CN110530822A - 一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法,具体测量折射率过程为:锥形无芯光纤级联空芯光纤作为传感头放置在室温环境中,为防止光纤弯曲,使用紫外胶将制备的传感头稳定水平地固定在玻片上,然后将传感器浸入不同浓度即不同折射率的NaCl水溶液中,记录传输光谱后,使用去离子水净化传感头,恢复空气中的原始光谱,然后将传感头浸入新的NaCl水溶液中,记录新的传输光谱,最终得到传输光谱的波长和强度的变化与折射率的对应线性关系并依据该对应线性关系实现折射率的测量。本发明中无芯光纤的热膨胀系数较低,使该传感器具有极低的温度灵敏度,可以有效解决温度串扰问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤光谱传感技术领域,具体涉及一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法。
背景技术
近年来,折射率测量在化学实验、食品质量安全监测、环境监测、生物反应等化学和生物领域发挥着重要作用,而光纤折射率传感器以其结构紧凑、检测精度高、抗老化性能好、能在化学危险环境下工作、固有的抗外界电磁干扰能力等独特的优点受到广泛的研究。在各种各样的光纤折射率传感器中,基于马赫曾德干涉仪的传感器由于结构简单、重复性好、制备成本低而受到广泛关注,通过观测传输光谱波长和强度的变化可以实现各种物理量的传感。基于马赫曾德干涉仪的光谱传感技术对工业技术发展及科学研究起着非常重要的作用,它的优点及潜力吸引着许多研究人员进行开发性研究。目前基于马赫曾德干涉仪的光纤折射率传感器的研究已取得多项研究成果,但也存在许多亟待解决的问题。比如,现有的利用马赫曾德干涉仪测量折射率的结构普遍对光源、光纤的性能要求严格、光路复杂等。对于含有小的化学和生物分子的水溶液,比如海水等,其折射率值在1.33-1.35的低折射率范围内,折射率的微小变化可以反映瞬态物理环境扰动或结合作用,目前大多数的光纤折射率传感器在高折射率范围内(大于1.40)具有较高的折射率灵敏度,但是在低折射率范围的灵敏度不理想,同时温度交叉灵敏度是折射率测量中一个非常重要的因素,温度串扰会降低传感器的检测限,所以要克服温度在实际折射率测量中的干扰。
发明内容
本发明为解决基于马赫曾德干涉仪光纤光谱折射率传感系统的稳定性差、在低折射率范围内灵敏度和分辨率低以及温度串扰等问题而提供了一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法,该方法通过分析、研究不同折射率对锥形无芯光纤级联空芯光纤结构透射光谱干涉峰波长和强度的影响来实现折射率的测量。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法,其特征在于主要由半导体光放大器、锥形无芯光纤、空芯光纤和光谱分析仪构成折射率测量系统,其中半导体光放大器发出波长范围从1200-1700nm的宽带光依次通过输入单模光纤、锥形无芯光纤级联空芯光纤和输出单模光纤传输至光谱分析仪上,具体测量折射率过程为:锥形无芯光纤级联空芯光纤作为传感头放置在室温环境中,为防止光纤弯曲,使用紫外胶将制备的传感头稳定水平地固定在玻片上,然后将传感器浸入不同浓度即不同折射率的NaCl水溶液中,记录传输光谱后,使用去离子水净化传感头,恢复空气中的原始光谱,然后将传感头浸入新的NaCl水溶液中,记录新的传输光谱,最终得到传输光谱的波长和强度的变化与折射率的对应线性关系并依据该对应线性关系实现折射率的测量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)该测量传感器包含复合干涉,是由多模干涉仪和马赫曾德干涉仪组成,增强了模态干涉。
(2)该测量传感器在低折射率范围内具有较高的灵敏度,能够在较宽的温度范围内精确测量周围微小的折射率变化。
(3)本发明中无芯光纤的热膨胀系数较低,使该传感器具有极低的温度灵敏度,可以有效解决温度串扰问题。
(4)本发明测量过程简化,方便迅速,可在生物、化学传感领域进行实时监测和检测。
附图说明
图1是本发明中锥形无芯光纤级联空芯光纤传感头的结构示意图;
图2是本发明测量系统的光路原理图;
图3是透射光谱随着折射率增加的变化曲线;
图4中(a)是干涉峰A和干涉峰B强度变化与温度的线性拟合,(b)是干涉峰A和干涉峰B的波长的变化与温度的线性拟合;
图5是透射光谱随温度增加的变化曲线。
图中:1-半导体光放大器,2-输入单模光纤,3-锥形无芯光纤级联空芯光纤,4-输出单模光纤,5-光谱分析仪。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明,但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
