CN111829986A - 一种基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于腐蚀光纤包层的马赫‑曾德尔干涉湿度传感器，包括依次连接的入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号耦合到干涉臂中，干涉臂接受外界环境物理量变化信息，用于形成不同光波传输模式的传输波导，合束器使得从干涉臂中进来的光信号耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测仪器中。本发明对干涉臂部分的单模光纤进行了化学腐蚀处理增强倏逝场效应，光纤腐蚀区域的外表面被氧化石墨烯薄膜包覆以提高传感器对水分子吸附和解吸附的能力，氧化石墨烯薄膜的有效折射率的变化将调制通过光纤传播的光，进而达到传感的目的。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
湿度传感器由于在食品加工，生物制药，半导体加工，土木工程，人体呼吸监测等方面的重要应用而引起了极大的关注。因此，要求湿度传感器能够快速且准确地检测环境湿度的变化。然而，当应用于复杂的电磁环境中时，传统的电化学湿度传感器在湿度检测方面有太多的局限性。电化学湿度传感器的寿命在不同的环境中会有所不同，并且长时间在高湿度条件下，测量精度会降低。与电化学湿度传感器相比，光纤湿度传感器具有抗电磁干扰，灵敏度高，成本低，体积小，动态范围大的优点。
光纤湿度传感器主要依靠涂有不同湿敏材料的光纤传感结构来实现湿度测量。吸附和解吸附作用将影响湿敏材料的折射率。根据该解释，功能化材料与光纤传感结构相结合可以实现湿度测量。迄今为止，已经基于具有传感膜涂层的不同配置开发了各种类型的光纤湿度传感器。这些湿度传感器使用改性的光纤结构，例如涂覆二硫化钼的蚀刻单模光纤，涂有二硒化钼的侧边抛磨光纤，涂有氧化锌纳米棒的包层改性的锥形光纤，涂有还原氧化石墨烯的侧面抛磨光纤，填充GQDs-PVA的空心光纤，PVA涂层的光纤长周期光栅，壳聚糖涂层光纤Fabry-Perot传感器，涂有全氟磺酸膜的单模光纤，涂有羧甲基纤维素的腰部加大锥形接头，聚酰亚胺涂层的光纤布拉格光栅，二氧化硅/聚合物微纤维结谐振器，石墨烯包覆的锥形光子晶体光纤等。
石墨烯具有独特的光学特性，例如良好的透明度，表面等离子体激元，光学非线性效应和光伏效应。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物和石墨烯的氧化产物。它是一个单原子层结构，水平范围从几十纳米到几十微米不等。氧化石墨烯的基本结构类似于石墨烯，可以认为是大量含氧官能团连接到碳原子层间和边缘。氧化石墨烯的二维表面和边缘包含大量的含氧官能团，例如羟基，羧基，环氧化物(主要位于顶表面和底表面)和羰基(主要位于边缘)，使得氧化石墨烯比石墨烯更活泼。由于这些特性，石墨烯和光纤的组合具有天然的优势。
马赫-曾德尔干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。高灵敏度的马赫-曾德尔光纤传感仪结合氧化石墨烯的良好吸湿性能，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一个低成本、灵敏度高、可重复、稳定性好的光纤湿度传感器。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，包括：入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；干涉臂包括传感臂和参考臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的两个输出端一一对应连接传感臂和参考臂的输入端，传感臂和参考臂的输出端一一对应连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接。
入射光纤，该光纤用于输入光信号，光信号由宽带光源发射。
分束器，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中。
干涉臂由单模光纤组成，包括传感臂和参考臂；传感臂和参考臂分别对应干涉臂单模光纤的包层与纤芯部分。其中，所述干涉臂是使用氢氟酸溶液腐蚀掉单模光纤的部分包层，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的单模光纤直径大约为91μm，干涉臂的长度为35mm。
合束器，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤结构中。
出射光纤，由单模光纤构成，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
作为一种优选的技术方案，在被腐蚀区域的光纤外表面涂覆氧化石墨烯薄膜，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强对相对湿度变化的感知。
