CN111537445A - 基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器 - Google Patents

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胡迈
曹乃亮
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张佩光
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赵庆磊
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Abstract

基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器属于激光光谱传感领域，克服倏逝波型传感器信噪比低、光与物质作用不足的缺点，提高倏逝波型光纤传感器的灵敏度。该传感器包括：光源、相位调制器、两个光纤耦合器、单模光纤、锥形光纤、样品池和光谱仪；光源发出的光通过单模光纤进入第一光纤耦合器，出射光通过单模光纤进入设置在样品池内的锥形光纤，锥形光纤附近倏逝波与样品池内的样品发生耦合，输出光谱通过单模光纤由第二光纤耦合器一分为二：一部分通过相位调制器后传输回第一光纤耦合器中，形成谐振，与样品多次反应，其中相位调制器用于补偿由于环境变化引起的谐振条件漂移；另一部分由所述光谱仪采集，检测出样品的浓度和组份。

Description

基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器
技术领域
本发明属于激光光谱传感领域，具体涉及一种基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器。
背景技术
目前光纤传感器已广泛应用于液体成分测量，主要类型可分为传光型传感器、敏感膜型传感器、倏逝波型传感器等。其中倏逝波型光纤传感器是使用最多的一种传感器，它将光纤的涂覆层去除后对光纤进行拉锥，使锥形区的倏逝波的能量得到增强，透射距离得到增加；而待测物质将作为新的包层介质，其会与倏逝波发生耦合，此时只需绘制出输出光谱，即可根据特征吸收峰的强度和其对应的波长，确定溶液浓度及组分。倏逝波型光纤传感器结构简单、响应速度快、光谱范围宽、成本低，只需待测介质在光源的光谱范围内存在特征光吸收，就可作相应测量。但现有常见倏逝波型光纤传感器中，倏逝波场区短且光只单次通过倏逝波场区，导致光与物质的相互作用不充分，作用现象不明显，光谱信噪比低，难以定量分析物质成分。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，利用光纤耦合器、相位调制器和锥形光纤组成光纤谐振腔，从而极大增强倏逝波和与待测物质的作用效果，进而克服倏逝波型传感器信噪比低、光与物质作用不足的缺点，提高倏逝波型光纤传感器的灵敏度。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，该传感器包括：光源、相位调制器、两个光纤耦合器、单模光纤、锥形光纤、样品池和光谱仪；所述光源发出的光通过单模光纤进入第一光纤耦合器，出射光通过单模光纤进入设置在样品池内的锥形光纤，所述锥形光纤附近倏逝波与样品池内的样品发生耦合，输出光谱通过单模光纤由第二光纤耦合器一分为二：一部分通过相位调制器后传输回第一光纤耦合器中，使激光在所述相位调制器、两个光纤耦合器、单模光纤和锥形光纤内无限循环，形成谐振，同时与样品池内的样品多次反应，其中相位调制器用于补偿由于环境变化引起的谐振条件漂移；另一部分由所述光谱仪采集，检测出样品的浓度和组份。
优选的，所述光源通过单模光纤与第一光纤耦合器的输入端相连，所述第一光纤耦合器的输出端通过单模光纤与锥形光纤相连，所述锥形光纤通过单模光纤与第二光纤耦合器的输入端相连，所述第二光纤耦合器的输出端一端与所述光谱仪连接，另一端与所述相位调制器连接，所述相位调制器的另一端与所述第一光纤耦合器的输入端相连。
优选的，所述第一光纤耦合器、锥形光纤、第二光纤耦合器和相位调制器组成的谐振腔。
优选的，所述光纤耦合器为1×2光纤耦合器。
优选的，所述1×2光纤耦合器的耦合比为99:1。
优选的，所述样品池的半径为mm量级。
优选的，所述光源为普通商用激光单色光源或商用宽带光源。
本发明的有益效果是：
1.环形谐振腔为全光纤结构，体积小、损耗低、易于集成；
2.待测液体置于样品池中，所需样品体积小，仅为μL量级；
3.倏逝波由内嵌于全光纤环形谐振腔中的拉锥光纤产生，光束可多次与待测物质发生相互作用，极大增加作用距离，实现系统探测信噪比的大幅提升。
附图说明
图1本发明基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器的结构示意图。
图中：1、光源；2、第一光纤耦合器；3、样品池；4、第二光纤耦合器；5、相位调制器；6、光谱仪：7、锥形光纤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所述，基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，该传感器包括：光源1、单模光纤、第一光纤耦合器2、样品池3、第二光纤耦合器4、相位调制器5、光谱仪6和锥形光纤7；其中所述第一光纤耦合器2、锥形光纤7、第二光纤耦合器4、相位调制器5和单模光纤组成的全光纤环形谐振腔。所述光源1发出的光通过单模光纤进入第一光纤耦合器2，出射光通过单模光纤进入设置在样品池3内的锥形光纤7，所述锥形光纤7附近倏逝波与样品池3内的样品发生耦合，输出光谱通过单模光纤由第二光纤耦合器4一分为二：一部分由所述光谱仪6采集，检测出样品的浓度和组份，另一部分通过相位调制器后传输回所述第一光纤耦合器中，使激光在全光纤环形谐振腔内无限循环，形成稳定振荡，多次穿过锥形光纤7处的倏逝波场区与样品发生相互作用，从而极大延长倏逝波与样品的作用距离，大幅增强倏逝波与样品的相互作用效果，从而获得更高的灵敏度与更好的光谱信噪比，实现液体组分及浓度的高精度定量分析。
从连接关系上看，所述光源1通过单模光纤与第一光纤耦合器2的输入端A相连，所述第一光纤耦合器2的输出端C通过单模光纤与锥形光纤7的左端相连，所述锥形光纤7右端通过单模光纤与第二光纤耦合器4的输入端C’相连，所述第二光纤耦合器4的输出端A’一端与所述光谱仪6连接，另一输出端B’与所述相位调制器2连接，所述相位调制器5的另一端与所述第一光纤耦合器2的输入端B相连。由此可以看出，所述的两个光纤耦合器为1×2光纤耦合器，两个输入端和一个输出端。其中，所述1×2光纤耦合器的耦合比为99:1，即所述锥形光纤7仅仅能获得光源1的1％的能量，其他99％的能量都损耗了，所述光谱仪6也是采集到输出光谱1％的能量根据吸收峰的波长和相对峰强度，判定样品的组份和浓度。
本实施例中，所述样品池3尺寸只需比锥形光纤直径稍大，半径量级为mm量级，所需样品量<100μL。所述光源1选用普通商用激光单色光源，还可以选用商用宽带光源。所述单模光纤为商用G.652单模光纤。所述锥形光纤7由商用G.652单模光纤拉锥而成。所述光谱仪6为光栅式光谱仪。

