CN111398222A - 一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，属于光纤传感器技术领域，由宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)组成。本发明的结构简单新颖，采用全光纤结构，实现了温度串扰的可忽略，能适用于各种恶劣的环境中；同时创新地提出利用化学腐蚀及熔接技术进行传感器的制作，形成空气腔体结构，制作成本低。

Description

一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器。
背景技术
由于折射率是材料的基本光学性质之一，所以折射率传感器在医学、物理、化学、食品科学等领域有着广泛的应用。随着光纤传感技术的发展，各种光纤折射率传感器因其固有的高灵敏度、抗电磁干扰、体积小等特点而备受关注。近些年，光纤折射率传感器在环境监测、临床医学和生化分析中起着重要的作用。例如，溶液pH值，抗原抗体检测，DNA检测，这些都可以通过测量折射率来检测相应的变化。
光纤折射率传感器有很大一部分是以倏逝场为基础的微结构光纤传感器。但是，在为了提高灵敏度而增强其倏逝场强度的同时也会引入温度的串扰，影响折射率的测量。这样便限制了光纤折射率传感器在实际中的应用。基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器可以通过采用全光纤的方式，在消除温度串扰的同时，保持较高的灵敏度，而且全光纤结构不会破坏光纤的机械强度，易于应用于实际环境中。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中存在的不足，提供一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，以实现无温度串扰的折射率测量。
为了实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，由宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)组成。
进一步的，所述的光纤微结构(3)的制备方法包括如下步骤：
1)将单模光纤(2)除去涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用支架(6)固定，再垂直浸入至氢氟酸溶液(7)中，腐蚀时间控制为2分钟；
2)步骤1)中的单模光纤(2)经氢氟酸溶液(7)腐蚀后，其端面上形成了一个微槽(8)；
3)将步骤2)处理后的单模光纤(2)具有微槽(8)的端面与另一端端面平整的单模光纤(2)进行纤芯对准，然后进行电弧熔接处理；
4)经过电弧熔接处理后的光纤会在两个端面相接处形成一个空气腔(9)，重复上述同样的方式来制备形成第二个空气腔(9)，控制两个空气腔间距为1.5mm；
5)将步骤4)处理后的具有了两个空气腔(9)的光纤微结构(3)放置于折射率匹配液中，此两个空气腔(9)与折射率匹配液直接接触，便可实现折射率传感测量。
进一步的，步骤5)中所述的折射率匹配液是由不同浓度的甘油配制而得，折射率范围为1.343-1.383。
一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器的制备方法，将宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、单模光纤(2)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)依次进行串行连接即可。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的结构简单新颖，采用全光纤结构，实现了温度串扰的可忽略，能适用于各种恶劣的环境中；同时创新地提出利用化学腐蚀及熔接技术进行传感器的制作，形成空气腔体结构，制作成本低，适合商业生产，在光线折射率传感领域具有较广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明传感器整体的结构示意图。
图2是本发明光纤端面腐蚀处理时的示意图。
图3是本发明光纤微结构熔接处理时的示意图。
图4是本发明光纤折射率传感器的折射率响应特性光谱及响应特性曲线。
图5是本发明光纤折射率传感器的温度响应特性光谱及响应特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例是一种利用光纤端面腐蚀及熔接技术基于马赫曾德尔干涉原理对折射率的测量。由于该光纤结构中包括两个对称的空气腔，这种结构能够实现光纤中高阶包层模式的激发。光纤中的基模在光纤的纤芯中传输，因此基本不受外界环境的影响。光纤包层中的高阶模的有效折射率会随着外界环境的折射率的变换而变化，最终使得基模和高阶模的有效折射率差发生改变。从而，可通过传输光谱中干涉谱对应波长的偏移来感知外界环境有效折射率的变化，达到温度和折射率传感的目的。
本发明的工作原理是：从宽带光源传播出来的光进入到光纤微结构中，光波模式在第一个空气腔位置会激发出高阶的包层模式，此时在光纤微结构中同时存在基模与高阶模，在第二个空气腔的末端，满足干涉条件的光波模式会产生干涉现象。纤芯中基模与包层中高阶模的相位差可以表示为：
Figure BDA0002463223760000031
式(a)中的
Figure BDA0002463223760000032
和
Figure BDA0002463223760000033
