CN110441259A - 一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓣状光纤光栅折射率传感器，包括：所述瓣在光纤径向方向，在包层等角度的设置有n个凹槽，形成瓣状结构，n≥3；所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；在光纤轴向方向，在包层等间距的设置有k个瓣状结构，k≥1，在任一个凹槽内刻写有布拉格光栅。本方案提供了一种新型瓣状光纤光栅折射率传感器，该传感器在加工过程无需大范围的改变直径，仅需稍微改变形状，保证了结构的稳定性，且纤芯趋于裸露，可以获得较大的倏逝场，在凹槽内刻上布拉格光栅，应用其较强的波长选择性，对所测对象的特性会更加明显，获得了超高灵敏度、极好的结构稳定性和结构紧凑性。

Description

一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅折射率传感器技术领域，具体涉及一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法。

背景技术

光纤折射率传感器因折射率的变化能反映出物质的异动，进而能探测外界环境的变化。光纤折射率传感以其灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等许多优良的特性，弥补了传统方法包括掠入射法、衍射光栅法、宽带吸收光谱法等不足，其发展一直受到人们的关注。其在化工、医药、食品等相关工业领域有重要的意义和用途。伴随着光纤折射率传感器的广泛应用，许多光纤传感技术应运而生，比如表面等离子体、长周期光栅、模间干涉、微流控多孔光纤等方法。然而这些方法的传感灵敏度和结构稳定性目前仍受到很大的局限，下面通过三个例子简要概述其局限。

微结构光纤折射率传感器件开发方面，已经进行了多种尝试，例如，文献“Highlysensitive refractive index fiber inline Mach–Zehnder interferometerfabricated by femtosecond laser micromachining and chemical etching[J].(Sun XY,Chu D K,Dong X R,et al.)Optics&Laser Technology,2016,77:11-15.”采用构造开槽，将一部分光引入到纤芯外，构成干涉仪的方式，实现传感，这种采用透射测量，不利于狭小密闭环境传感测量，而且采用双光束干涉的方式，光谱宽度太宽，不利于高精度传感应用。

在改变光纤结构上，还如下有这种尝试，例如文献“Single-mode D-shapedoptical fiber sensor for the refractive index monitoring of liquid[J].(Qazi HH,Mohammad A B,Ahmad H,et al)Journal of Modern Optics,2016,63(8):750-755.”采用了侧边抛磨的方法，将光纤单侧(纵向)进行顺序抛光，得到D型截面，但其倏逝场不够强，折射率测量的范围有限，如若想增强倏逝场，还需外镀金属或敏感材料，工艺复杂，不利于加工。

微纳光纤光栅方面，在测量折射率方面也进行过一些尝试，例如，“193nm excimerlaser inscribed Bragg gratings in microfibers for refractive index sensing”，为了增强倏逝场作用，将光纤直径缩小，这样可以大幅增加灵敏度，但是缩小直径的结果是光纤尺寸太细，在很小的作用力下易断，移动需要特别小心，结构稳定性过差。

因此，行业内急需研究一种不仅具有高灵敏度，且结构稳定性强、结构紧凑的光纤折射率传感器。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种瓣状光纤光栅折射率传感器的制作系统，其特征在于，包括：飞秒激光器、光阑、偏振器、光开关、功率计、分光计、凸透镜、CCD相机、反射镜、聚焦透镜、三轴位移平台、位移平台控制器、控制终端；飞秒激光器、光阑、偏振器、光开关、分光计、凸透镜沿水平轴依次设置，形成入射光路；功率计设置在分光计的上方，入射光路经反射镜反射后，再经聚焦透镜垂直入射到设置在三轴位移平台的光纤上；光纤的一端连接宽带光源，另一端连接光谱分析仪；控制终端的输出端和光开关、位移平台控制器均连接，位移平台控制器和三轴位移平台连接，控制终端的输入端和CCD相机连接，CCD相机设置在反射镜的上方。

优选地，光纤通过旋转夹具设置在三轴位移平台上。

一种瓣状光纤光栅折射率传感器的制作方法，包括：

S11，采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀瓣状结构；所述瓣状结构为在光纤径向方向，在包层等角度的设置n个凹槽，所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；

S12，在瓣状结构的凹槽内刻写布拉格光栅，得到瓣状光纤光栅折射率传感器。

优选地，步骤S11包括：采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀一个凹槽；旋转夹具进而带动光纤旋转后，刻蚀光纤侧面，形成第二个凹槽，重复操作，直至刻蚀的n个等角度分布凹槽，形成瓣状结构。

一种瓣状光纤光栅折射率传感器，包括：所述瓣在光纤径向方向，在包层等角度的设置有n个凹槽，形成瓣状结构，n≥3；所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；在光纤轴向方向，在包层等间距的设置有k个瓣状结构，k≥1，在任一个凹槽内刻写有布拉格光栅。