Claims (7)

1.基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，该传感器包括：光源、相位调制器、两个光纤耦合器、单模光纤、锥形光纤、样品池和光谱仪；所述光源发出的光通过单模光纤进入第一光纤耦合器，出射光通过单模光纤进入设置在样品池内的锥形光纤，所述锥形光纤附近倏逝波与样品池内的样品发生耦合，输出光谱通过单模光纤由第二光纤耦合器一分为二：一部分通过相位调制器后传输回第一光纤耦合器中，使激光在所述相位调制器、两个光纤耦合器、单模光纤和锥形光纤内无限循环，形成谐振，同时与样品池内的样品多次反应，其中相位调制器用于补偿由于环境变化引起的谐振条件漂移；另一部分由所述光谱仪采集，检测出样品的浓度和组份。
2.根据权利要求1所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述光源通过单模光纤与第一光纤耦合器的输入端相连，所述第一光纤耦合器的输出端通过单模光纤与锥形光纤相连，所述锥形光纤通过单模光纤与第二光纤耦合器的输入端相连，所述第二光纤耦合器的输出端一端与所述光谱仪连接，另一端与所述相位调制器连接，所述相位调制器的另一端与所述第一光纤耦合器的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述第一光纤耦合器、锥形光纤、第二光纤耦合器和相位调制器组成的谐振腔。
4.根据权利要求1所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述光纤耦合器为1×2光纤耦合器。
5.根据权利要求4所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述1×2光纤耦合器的耦合比为99:1。
6.根据权利要求1所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述样品池的半径为mm量级。
7.根据权利要求1所述的基于倏逝波的环形谐振腔增强型液体组分及浓度传感器，其特征在于，所述光源为普通商用激光单色光源或商用宽带光源。
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