本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，这种结构是微型光纤马赫-曾德尔干涉仪，它是通过在引入的单模光纤和无芯光纤之间的界面处激发包层模式而形成的，腐蚀单模光纤外表面区域涂覆的氧化石墨烯薄膜的折射率随湿度变化而变化。宽带光源发出的入射光通过入射光纤射入分束器部分，由于模式场不匹配，纤芯模式通过熔接点激发高阶包层模式，并且两个熔接点之间的单模光纤充当干涉臂。由于干涉臂中不同阶的纤芯模式和包层模式具有不同的有效折射率，因此通过干涉臂后会产生光程差，因此它们之间会发生相位延迟，从而产生清晰的干涉光谱。当光传输到合束器部分时，不同阶数的包层模式耦合到光纤纤芯产生干涉。在这种情况下，我们的实验中使用的无芯光纤是由直径较大的纯石英玻璃棒制成的，它与单模光纤的折射率匹配，因此，较大的芯直径失配保证了激发包层模式。
在传感区域中，包层模式总是存在的，这符合马赫-曾德尔双光束干涉原理，其输出频谱通常是多个传输模式干涉频谱的叠加。模式之间的干扰强度可以表示为：
其中，I1和I2分别是纤芯模和包层模的强度；φ0是初始相位；φ是纤芯模和包层模之间的相位差，由下式给出：
其中
和
是纤芯模式和第m阶包层模式的有效折射率，L是干涉臂的长度，λ是工作波长，Δneff是有效折射率差。当参与干涉的两种模式之间的相位差满足π的奇数倍，即φ＝(2N+1)π时，本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器输出光谱中将存在最小干涉，损耗峰值波长可以给出为：
当基于无芯光纤的湿度传感器的环境的折射率发生变化时，传输光波导的结构也会发生变化，这将改变纤芯基本模式和每个更高阶模式之间的传输常数和耦合效率，光纤中传输模式的有效折射率相应地变化。因此，当外部环境的折射率发生变化时，损耗峰的波长偏移可描述为：
因此，由传感器头周围湿度引起的环境的折射率变化与输出光谱中的干涉极点处的波长之间存在对应关系。本发明中湿度测量是通过监视透射光谱的波长偏移来实现的。
本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器涂覆氧化石墨烯薄膜的湿度传感机理可以从物理上解释如下：一方面，由于存在含氧官能团(如羧基，羟基)，氧化石墨烯薄膜具有很强的吸水性。吸收的水分子将粘附在氧化石墨烯薄膜的表面，这将直接导致氧化石墨烯薄膜溶胀。另一方面，由于氧化石墨烯薄膜表面上的超高移动载体，水分子可以容易地吸附在氧化石墨烯薄膜上并用作载体。之后，材料的表面载流子密度将增加，氧化石墨烯薄膜材料的费米能级也将增加并超过狄拉克点。这将阻碍频带之间的能量转移，并最终导致电导率降低。
在将氧化石墨烯薄膜涂覆在腐蚀单模光纤外表面上之后氧化石墨烯薄膜的有效折射率的变化将调制通过光纤传播的光，最终输出光谱也会发生变化。通过观察输出光谱条纹的相对变化，可以检测外部水分子的变化，进而对湿度传感。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明对干涉臂部分的单模光纤进行了化学腐蚀处理增强倏逝场效应，光纤腐蚀区域的外表面被氧化石墨烯薄膜包覆以提高传感器对水分子吸附和解吸附的能力，通过腐蚀区域涂覆的氧化石墨烯薄膜吸附和解吸附水分子，氧化石墨烯薄膜的有效折射率的变化将调制通过光纤传播的光，最终输出光谱也会发生变化，进而达到传感的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器的传感头结构示意图；
图2是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器湿度上升过程透射光谱随环境湿度的变化；
图3是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器湿度上升过程透射光谱波谷的中心波长与相对湿度变化的关系及其线性拟合；
图4是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器湿度下降过程透射光谱随环境湿度的变化；
图5是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器湿度下降过程透射光谱波谷的中心波长与相对湿度变化的关系及其线性拟合；
图6是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器湿度上升过程和下降过程中心波长和环境湿度拟合结果对比；
图7是本发明实施例基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器的稳定性；
在附图中，各附图标记表示：1、入射光纤；2、分束器；3、干涉臂；4、传感臂；5、参考臂；6、合束器；7、出射光纤；8、氧化石墨烯薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，如图1所示，包括：入射光纤1、分束器2、干涉臂3、合束器6和出射光纤7；干涉臂3包括传感臂4和参考臂5；入射光纤1的输出端连接分束器2输入端，分束器2的输出端连接传感臂4和参考臂5的输入端，传感臂4和参考臂5的输出端连接合束器6的两个输入端，合束器6的输出端与出射光纤7的输入端连接。
