CN1940607B - 纤维光学化学传感装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种化学传感装置(10)包括纤维芯(12)和纤维包层(14)。该纤维芯包括折射率调制的光栅区域(16)，所述光栅区域(16)具有被配置用于增加光(18)散发到该纤维包层中的变迹轮廓，并且该化学传感装置的纤维包层被配置用于使至少一些所偏转的光向该纤维芯反射回。该传感装置可适用于感测化学物质的方法和系统中。
Description
技术领域
本发明通常涉及化学传感，并且更特别地涉及基于纤维光栅的化学传感装置、系统和方法。
背景技术
纤维光学传感方法具有包括灵活性、小尺寸、可忽略的重量、无源性以及对于电磁干扰的抗扰性的优点。这些特性使纤维光学传感器理想地适于监控与环境变化相关联的动态的化学和物理过程。纤维光学传感的级联能力能够为诸如油箱、管路和电力网公用设施的大面积基础设施实施方式提供分布式传感应用，其中将纤维光学化学传感装置嵌入在多个位置，否则其中的一些可能是难以接近的。
已经使用了各种传感装置。例如，一些化学传感实施方式取决于吸收特定波长的光并在短时间之后重发射较长波长的光的染料分子。可以采用其他传感装置来检测化学参数，诸如检测pH值或腐蚀、有毒化学物质、有机和无机积垢，以及工业加工系统中的金属离子。这些化学传感装置通常包括电化学传感器、表面等离子体谐振式传感器和衰减全反射传感器。这些传感器中的大多数受到其中采用这些传感器的操作条件的限制。例如，常规的光学和电化学传感装置经常被限制为相对中性的pH条件以及如所指的有限的操作温度范围。更准确地说，常规的装置通常被限制为从大约5至大约11的pH范围以及低于大约100℃的温度。
已经将几种基于纤维光学的化学传感装置与包括化学活性锥形纤维尖端、化学活性纤维束末端以及化学活性纤维包层实施方式的实例一起使用。这些化学传感装置通常包括荧光染料备用掺杂、化学敏感薄膜涂层或其组合。利用这些纤维装置进行的化学传感或者是基于反射率强度或者是基于荧光强度。但是，很难利用这些纤维光学传感器作为实时监控传感装置，因为光源波动和环境敏感的荧光染料发光限制了测量精度。
在如水交换器、管路、储油罐和储气罐、或者工业加工系统的环境中很难识别不同的化学物质。此外，对于大型系统来说，可能需要相当大量的离散化学传感器来映射诸如结构健康状况、pH值、金属离子浓度、或无机结垢和除垢的特性。离散的光学、电化学和纤维光学传感器可能不是可量的(scalable)，以满足所需的空间分辨率，该空间分辨率对于系统条件的精确映射是很有益的。
短周期纤维布拉格光栅(FBG)传感装置已经被用于折射率测量、pH值感测、以及化学鉴定。这些传感装置通常基于D型纤维、包层蚀刻纤维、或者侧抛光(side-polished)纤维。这种传感器利用传感器的芯内的波长编码来根据在通过照明源照亮光栅时产生的布拉格波长位移测量参数。因此，环境对光栅周期性的影响改变了所反射的光的波长，由此提供环境影响的指示(诸如pH、盐度或温度)。
常规的电信型FBG传感装置对于化学物质有非常小的敏感性，因为将衰减波场(evanescent wave field)限于(与纤维芯和包层界面相距大约一个波长的距离处的)纤维芯内部。为了使这种FBG传感装置是化学活性的，将该纤维机械地改造为具有诸如D形状的不对称形状，或者在一侧抛光，或者通过例如氢氟酸蚀刻工艺使包层变薄。在这些过程中，通过抛光、裂开、化学浸蚀、或者形状或极化控制的制造工艺很小心地制备纤维光栅，从而将常规的纤维转变为化学传感装置。改造纤维包层厚度或者纤维形状的工艺被用来将纤维芯模式的衰减波场暴露于外部介质。
很难通过单个机械或化学改造的布拉格光栅传感装置来同时检测多个参数，诸如检测pH、盐度、腐蚀和温度。此外，可能需要不同波长处的多个光谱信号来使多个所感测的参数的影响彼此分离。所感测的参数的这种分离是很难的并且耗时。另外，当利用所写入的(inscribed)布拉格光栅结构对纤维进行化学浸蚀时，在单个纤维光缆上制造多个传感器是特别有挑战的。原则上，这些纤维光学传感器具有潜在的分布能力，但是作为实际的问题，处理多个精密传感器不是一项容易的工作。另外，由于较薄的纤维光栅包层厚度引起的弱机械强度会产生失效模式。
已经证实，纤维长周期光栅(LPG)传感器由于前面的包层模式和芯模式耦合效率而对周围介质的折射率变化具有高敏感性。在基于LPG的化学传感器中，纤维芯中的光被散发到纤维包层区域中。合成的传输损耗强烈取决于周围介质的折射率。尽管去掉了包层蚀刻要求，但是由于包层模式交迭而很难将许多LPG分布在公共化学传感系统中。通常，在100纳米的带宽内，例如由于来自每个LPG的多个传输峰值而使LPG传感器的数量是有限的。更实际的困难在于在诸如温度的其他环境因素改变时对化学物质的检测。传输峰值的不同的温度和化学敏感性使其难以区别化学信号与环境影响。
尽管可以通过对于基于LPG的传感装置进行化学浸蚀来为LPG传感器减少包层模式数量或交迭，但是会出现与机械地改造短周期FBG相关联相同的机械加工难题。