优选地，n＝3，k＝1。

一种瓣状光纤光栅折射率传感器的传感方法，包括：

S21，将传感器放入已知的折射率物质中，通过光谱仪记录具体波段的漂移，完成定标；

S22，将传感器放置在待测环境中，传感器的一端和宽带光源连接，另一端和光谱仪连接；

S23，在光谱仪中通过对比测量前后具体波段的频谱的漂移，获取定标数据中对应的折射率，进而得出待测环境中物质的折射率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本方案提供了一种新型瓣状光纤光栅折射率传感器，该传感器在加工过程无需大范围的改变直径，仅需稍微改变形状，保证了结构的稳定性，且纤芯趋于裸露，可以获得较大的倏逝场，在凹槽内刻上布拉格光栅，应用其较强的波长选择性，对所测对象的特性会更加明显，获得了超高灵敏度、极好的结构稳定性和结构紧凑性。

附图说明

图1是本发明的瓣状光纤光栅折射率传感器的制作系统的结构框图。

图2是本发明的瓣状结构的前端面示意图。

图3是本发明的瓣状光纤光栅折射率传感器的制作方法的示意性流程图。

图4是本发明的瓣状光纤光栅折射率传感器的传感方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例的瓣状光纤光栅折射率传感器，包括：所述瓣在光纤径向方向，在包层等角度的设置有n个凹槽，形成瓣状结构，如图2所示，n≥3；所述凹槽143的底部和纤芯142的距离为L，L大于零；即微槽的深度靠近纤芯142，宽度均匀；在光纤轴向方向，在包层141等间距的设置有k个瓣状结构，k≥1，在任一个凹槽143内刻写有布拉格光栅。利用准分子激光器选择相位掩膜板在瓣状槽底部刻蚀布拉格光栅。

在本实施例，n＝3，k＝1。每个瓣状结构为三个类似于花瓣状的微槽围绕纤芯142等间隔分布，间隔120度，且瓣状槽内没有塌陷。

参见图1、上述瓣状光纤光栅折射率传感器的制作系统，其特征在于，包括：飞秒激光器1、光阑2、偏振器3、光开关4、功率计5、分光计6、凸透镜7、CCD相机8、反射镜9、聚焦透镜10、三轴位移平台11、位移平台控制器12、控制终端13；飞秒激光器1、光阑2、偏振器3、光开关4、分光计6、凸透镜7沿水平轴依次设置，形成入射光路；功率计5设置在分光计6的上方，入射光路经反射镜9反射后，再经聚焦透镜10垂直入射到设置在三轴位移平台11的光纤上；光纤的一端连接宽带光源，另一端连接光谱分析仪；控制终端13的输出端和光开关4、位移平台控制器12均连接，位移平台控制器12和三轴位移平台11连接，控制终端13的输入端和CCD相机8连接，CCD相机8设置在反射镜9的上方。

其中，飞秒激光器1提供800nm、40fs、1KHZ的光源。飞秒激光微加工技术因其具备加工效率高、热影响效应小、加工精度高和能实现真正的三维结构微加工等优点，在全光纤微结构传感器的制作方面具有很大的应用前景。因此，对飞秒激光微加工直写技术制备微结构全光纤传感器件的研究不仅具有较高的科研价值，而且具有潜在重大的社会经济效益和国防安全意义。光阑2用于控制进光量，偏振器3用于形成线偏振光，光开关4用于控制光的开关，功率计5用于测量飞秒激光的功率。分光计6用于改变光的方向，需要测量功率时把光分到功率记侧，加工时分到设计的光路上。凸透镜7用于会聚光线。CCD相机8用于实时监测加工情况，整个加工过程可通过CCD相机8进行实时监控和拍摄。反射镜9用于改变光传播的方向。聚焦透镜10用于将飞秒激光聚焦。控制终端13为电脑。控制终端通过CCD相机8采集的图像数据进而控制光开关4或者位移平台控制器12。

在本实施例，光纤通过旋转夹具设置在三轴位移平台11上。旋转夹具与三轴位移平台11保持同步运动。所述光纤为单模光纤，具体地，所述光纤为康宁公司的SMF28光纤，纤芯142-9um包层141-125um，采用单模光纤，易于获得。

参见图3、上述瓣状光纤光栅折射率传感器的制作方法，包括：

S11，采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀瓣状结构；所述瓣状结构为在光纤径向方向，等角度的设置3个凹槽143，所述凹槽143的底部和纤芯142的距离为L，L大于零，即所述凹槽143的底部接近纤芯142。槽的长度200-300um，宽度40-50um，贴近纤芯142，沿纤芯142轴对称120度分布。

S12，在瓣状结构的凹槽143内刻写布拉格光栅，得到瓣状光纤光栅折射率传感器。光栅刻写完成的瓣状槽内光滑整洁，没有加工过程中的残留物，无需再进行化学腐蚀；在本实施例，光栅的位置在纤芯142，布拉格光栅周期534nm，长度4mm，布拉格光栅长度比凹槽143的长度长没关系。

在本实施例，步骤S11包括：采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀一个凹槽143；旋转夹具进而带动光纤旋转后，刻蚀光纤侧面，形成第二个凹槽143，重复操作，直至刻蚀的3个等角度分布凹槽143，形成瓣状结构。

