CN111220188A - 基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器 - Google Patents
基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，包括：作为马赫‑曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里‑珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层。本发明的传感器在RI为1.33的附近获得了100734.25nm/riu的超高灵敏度，且具有良好的线性，而温度灵敏度低至‑91.04pm/℃。
Description
技术领域
本发明涉及折射率传感器技术领域，特别是涉及一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器。
背景技术
用于折射率(RI)测量的干涉型光纤传感器(IFS)已成为环境监测、生化分析、医学诊断等领域的研究热点。已报道的各种类型的干涉型光纤传感器结构包括由光纤锥形、花生对、微纤维、其他特定结构比如使用飞秒激光器刻写或蚀刻在光纤上形成的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和一些混合结构如芯偏移对夹一个刻有光纤光栅(FBG)或一段锥形光纤[12]等。在上述各种构型中，有一个分支是直接测量由腔内样品引起的折射率变化。例如，具有大纤芯偏移对的开放式光纤腔形成的MZI，其两个干涉臂中的一臂位于腔内样品中，另一臂则为夹层光纤包层中的一个包层模。或者利用飞秒激光在光纤芯和包层之间的界面附近刻有微腔或沟槽后放入待测样品。然而，上述干涉型光纤传感器结构的灵敏度提高是有限的。为了提高稳定性和灵敏度，常常进一步的化学蚀刻来平滑腔或沟槽的侧面。相比于基于微纤维的干涉仪，其由于强倏逝场的相互作用而在色散转折点处具有极高的灵敏度(～105nm/RIU)，但它容易受到固定微直径和波长的苛刻条件以及较差的线性、测量范围和机械性能的影响。
游标效应是提高IFS灵敏度的有效途径。近年来，提出了许多基于游标效应的结构用于测量气体压力、温度、应变、折射率等参数。这类传感器的构造均包括两个级联或并联的干涉仪，一个作为传感干涉仪，另一个作为参考干涉仪。传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围相差很小，这样，传感器的叠加光谱就会产生包络。当环境参数变化时，干涉条纹及包络均会移动，其中包络线的移动量远大于传感干涉仪的干涉条纹的移动量。因此，可以通过测量包络线的移动来放大传感器的灵敏度。在理论上，要求参考干涉仪对环境不敏感，而实际上参考干涉仪不可避免地随环境变化而波动，特别是在紧凑型IFS结构中。
然而，目前行业内还没有一种基于游标效应增强级联的光纤芯偏移对结构的超灵敏折射率传感器或者传感方法。
发明内容
针对现有技术存在的行业内还没有一种基于游标效应增强级联的光纤芯偏移对结构的超灵敏折射率传感器或者传感方法的问题，本发明提供一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器。
本申请的具体方案如下：
一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，包括：作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层，没有对接两端光纤的包层的纤芯。
优选地，所述第一光纤纤芯错位对的尾端和环形器的第一端口连接，所述第二光纤纤芯错位对和环形器的第二端口连接，形成级联结构。
优选地，所述第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为2.5mm，错位量为62.5um。
优选地，所述第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为112um，错位量为80um。
优选地，所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对所用到的光纤均为单模光纤。
一种基于上述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器的制备方法，包括：
S1，制作光纤纤芯错位对，光纤纤芯错位对包括作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；
S2，将第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；
优选地，制作光纤纤芯错位对的步骤包括：
S11，用切割刀把单模光纤切开形成两个光滑端面；
S12，将两段切割好的单模光纤在X轴对齐后，在Y轴上进行芯错位，手动调节熔接机的电机，然后熔接，形成第一个熔接点；
S13，将一侧的单模光纤作为夹层光纤，将夹层光纤的另一端进行切割，将夹层光纤的另一端和单模光纤按照步骤S12进行熔接，形成第二个熔接点，完成光纤纤芯错位对的制作。
优选地，熔接过程的放电持续时间和电流分别设置为400ms和240bits。