分别代表基模与高阶模的有效折射率，L表示干涉长度，Δneff代表基模与高阶模的有效折射率差，λ代表干涉峰所对应的波长。
传感器的传输可表示为：
Figure BDA0002463223760000034
式(b)中的Icore和Icladding为纤芯中的基模和包层中高阶模的强度。
当外界环境的折射率发生变化时，光纤外部的有效折射率会随之变化，对于包层中的高阶模，其有效折射率会受到外界有效折射率的影响，而基模是在纤芯中传播的，基本不受外界的影响，这样便会产生有效折射率差，因此波长的偏移可以为：
Figure BDA0002463223760000035
式(c)中的Δλn波长的偏移量，n是模式干涉的阶数。
结合附图1，一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)；
结合附图2，3，一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器的光纤微结构(3)的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将单模光纤(2)除去涂覆层后，用酒精擦拭干净后，用光纤切割刀将光纤的端面切平整，并保持垂直固定在支架(6)上。
步骤二：将端面平整的单模光纤垂直浸入到氢氟酸溶液(7)中，腐蚀时间为2分钟，经腐蚀后的单模光纤端面会出现一个微槽(8)，微槽(8)深度约为5μm。
步骤三：将带有微槽(8)的单模光纤与另一段端面平整的单模光纤同时放入至光纤熔接机中进行电弧熔接，在电弧作用下，微槽会膨胀成为一个空气腔(9)。
步骤四：利用光纤切割刀在距离空气腔1.5mm处位置进行切割，并在蒸馏水中进行清洗。
步骤五：取来另一根经腐蚀后具有微槽的光纤与上一步光纤端面纤芯对准再次进行电弧熔接，最终在两个端面的位置得到两个对称的空气腔。
步骤六：将具有两个对称空气腔的光纤结构放置在蒸馏水中进行清洗。
结合附图4，对基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器进行折射率性能测试与分析。
将具有两个对称空气腔的光纤微结构分别置于空气中以及折射率分别为1.353、1.363、1.373、1.383的折射率匹配液中进行折射率性能测试，为防止其他环境因素串扰，实验过程中保持其他环境因素不变。具有两个对称空气腔的光纤微结构分别与宽带光源、长周期光纤光栅、光谱分析仪相连。每次浸入后待光谱稳定后记录数据，每次将光纤微结构从折射率匹配液取出后，用蒸馏水进行冲洗，直至恢复至原始光谱再浸入至新的折射率匹配液中进行实验。通过得到的光谱并进行线性拟合可得知：该光纤传感器对折射率变化较为敏感，对实验数据进行线性拟合后可知折射率灵敏度可达424.95nm/RIU。而长周期光纤光栅的干涉峰不受折射率变化的影响，可作为参考峰。
结合附图5，对基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器进行温度性能测量。
将光纤传感器置于空气中，仅改变温度观察光谱中干涉峰对应的波长偏移情况。温度变化的步长为10℃，长周期光纤光栅的干涉峰仅受温度变化影响，对实验数据进行线性拟合后可知温度灵敏度仅为1.4pm/℃。该传感器对温度变化不敏感，因此在折射率测量的过程中受到温度串扰的影响可以忽略。
综上，以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制作方法进行了进一步的详细说明。本发明的光纤传感器具有结构新颖紧凑，制作简单，折射率灵敏度较高且温度的串扰可以被忽略等优势。本发明在折射率传感领域展现了广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，其特征在于，由宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，其特征在于，所述的光纤微结构(3)的制备方法包括如下步骤：
1)将单模光纤(2)除去涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用支架(6)固定，再垂直浸入至氢氟酸溶液(7)中，腐蚀时间控制为2分钟；
2)步骤1)中的单模光纤(2)经氢氟酸溶液(7)腐蚀后，其端面上形成了一个微槽(8)；
3)将步骤2)处理后的单模光纤(2)具有微槽(8)的端面与另一端端面平整的单模光纤(2)进行纤芯对准，然后进行电弧熔接处理；
4)经过电弧熔接处理后的光纤会在两个端面相接处形成一个空气腔(9)，重复上述同样的方式来制备形成第二个空气腔(9)，控制两个空气腔间距为1.5mm；
5)将步骤4)处理后的具有了两个空气腔(9)的光纤微结构(3)放置于折射率匹配液中，此两个空气腔(9)与折射率匹配液直接接触，便可实现折射率传感测量。
3.根据权利要求2所述的一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器，其特征在于，步骤5)中所述的折射率匹配液是由不同浓度的甘油配制而得，折射率范围为1.343-1.383。
4.一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，将宽带光源(1)、单模光纤(2)、具有两个空气腔的光纤微结构(3)、单模光纤(2)、长周期光纤光栅(4)和光谱分析仪(5)依次进行串行连接即可。
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