入射光纤1，由单模光纤组成，该光纤用于输入光信号；
分束器2，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，与入射光纤1和干涉臂3连接，使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中。
干涉臂3，由长度为35mm的单模光纤(9/125μm)组成，包括传感臂4和参考臂5；传感臂4和参考臂5分别对应干涉臂3单模光纤的包层与纤芯部分，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接。其中，所述的干涉臂3单模光纤是使用氢氟酸溶液腐蚀掉单模光纤的部分包层，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的单模光纤直径大约为91μm。
合束器6，结构与分束器2相同，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，合束器6与出射光纤1和干涉臂3连接，使得从干涉臂3中进来的光信号经过合束器6耦合到出射光纤7结构中。
出射光纤7，由单模光纤构成，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
作为一种优选的技术方案，并在干涉臂3被腐蚀区域的光纤外表面涂覆氧化石墨烯薄膜8，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强对相对湿度变化的感知。
本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，这种结构是微型光纤马赫-曾德尔干涉仪，它是通过在引入的单模光纤和无芯光纤之间的界面处激发包层模式而形成的，腐蚀单模光纤外表面区域涂覆的氧化石墨烯薄膜的折射率随湿度变化而变化。宽带光源发出的入射光通过入射光纤射入分束器部分，由于模式场不匹配，纤芯模式通过熔接点激发高阶包层模式，并且两个熔接点之间的单模光纤充当干涉臂。由于干涉臂中不同阶的纤芯模式和包层模式具有不同的有效折射率，因此通过干涉臂后会产生光程差，因此它们之间会发生相位延迟，从而产生清晰的干涉光谱。当光传输到合束器部分时，不同阶数的包层模式耦合到光纤纤芯产生干涉。在这种情况下，我们的实验中使用的无芯光纤是由直径较大的纯石英玻璃棒制成的，它与单模光纤的折射率匹配，因此，较大的芯直径失配保证了激发包层模式。
在传感区域中，包层模式总是存在的，这符合马赫-曾德尔双光束干涉原理，其输出频谱通常是多个传输模式干涉频谱的叠加，模式之间的干扰强度可以表示为：
其中，I1和I2分别是纤芯模和包层模的强度；φ0是初始相位；φ是纤芯模和包层模之间的相位差，由下式给出：
其中
和
是纤芯模式和第m阶包层模式的有效折射率，L是干涉臂的长度，λ是工作波长，Δneff是有效折射率差。当参与干涉的两种模式之间的相位差满足π的奇数倍，即φ＝(2N+1)π时，本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器输出光谱中将存在最小干涉，损耗峰值波长可以给出为：
当基于无芯光纤的湿度传感器的环境的折射率发生变化时，传输光波导的结构也会发生变化，这将改变纤芯基本模式和每个更高阶模式之间的传输常数和耦合效率。光纤中传输模式的有效折射率相应地变化。因此，当外部环境的折射率发生变化时，损耗峰的波长偏移可描述为：
因此，由传感器头周围的湿度引起的环境的折射率变化与输出光谱中的干涉的极点处的波长之间存在对应关系。本发明中湿度测量是通过监视透射光谱的波长偏移来实现的。
本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器涂覆氧化石墨烯薄膜的湿度传感机理可以从物理上解释如下：一方面，由于存在含氧官能团(如羧基，羟基)，氧化石墨烯薄膜具有很强的吸水性。吸收的水分子将粘附在氧化石墨烯薄膜的表面，这将直接导致氧化石墨烯薄膜溶胀。另一方面，由于氧化石墨烯薄膜表面上的超高移动载体，水分子可以容易地吸附在氧化石墨烯薄膜上并用作载体。之后，材料的表面载流子密度将增加，氧化石墨烯薄膜材料的费米能级也将增加并超过狄拉克点。这将阻碍频带之间的能量转移，并最终导致电导率降低。
在将氧化石墨烯薄膜涂覆在腐蚀单模光纤外表面上之后氧化石墨烯薄膜的有效折射率的变化将调制通过光纤传播的光，最终输出光谱也会发生变化。通过观察输出光谱条纹的相对变化，可以检测外部水分子的变化，进而对湿度传感。
在湿度传感实验中，将所述传感器结构放置在恒温恒湿室内，湿度的最小精度和温度的最小精度分别为±0.1％RH和±0.01℃。腔室中的温度和湿度可以自主设置，并且可以保持不变。所述传感器结构的两端分别通过两个单模光纤尾纤连接到宽带光源和光谱仪。