优选地，步骤S13包括：在熔接机的屏幕中监视第二个熔接点，手动调整夹层光纤和位于一端的单模光纤，使得第二个熔接点的夹层光纤和单模光纤在y轴上形成与第一个熔接点相反的横向错位。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本方案的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器的其中一对光纤芯偏移对用作马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，另一对由于具有较大的纤芯偏移量，用作低精度法布里-珀罗干涉仪(FPI)。与基于传统游标效应的传感器的参考干涉仪难以满足对环境不敏感的不同。理论分析表明，本方案结构中MZI和FPI的干涉条纹随周围RI的变化位移方向相反，叠加条纹的包络线表现出增强的游标效应，反之则为减弱了游标效应。结果表明，在RI为1.33的附近获得了100734.25nm/riu的超高灵敏度，且具有良好的线性，而温度灵敏度低至-91.04pm/℃。本方案的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器为其它传感领域的高灵敏度传感提供了新的视角和思路。
附图说明
图1为本发明的光纤纤芯错位对的示意性结构图；
图2(a)为本发明的MZI的示意性结构图；
图2(b)为本发明的FPI的示意性结构图；
图3(a)为本发明的制备光纤纤芯错位对的第一示意性结构图。
图3(b)为本发明的制备光纤纤芯错位对的第二示意性结构图。
图4为本发明的超灵敏折射率传感器的实验装置示意图；
图5(a)为本发明的超灵敏折射率传感器的MZI的透射谱图。
图5(b)为本发明的超灵敏折射率传感器的MZI的空间频谱图。
图5(c)为本发明的超灵敏折射率传感器的FPI的反射谱图。
图5(d)为本发明的超灵敏折射率传感器的FPI的空间频谱图。
图5(e)为本发明的超灵敏折射率传感器的总输出光谱图。
图5(f)为本发明的超灵敏折射率传感器的总输出光的空间频谱图。
图6(a)为本发明的超灵敏折射率传感器的MZI和FPI的叠加干涉谱图；
图6(b)为本发明的超灵敏折射率传感器的MZI的干涉谱图；
图6(c)为本发明的超灵敏折射率传感器的FPI的干涉谱图；
图7(a)为本发明的超灵敏折射率传感器在30.℃，不同RI下MZI的干涉谱图。
图7(b)为本发明的超灵敏折射率传感器在30.℃，不同RI下FPI的干涉谱图。
图7(c)为本发明的超灵敏折射率传感器在30.℃，不同RI下包络的干涉谱图。
图7(d)为图7(a)中的波长为1522nm的波谷随RI变化的漂移图。
图7(e)为图7(b)中的波长为1522nm的波谷随RI变化的漂移图。
图7(f)为图7(c)中的波长为1522nm的波谷随RI变化的漂移图。
图8(a)为本发明的超灵敏折射率传感器暴露在空气中，不同温度下MZI的干涉谱图。
图8(b)为本发明的超灵敏折射率传感器暴露在空气中，不同温度下FPI的干涉谱图。
图8(c)为本发明的超灵敏折射率传感器暴露在空气中，不同温度下包络的干涉谱图。
图8(d)为图8(a)中的波长为1550nm的波谷随温度变化的漂移图。
图8(e)为图8(b)中的波长为1550nm的波谷随温度变化的漂移图。
图8(f)为图8(c)中的波长为1550nm的波谷随温度变化的漂移图。
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。
参见图1，一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，包括：作为马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪(FPI)的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层，没有对接两端光纤的包层的纤芯。其中中间夹层光纤的长度是L，错位量为d。
具体地，所述第一光纤纤芯错位对的尾端和环形器的第一端口连接，所述第二光纤纤芯错位对和环形器的第二端口连接，形成级联结构，并由紫外胶并排固定。光经由MZI到达FPI，然后被FPI反射输出。
在本实施例，所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对所用到的光纤均为单模光纤。参见图2(a)，所述第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为2.5mm，错位量为62.5um。从一端的光纤发出的光分别在空气中沿着夹层光纤的包层表面和沿着包层被分成两条光路。参见图2(b)，所述第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为112um，错位量为80um。由于纤芯错位量大，从一端的光纤发出的光不会穿入夹层光纤的包层，但两端界面的菲涅耳反射会形成低精细度的FPI。
本方案的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器的理论分析如下：
两个干涉仪(MZI和FPI)的相位差随环境参数的变化而变化时，相应的干涉条纹和包络都会发生偏移，包络波长谷底的移动量与MZI及FPI的移动量不同，其关系可以表示成：
δλl＝-A1·δλm+A2·δλn (1)