(1)锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率系统
由半导体光放大器1、输入单模光纤2、锥形无芯光纤级联空芯光纤3、输出单模光纤4和光谱分析仪5构成光纤折射率测量系统。
(2)折射率的测量
宽带光(波长范围从1200-1700nm)从半导体光放大器出来依次通过输入单模光纤以及锥形无芯光纤级联空芯光纤,最后经过输出单模光纤传输至光谱分析仪上。锥形无芯光纤级联空芯光纤作为传感头放置在室温环境中(25℃),为防止光纤弯曲,使用紫外胶将制备的传感头稳定水平地固定在玻片上,然后将传感器浸入不同浓度即不同折射率的NaCl水溶液中(折射率为1.33865-1.3479),记录传输光谱后,使用去离子水净化传感头,恢复空气中的原始光谱,然后将传感头浸入新的NaCl溶液中,记录新的传输光谱,最终得到传输光谱的波长和强度的变化与折射率的对应线性关系并依据该对应线性关系实现折射率的测量,测量折射率的系统结构如图2所示。
(3)测量原理
观察光谱分析仪传输光谱的同时,对输出的信号进行数据采集、存储并处理。利用同一个传感头,改变其周围折射率得到不同的传输光谱,记录传输光谱的波长与强度变化与被测折射率的对应线性关系并依据该对应线性关系实现折射率的测量。
光干涉的整个过程分为两个步骤。光源发出的光最初以基本模式(LP01)沿着输入单模光纤的纤芯传播,当光进入无芯光纤段时,由于单模光纤与无芯光纤的模场不匹配,导致一系列高阶模态(LP0m)被有效地激发,多模干涉发生在不同的激发模态之间。当干涉光通过无芯光纤和空芯光纤的熔接点时,一部分光通过空气芯,另一部分光沿硅包层传播。经过空芯光纤传输后,两个分离的光束耦合在输出单模光纤中。由于空气与二氧化硅包层之间有效折射率的差异以及光信号在传输过程中的光程差异,形成了基模与高阶模传播之间的干涉,从而形成了多模干涉仪和马赫曾德干涉仪组成的复合干涉。
我们假设If和Im为基模和第m阶模态的光强,则干涉信号强度可以表示为:
其中是基模与第m阶高阶模之间相位差,可以表示为:
Leff是有效折射率差,λ是输入波长,表示模式间的有效折射率差。光谱的衰减峰值波长可以表示为:
根据公式(3)可知,在两个干涉峰之间的自由光谱范围可以近似表示为:
公式(4)表明,自由光谱范围与有效折射率差和有效长度有关。
综上所述,当折射率变化作用于传感头时,随着折射率的增加,干涉峰波长会出现红移,这也与公式(3)表述的一致。
(4)结果与分析
图3给出了该测量传感器在1.33865-1.3479折射率范围内的实测输出光谱变化。通过光谱分析仪追踪了干涉峰A和干涉峰B随着折射率增加的的变化,结果表明,随着折射率的增大,干涉峰A和干涉峰B的强度表现出快速衰减,同时波长出现红移,这也与公式(3)一致。实验结果表明,该测量传感器对折射率变化敏感。
图4(a)和(b)分别对干涉峰A和B强度和波长的变化进行了线性拟合,其拟合线均具有良好的线性关系,且线性回归系数值(R2)较高。针对强度和波长的灵敏度分别为-995.71dB/RIU和380.01nm/RIU。
图5显示了该测量传感器的温度响应特性。从30-80℃,步长温度为10℃的情况下,随着外界温度的升高,干涉峰A和干涉峰B的干涉波长几乎没有变化,其强度分别降低了0.302dB和增加了1.512dB。对于其较高的折射率灵敏度来说,温度引起的串扰可以忽略不计。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明原理的范围下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (1)
1.一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法,其特征在于主要由半导体光放大器、锥形无芯光纤、空芯光纤和光谱分析仪构成折射率测量系统,其中半导体光放大器发出波长范围从1200-1700nm的宽带光依次通过输入单模光纤、锥形无芯光纤级联空芯光纤和输出单模光纤传输至光谱分析仪上,具体测量折射率过程为:锥形无芯光纤级联空芯光纤作为传感头放置在室温环境中,为防止光纤弯曲,使用紫外胶将制备的传感头稳定水平地固定在玻片上,然后将传感器浸入不同浓度即不同折射率的NaCl水溶液中,记录传输光谱后,使用去离子水净化传感头,恢复空气中的原始光谱,然后将传感头浸入新的NaCl水溶液中,记录新的传输光谱,最终得到传输光谱的波长和强度的变化与折射率的对应线性关系并依据该对应线性关系实现折射率的测量。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191203 |