤纤芯区域的布喇格光栅结构；所述布喇格光栅结构存在K个多阶谐波驻波结构，多阶谐波驻波结构能形成相应多阶谐波反射驻波，进而形成相应波段处的布喇格反射信号，所述K＞2；所述微纳光纤布喇格光栅同时具有K个高阶谐波反射信号，追踪高阶谐波反射信号的波长，根据各谐波反射信号波长对环境折射率灵敏度的差异与各谐波反射信号波长对环境温度灵敏度的差异不同，构建微纳光纤布喇格光栅对折射率和温度的传感解析矩阵，能同时对折射率和温度进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤的包层直径小于10nm，微纳光纤纤芯直径小于6nm。
3.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述谐波反射信号波长与谐波阶数相关，且各谐波反射信号波长乘以谐波阶数为定值。
4.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤布喇格光栅采用准分子激光器结合相位掩膜板法制备。
5.根据权利要求4所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述准分子激光器为193nm紫外准分子激光器。
6.根据权利要求4所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述相位掩膜板法，相位掩膜板采用周期为C+L波段光栅设计，通过改变相位掩膜板的周期实现布喇格光栅波长的调谐。
7.根据权利要求1所述的一种微纳光纤布喇格光栅折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤布喇格光栅使用标准通信光纤进行熔融拉锥形成，具体为：将标准通信光纤的外涂覆层除去，把标准通信光纤固定在光纤夹具上用高温热源对去除外涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后进行拉伸。
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- 2019-05-13 CN CN201910394486.4A patent/CN110196070B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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