其中δλm和δλn分别是λm(MZI的第m个谷底波长)和λn(FPI的第n个谷底波长)的移动量，δλl是包络λl(包络第n个谷底波长)的移动量(移动量有正负，向长波长方向移动为正)。根据共振条件，λm＝λn＝λl。FSR1和FSR2分别是对应于MZI和FPI的自由光谱范围(FSR)。A1和A2是放大因子。包络移动有三种情况，讨论如下：
1)假设δλm＝0，则δλl＝A2·δλn。这种情况对应于基于传统游标效应的传感器，其中两个干涉仪中的一个作为参考干涉仪，另一个作为传感干涉仪。
2)假设δλm·δλn＞0，即δλm和δλn符号相同，意味着传感器的两个干涉仪的干涉条纹随环境参数的移动方向相同，包络线的移动量小于第一种情况，因此，基于游标效应的传感器灵敏度将降低，甚至降至零。
3)假设δλm·δλn＜0，即δλm和δλn的符号相反，这意味着两个干涉条纹朝相反的方向移动。包络比第一种情况下的移动量大，基于游标效应的传感器灵敏度将得到提高。
根据上述讨论，基于传统游标效应的传感器要求参考干涉仪对环境完全不敏感，理论上不能实现，特别是对于紧凑型传感器。此外，如果参考干涉仪的干涉条纹与传感干涉仪的干涉条纹移动方向相同，还将使传感器的灵敏度降低，甚至降至零。而本方案的超灵敏折射率传感器的两个干涉条纹朝相反的方向移动，传感器灵敏度将得到提高。
上述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器的制备方法，包括：
S1，制作光纤纤芯错位对，光纤纤芯错位对包括作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；
S2，将第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；
其中，参见图3(a)和3(b)，制作光纤纤芯错位对的步骤包括：
S11，用切割刀把单模光纤(SMF)切开形成两个光滑端面；
S12，将两段切割好的单模光纤在X轴对齐后，在Y轴上进行芯错位，手动调节熔接机(Fujikura FSM 100P+)的电机，然后熔接，形成第一个熔接点；熔接过程的放电持续时间和电流分别设置为400ms和240bits。
S13，将一侧的单模光纤作为夹层光纤，将夹层光纤的另一端进行切割，将夹层光纤的另一端和单模光纤按照步骤S12进行熔接，形成第二个熔接点，完成光纤纤芯错位对的制作。在显微镜下观察夹层光纤，按预设长度切割夹层光纤的另一端。步骤S13包括：在熔接机的屏幕中监视第二个熔接点，手动调整夹层光纤和位于一端的单模光纤，使得第二个熔接点的夹层光纤和单模光纤在y轴上形成与第一个熔接点相反的横向错位。
实验数据
实验装置如图4所示。将传感器头(级联后的MZI和FPI放在一块玻璃基板上固定(Glass substrate))放在温度控制器(TEC)的铜块上，以实现0.1℃分辨率的精确温度控制。MZI的的首端和光源SBOS连接，环形器(Circulator)的第三端口和光谱仪OSA连接。
实验1
在传感器头上滴一滴水，使其浸入水中。温度控制在30℃。
图5(a)示出了MZI在1450nm至1650nm波长范围内的透射光谱，分辨率为0.02nm。未观察到正弦干涉频谱，表明干涉谱中应存在多套双光束干涉。通过快速傅里叶变换(FFT)运算计算相应的空间频谱，如图5(b)所示。在图5(b)中，有三个峰值，其中峰值1和峰值2的光程差(OPD)分别为143.6um和275.2um。这表明夹层光纤的两个包层模式分别被激发(构成干涉臂1)并和直接通过样品的光(干涉臂2)分别干涉。峰3的OPD等于峰1和峰2的OPD之和，即418.7um。图5(c)示出了FPI的反射光谱。从中观察到一个清晰的正弦干涉条纹，为典型的低精度Fabry-Peroit干涉谱。其对应的空间频谱如图5(d)所示，在该图中峰值4对应FPI的两个断面(端面)反射光的OPD，其值为299.1um。传感器的总输出光谱如图5(e)所示，由于光谱中同时存在多组双光束干涉，没有观察到明显的基于游标效应的包络。相应的空间频谱在图5(f)中示出，其中峰值1-4仍然出现在图5(b)和(d)位置。通过设计MZI和FPI的腔长，使得峰2靠近峰4，这是产生游标效应的条件。然后采用具有汉宁窗函数的带通有限脉冲响应滤波器对图5(e)所示的干涉频谱进行操作，提取峰值2和峰值4所对应的干涉谱。图6(a)表示MZI和FPI的干涉谱的叠加谱，对应的FSR分别为8.73nm和8.03nm。图6(a)中边缘的失真源于出频谱的有限采样范围。图6(a)中的上面的曲线代表叠加干涉条纹的包络线。根据式(1)-(2)，计算得到的放大因子A1和A2分别为11.515和12.515。例外，图6(b)为图5(f)中的峰2的反向傅立叶变换的干涉谱图；图6(c)为图5(f)中的峰4的反向傅立叶变换的干涉谱图。
实验2
实验测试了本方案的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器对周围RI(折射率)的响应。通过改变甘油溶液的浓度，得到了RI在1.33～1.34范围内的不同测量溶液。甘油溶液的RI值由阿贝折射仪测得。将一小滴被测溶液(而不是水)滴到铜块表面以将传感器头浸入溶液中以完成RI的测量。