本实施例中，在30％至95％湿度的范围内监测干涉条纹的波长偏移，并在记录波长和透射谱之前，将每个湿度点保持一段时间，以确保恒温恒湿箱内的湿度值稳定。记录光谱数据时，为了减少误差，我们取10次实验数据求得平均。在湿度上升期间，湿度从不同的梯度逐渐从30％增加到95％。测试从30％湿度值开始，湿度缓慢达到95％，湿度从30％到80％的间隔为20％，从85％到95％的间隔为5％。实验中恒温恒湿箱内温度固定在25℃。我们选择了4个波谷进行观察，随着湿度的增加，测得的光谱响应如图2所示。从整体上看，随着湿度的增加，干涉光谱显示出蓝移。图3展示了在1580nm-1590nm的波谷下随湿度增加而测得的光谱响应。随着湿度增加，光谱单调移至较短的波长。在30％-95％的湿度范围内，波长偏移为4.59nm。图3中的插入图是波长与环境湿度变化的关系。相应的拟合结果表明灵敏度为70.0pm/％RH，线性相关系数为0.999。为了进一步探索传感器的湿度响应的可逆性，以相反的方式调整湿度，即湿度下降的过程与湿度的上升相反。类似地，图4中所示的湿度降低的干涉图表示30％-95％湿度中的湿度响应和线性拟合曲线，以及在1580nm-1590nm的波谷的灵敏度为74.0pm/％RH，线性相关系数为0.994。通过比较图6所示的两个线性拟合，本发明提出的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器实现了高可逆性和高灵敏度。通过图7，本发明提出的传感结构展示了优异的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：包括入射光纤(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束器(6)和出射光纤(7)；干涉臂(3)包括传感臂(4)和参考臂(5)；入射光纤(1)的输出端连接分束器(2)输入端，分束器(2)的两个输出端一一对应连接传感臂(4)和参考臂(5)的输入端，传感臂(4)和参考臂(5)的输出端一一对应连接合束器(6)的两个输入端，合束器(6)的输出端与出射光纤(7)的输入端连接；入射光纤(1)用于输入光信号，分束器(2)使得从入射光纤(1)中进来的光信号经过分束器(2)耦合到干涉臂(3)中，干涉臂(3)用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器(6)使得从干涉臂(3)中进来的光信号经过合束器(6)耦合到出射光纤(7)中，出射光纤(7)用于输出光信号，并将光信号传输到外接的光谱仪中。
2.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述入射光纤(1)由单模光纤构成，其输入端连接外接的宽带光源。
3.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)与合束器(6)相同，均由无芯光纤构成。
4.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由单模光纤构成；其中，传感臂(4)由单模光纤中的包层组成，参考臂(5)由单模光纤中的纤芯组成。
5.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)单模光纤的包层经过氢氟酸溶液化学腐蚀直径减小，光纤腐蚀区域的外表面被氧化石墨烯薄膜(8)包覆。
6.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述出射光纤(7)由单模光纤构成，输出端连接光谱仪。
7.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤；所述合束器(6)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤。
8.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由长度为35mm、直径125μm的单模光纤组成，所述干涉臂(3)单模光纤使用氢氟酸溶液腐蚀掉单模光纤的部分包层，处理后的单模光纤直径为91μm。
9.根据权利要求1所述的基于腐蚀光纤包层的马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：传感器输出频谱是多个传输模式干涉频谱的叠加；模式之间的干扰强度表示为：
其中，I1和I2分别是纤芯模和包层模的强度；φ0是初始相位；φ是纤芯模和包层模之间的相位差，由下式给出：
其中
和
是纤芯模式和第m阶包层模式的有效折射率，L是干涉臂的长度，λ是工作波长，Δneff是有效折射率差；当参与干涉的两种模式之间的相位差满足π的奇数倍，即φ＝(2N+1)π时，传感器输出光谱中将存在最小干涉，损耗峰值波长给出为：
当传感器的环境的折射率发生变化时，传输光波导的结构也会发生变化，这将改变纤芯基本模式和每个更高阶模式之间的传输常数和耦合效率；光纤中传输模式的有效折射率相应地变化；因此，当外部环境的折射率发生变化时，损耗峰的波长偏移描述为：
因此，由传感器头周围的湿度引起的环境的折射率变化与输出光谱中的干涉极点处的波长之间存在对应关系；湿度测量是通过监视透射光谱的波长偏移来实现的。
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