CN112834458A

CN112834458A - 一种错位弯曲结构光纤液体折射率传感器

Info

Publication number: CN112834458A
Application number: CN202011631182.4A
Authority: CN
Inventors: 滕传新; 朱永洁; 苑立波
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-25

Abstract

本发明提供一种错位弯曲结构光纤液体折射率传感器。纤芯偏移结构使纤芯模式耦合到包层模式，其中一些模式在宏弯曲区域的末端重新耦合回纤芯，形成模态干涉效应。液体RI可以通过监测模态干涉的光谱偏移量来测量。实验结果表明，当纤芯偏移量为2um，宏弯曲半径为5.5mm时，RI为1.43时，灵敏度可达699.95nm/RIU。该传感器具有灵敏度高、结构简单、制作方便、成本低等优点。

Description

一种错位弯曲结构光纤液体折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种错位弯曲结构光纤液体折射率传感器。

背景技术

折射率传感在环境监测和食品安全等诸多领域有着重要的应用价值。光纤折射率传感器具有抗电磁干扰、重量轻、体积小、可进行远程操作等优点，受到了越来越多研究人员的关注。如：专利申请号201210152365.7的中国发明专利“一种微纳光纤光栅折射率传感器”提供了一种采用基于微纳光纤光栅的液体折射率传感器；如专利申请号201510615253.4的中国发明专利“在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置”提供了一种利用单模光纤、长周期光纤光栅以及多模光纤等级联的双光束干涉型折射率传感器。但上述光纤液体折射率传感器的结构和制备工艺都比较复杂，如何实现结构简单、制备成本低廉的液体折射率传感器无疑具有重要的实际意义。

近年来，许多研究人员提出了基于光纤干涉仪的液体折射率传感器。该种传感器的结构与制备工艺比较简单，为液体折射率的测量提供了一种低成本的解决方案。如专利申请号201310034092.0的中国发明专利“基于单模-细芯-多模-单模结构”的光纤折射率传感器”提供了一种折射率的测量方案。此外还有采用双错位熔接技术以及双拉锥结构所构成的液体折射率传感器。然而这些折射率传感器的尺寸一般比较长，且其光源与光谱分析仪位于光纤的两端，不利于进行点式的测量和系统的集成。最近，研究人员报道了一种基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感器(基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感[J].光子学报,2015,44(5):88-93.)，光纤中一部分的光能量通过弯曲部分进入到包层，而后在弯曲的末端可以重新耦合回光纤芯，从而构成一种模间干涉仪。该传感器具有结构紧凑，制备工艺简单，且可进行点式的测量的优点，但该种传感器需要将光纤弯曲成较小的弯曲半径才能实现折射率的测量，而过小的弯曲半径一方面会带来较大的传输损耗，不利于信号的探测和干涉峰位置的准确定位，并且过度的弯曲也容易使光纤探头损坏。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种错位弯曲结构光纤液体折射率传感器。利用错位结构可以使更多纤芯中传输的光能量进入到包层当中，从而避免过度弯曲所带来的传输损耗，并且可以增加器件的灵敏度，而利用弯曲结构，可以使包层中的光能量重新耦合回纤芯。由于在包层中与芯层中传输的光在经过弯曲区域后会产生相位差，因此可以构成一个光纤干涉仪。

要实现该种光纤液体折射率传感器，本发明提供了一种制备错位弯曲结构光纤探头的方法，包括步骤如下：

1)采用光纤熔接机将两个光纤进行错位熔接，该过程需要使光纤熔接机处于手动工作模式，在该模式下可以使两个光纤具有一定的相对偏移量，而后再进行熔接，便可得到错位光纤。

2)将制备好的错位光纤用热塑套封装起来，并将其插进一个圆柱形的套管当中，然后将光纤的一端反方向插入到圆柱形套管当中，通过拉伸光纤的一端就可以获得一个弯曲结构，也可以实现对弯曲结构的调节。最后采用环氧树脂胶将光纤和套管进行固定，就可以获得一个结构稳定的光纤传感探头。

本发明还可以包括：

1、可以通过调节两光纤相对偏移量来改变错位弯曲结构光纤传感探头错位量的大小。其特征在于错位光纤的错位量为0-60μm。

2、可以通过调节光纤的末端来改变错位弯曲结构光纤传感探头的结构尺寸。其特征在于弯曲结构探头的长为10-30mm，弯曲部分的弯曲半径为5-20mm。

本发明是利用光纤的错位结构，使纤芯中传输的光能量耦合进包层，而利用弯曲结构可以使包层中传输的光能量再重新耦合回光纤纤芯，从而构成一个光纤干涉仪，其输出光谱中会出现干涉特征峰。当被测液体折射率发生变化时，会改变包层模式的有效折射率，从而导致干涉特征峰位置的移动。因此，通过监测特征峰的位置，就可以获得被测液体折射率的变化。其透射光谱可以简单表述成两个模式相干涉的过程，