该传感器在加工过程无需大范围的改变直径，仅需稍微改变形状，保证了结构的稳定性，且纤芯142趋于裸露，可以获得较大的倏逝场，单槽或者双槽，都会产生偏振，因此三槽结构避免偏振，刻上布拉格光栅，应用其较强的波长选择性，对所测对象的特性会更加明显，获得了现有技术中所无法达到的超高灵敏度、极好的结构稳定性和结构紧凑性。

参见图4、上述瓣状光纤光栅折射率传感器的传感方法，包括：

S21，将传感器放入已知的折射率物质中，通过光谱仪记录具体波段的漂移，完成定标；

S22，将传感器放置在待测环境中，传感器的一端和宽带光源连接，另一端和光谱仪连接；

S23，将光谱仪上具体波段的频谱的漂移与定标时已知物质的折射率得到的频谱漂移数据对比，得到待测环境的待测物质的折射率或温度。

本瓣状光纤光栅折射率传感器的传感原理为：由于刻蚀后的凹槽143靠近纤芯142，光的全反射条件被破坏，在纤芯142内传播的光耦合出来，形成很强的倏逝场，在外界环境中传输的包层141模式则以倏逝场的形式影响光纤的传光特性，因此可以最大程度感测外界环境折射率的变化，并且倏逝场对外部折射率改变特别敏感。凹槽143刻蚀完成后，在槽内利用准分子激光器用相位掩膜法刻写布拉格光栅(FBG)，纤芯142折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变，形成布拉格光栅，其对温度敏感，是常用的光纤光栅温度传感器。

本方案的传感器，采用单模光纤，易于获得，利用加工完成后其独特的瓣状特性，实现结构稳定，倏逝场强及偏振不敏感的特性，经过刻写光栅，实现对液体折射率的高精度测量。

本方案的传感器与传统光学折射率传感方法相比，具有体积小、重量轻、可与光纤系统兼容、可远距离实时监测等优点；与其它光纤型折射率传感方法相比，具有尺寸更小、便于集成、反应速度快等优点；与现有微纳光纤型折射率传感器相比，具有更高的结构强度，无需担心测量过程中传感器的结构稳定性；与现有D型光纤相比，倏逝场更强，测量范围广；与现有单槽或者双槽折射率传感器相比，单槽和双槽都会产生偏振，而瓣状结构可以有效避免偏振，减少误差，且瓣状结构可与液体充分接触，避免待测液体与传感器接触不良好。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种瓣状光纤光栅折射率传感器的制作系统，其特征在于，包括：飞秒激光器、光阑、偏振器、光开关、功率计、分光计、凸透镜、CCD相机、反射镜、聚焦透镜、三轴位移平台、位移平台控制器、控制终端；

飞秒激光器、光阑、偏振器、光开关、分光计、凸透镜沿水平轴依次设置，形成入射光路；功率计设置在分光计的上方，入射光路经反射镜反射后，再经聚焦透镜垂直入射到设置在三轴位移平台的光纤上；光纤的一端连接宽带光源，另一端连接光谱分析仪；

控制终端的输出端和光开关、位移平台控制器均连接，位移平台控制器和三轴位移平台连接，控制终端的输入端和CCD相机连接，CCD相机设置在反射镜的上方。

2.根据权利要求1所述的瓣状光纤光栅折射率传感器的制作系统，其特征在于，光纤通过旋转夹具设置在三轴位移平台上。

3.一种瓣状光纤光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括：

S11，采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀瓣状结构；所述瓣状结构为在光纤径向方向，在包层等角度的设置n个凹槽，所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；

S12，在瓣状结构的凹槽内刻写布拉格光栅，得到瓣状光纤光栅折射率传感器。

4.根据权利要求3所述的瓣状光纤光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于，步骤S11包括：

采用飞秒激光在光纤侧面刻蚀一个凹槽；旋转夹具进而带动光纤旋转后，刻蚀光纤侧面，形成第二个凹槽，重复操作，直至刻蚀的n个等角度分布凹槽，形成瓣状结构。

5.一种瓣状光纤光栅折射率传感器，其特征在于，包括：所述瓣在光纤径向方向，在包层等角度的设置有n个凹槽，形成瓣状结构，n≥3；所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；

在光纤轴向方向，在包层等间距的设置有k个瓣状结构，k≥1，在任一个凹槽内刻写有布拉格光栅。

6.根据权利要求5所述的瓣状光纤光栅折射率传感器，其特征在于，n＝3，k＝1。

7.一种瓣状光纤光栅折射率传感器的传感方法，其特征在于，包括：

S21，将传感器放入已知的折射率物质中，通过光谱仪记录具体波段的漂移，完成定标；

S22，将传感器放置在待测环境中，传感器的一端和宽带光源连接，另一端和光谱仪连接；

S23，将光谱仪上具体波段的频谱的漂移与定标时已知物质的折射率得到的频谱漂移数据对比，得到待测环境的待测物质的折射率或温度。