图7显示了传感器在保持30℃恒定温度下对腔内样品的RI响应。图7(a)-(b)分别示出了在不同RI下对应于峰2和峰4的提取的干涉谱，图7(c)示出了在不同RI下的包络轨迹。图7(a)显示随RI增加，对应于峰2的MZI的干涉谱向较短波长移动，而对应峰4的FPI干涉谱向长波长方向移动(图7(b))。叠加干涉谱的包络也向长波长移动(图7(c))。图7(d)-(e)示出对应于图7(a)-(c)的特定波谷随RI变化的情况。在图7(d)中，线性拟合显示选择跟踪1522nm的波谷，其RI灵敏度为-6443.29nm/RIU。R2值为0.9954，表明MZI具有良好的线性传感。在图7(e)中，选择跟踪波谷约为1522nm时，FPI的RI灵敏度为1525.41nm/RIU，R2为0.9856。图7(f)示出对应于图7(c)的包络波谷随RI变化的情况。由于增强的游标效应，获得了高达100734.25nm/RIU的RI灵敏度。根据公式(1)，理论计算值为93284.99nm/RIU。这种误差是由测量及和图7(c)中提取光谱采样点中未包含谷值波长引起的。
实验3
测量了本方案的传感器对温度的响应。在实验过程中，传感器暴露在空气中，温度以5℃为单位从30℃升高到55℃，分辨率为0.1℃。图8(a)-(b)显示了不同温度下MZI和FPI的提取干涉谱。随着温度的升高，MZI和FPI的干涉谱都向长波方向移动。图8(d)-(e)示出了与图8(a)-(b)对应的波长在约1550nm处的波谷随温度变化的曲线，灵敏度分别为18.72和9.65pm/℃。图8(c)示出了包络的移动，因为MZI和FPI的温度特性均显示正灵敏度，包络的移动表现为减小的游标效应。灵敏度为-91.04pm/℃，如图8(f)所示，该灵敏度对温度变化仍然及不敏感。
综上，当周围RI变化时，MZI和FPI的干涉条纹向相反方向移动，叠加条纹的包络线表现出增强的游标效应。结果表明，在1.33的RI附近，获得了100734.25nm/riu的超RI灵敏度，这与微纤维在色散转折点处获得的超高RI灵敏度相当(该技术是目前是已报导的获得RI最高灵敏度的手段)，但具有更好的线性和更宽的测量范围。同时，由于基于温度测量的游标效应却减弱了，传感器表现为对温度的极不敏感，其灵敏度仅为-91.04pm/℃。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，其特征在于，包括：作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；
所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层，没有对接两端光纤的包层的纤芯。
2.根据权利要求1所述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，其特征在于，所述第一光纤纤芯错位对的尾端和环形器的第一端口连接，所述第二光纤纤芯错位对和环形器的第二端口连接，形成级联结构。
3.根据权利要求1所述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，其特征在于，所述第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为2.5mm，错位量为62.5um。
4.根据权利要求1所述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，其特征在于，所述第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为112um，错位量为80um。
5.根据权利要求1所述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，其特征在于，所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对所用到的光纤均为单模光纤。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括：
S1，制作光纤纤芯错位对，光纤纤芯错位对包括作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；
S2，将第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制作光纤纤芯错位对的步骤包括：
S11，用切割刀把单模光纤切开形成两个光滑端面；
S12，将两段切割好的单模光纤在X轴对齐后，在Y轴上进行芯错位，手动调节熔接机的电机，然后熔接，形成第一个熔接点；
S13，将一侧的单模光纤作为夹层光纤，将夹层光纤的另一端进行切割，将夹层光纤的另一端和单模光纤按照步骤S12进行熔接，形成第二个熔接点，完成光纤纤芯错位对的制作。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，熔接过程的放电持续时间和电流分别设置为400ms和240bits。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S13包括：
在熔接机的屏幕中监视第二个熔接点，手动调整夹层光纤和位于一端的单模光纤，使得第二个熔接点的夹层光纤和单模光纤在y轴上形成与第一个熔接点相反的横向错位。
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