式中I是输出光强，I_co和I_cl分别是光纤芯层模和包层模的光强，φ是两个干涉模式的相位差，它可以表示成，

式中n_co和n_cl分别是光纤纤芯和包层的有效折射率，K是两个模式干涉路径的长度，其值取决于错位弯曲探头的长度与弯曲半径的大小，λ是真空中的波长。当φ＝(2i+1)π时，i是整数，干涉峰会出现在特定的波长位置，其可以表示为，

从上述分析中可以看出，对于固定的干涉路径长度，干涉峰的位置取决于纤芯模和包层模的有效折射率差。当光纤周围液体折射率发生变化时，会导致包层模式的有效折射率发生变化，而纤芯模有效折射率基本不变，两者的差值就会发生改变，从而引起共振峰位置的变化。因此，其可以实现液体折射率的传感。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的折射率传感探头的制作工艺简单，结构简单，方便进行点式的测量。

2)本发明可以避免过小弯曲而导致的器件损耗过大和容易损坏等缺点。

3)另外，本发明采用将错位和弯曲结构相结合来测量液体折射率还可以有效地提高传感灵敏度。

附图说明

图1是本发明的错位宏弯曲光纤传感探头的结构示意图；

图2是本发明的实验装置示意图；

图3本发明的传感探头在不同折射率液体中的透射光谱图；

图4是本发明的传感探头测得的折射率—干涉峰位置的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图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。

参见图1，为本发明的错位宏弯曲光纤传感探头的结构示意图。该错位弯曲结构光纤探头的制备方法如下：

1)采用光纤熔接机将两个光纤进行错位熔接，该过程需要使光纤熔接机处于手动工作模式，在该模式下可以使两个光纤具有一定的相对偏移量，而后再进行熔接，便可得到错位光纤。1-1为错位区域。

2)将制备好的错位光纤用热塑套1-2封装起来，并将其插进一个圆柱形的套管1-3当中，然后将光纤的一端反方向插入到圆柱形套管当中，通过拉伸光纤的末端就可以获得一个弯曲结构的探头1-4。

3)最后采用环氧树脂胶将光纤与套管1-3进行固定，就可以获得一个结构稳定的光纤传感探头。

优选地，光纤错位量大小为2μm，光纤探头长L为19.8mm，弯曲部分的弯曲半径R为5.7mm。

参见图2，为本发明的实验装置示意图，其由波长为1525-1610nm的宽谱光源2-1、光谱分析仪2-2、装有甘油溶液的烧杯2-3和支撑错位弯曲结构光纤传感探头的支架2-4所构成。当宽谱光源1-1发出的光到达错位区域时，纤芯中传输的光能量会耦合进入包层中，而在弯曲结构的末端，包层中传输的光能量会重新耦合回纤芯。由于在包层中与芯层中传输的光在经过弯曲区域后会产生相位差，从而可以构成一个光纤干涉仪，在其输出光谱中会出现干涉特征峰，从而在光谱分析仪2-2中显示出来。当被测液体折射率发生变化时，会改变包层模式的有效折射率，从而导致特征峰位置的移动，因此，通过监测特征峰的位置，就可以获得被测液体折射率的变化

参见图3，为本发明的传感探头在不同折射率液体中的透射光谱图。可以看到，透射光谱有明显的干涉峰存在，随着折射率的增加，干涉峰会向右移动。因此，可以通过监测干涉峰的位置来反映被测溶液折射率的变化。

参见图4，为本发明的传感器所得到的折射率与干涉峰位置的关系曲线。其横坐标为甘油水溶液的折射率，纵坐标为干涉峰的位置。由结果中可以看出，被测溶液折射率与干涉峰位置的关系曲线呈非线性关系。其灵敏度S可以用拟合曲线的斜率来确定，它可以表示为，

其中Δλ和Δn分别是干涉峰波长移动的变化量和被测溶液折射率的变化量。可以得到，在折射率1.43处，其灵敏度可达699.95nm/RIU(RI单位)。

Claims

1.作为本发明的第一方面，提供了一种制备错位弯曲结构光纤探头的方法，其特征在于：传感光纤探头由错位弯曲结构的光纤制备而成，其制备步骤如下：

2.如权利要求1所述的一种错位弯曲结构光纤探头，可以通过调节两光纤相对偏移量来改变错位弯曲结构光纤传感探头错位量的大小。其特征在于：在于错位光纤的错位量为2μm。

3.如权利要求1所述的一种错位弯曲结构光纤探头，可以通过调节光纤的末端来改变错位弯曲结构光纤传感探头的结构尺寸。其特征在于：弯曲结构探头的长为19.8mm，弯曲部分的弯曲半径为5.7mm。