发明内容
希望具有用于化学传感的通用技术，该技术基于纤维光栅但是不需要蚀刻纤维包层或机械地改造纤维光栅形状。
简言之，依照一个实施例，一种化学传感装置包括纤维芯和纤维包层。该纤维芯包括折射率调制的(index-modulated)光栅区域，所述光栅区域具有被配置用于增加光散发到纤维包层中的变迹轮廓(apodized profile)。化学传感装置的纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回。
依照另一实施例，一种化学传感方法包括：(a)提供纤维芯和纤维包层，其中该纤维芯包括折射率调制的光栅区域，所述光栅区域具有被配置用于增加光散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且其中将纤维包层配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；(b)使光透射穿过该光栅区域；(c)获得一信号，该信号代表光从光栅区域反射或者光透射穿过光栅区域；(d)监控信号随时间的振幅和波长位移变化；以及(e)使用所监控的位移变化来检测化学物质的存在。
依照另一实施例，一种化学传感系统包括：(a)化学传感装置，该化学传感装置包括纤维芯和纤维包层，其中纤维芯包括折射率调制的光栅区域，该光栅区域具有被配置用于增加光散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且其中将纤维包层配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；(b)光源，该光源被配置来照亮该芯；以及(c)检测器，该检测器被配置来测量一信号，该信号代表光透射穿过光栅区域或者光从光栅区域反射。
依照另一实施例，一种化学传感探针包括：(a)化学传感装置，该化学传感装置包括纤维芯和纤维包层，其中纤维芯包括折射率调制的光栅区域，该光栅区域具有被配置用于增加光散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且其中将纤维包层配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；以及(b)光学参考传感装置，该光学参考传感装置被配置用于获得参考信号，该参考信号代表光从参考传感装置反射或者光透射穿过该参考传感装置。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细描述时将能更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，在附图中，相同的附图标记代表相同的部件，其中：
图1是化学传感装置的制造实施例的透视图。
图2是依照另一实施例的化学传感装置制造过程的图表。
图3是依照另一实施例的具有沿纤维轴的升余弦调制轮廓的多个化学传感装置的示意图。
图4是在具有变迹轮廓的折射率光栅的相反侧上的衰减波场轮廓的示意图。
图5是基于单个装置的传感探针的示意图。
图6是基于多个装置的传感探针的示意图。
图7是化学传感实施例的示意图，其中光学参考传感装置具有比化学传感装置的波长更大的布拉格谐振波长。
图8是用于识别在反射模式或透射模式下工作的化学物质的纤维光学化学传感系统的图解表示。
图9示出有涂层的纤维光栅的一个实施例。
图10示出有涂层的纤维光栅的另一个实施例。
具体实施方式
当一种纤维光栅装置被配置来从纤维芯有效地散发更多光能到纤维包层中时，能够在不需要包层蚀刻的情况下将该纤维光栅装置用于感测化学溶剂、溶液和蒸气。使折射率调制沿纤维轴变迹(例如具有升余弦或高斯轮廓)是将诸如纤维布拉格光栅(FBG)的规则纤维光栅转变为高敏感性的化学传感装置的一种有效技术。这种已调制的FBG的化学传感能力主要归因于高阶包层模式的衰减波场与外部介质或化学物质之间的相互作用。包层模式和基谐模式之间的最终耦合能够使这种FBG具有对周围介质变化的高敏感性。
图1是用于制造化学传感装置10的系统的透视图，该化学传感装置10包括纤维芯12和纤维包层14。该纤维芯包括折射率调制的光栅区域16，该光栅区域16具有被配置用于增加光18散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且该纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回。如这里所用的“变迹轮廓”意味着，沿纤维轴对该折射率进行空间调制。通常，通过选择材料的类型(包括是否掺杂，并且，如果是这样的话，则掺杂什么类型)、通过设计芯和包层之间的界面、通过设计传感表面、或者其组合来将纤维包层配置用于反射。然后，至少一些向纤维芯12偏转回的光(由斯涅耳(Snell)定律决定)与信号进行组合(即，光无散发(shedding)地经过所述芯)。用于被包含在化学传感装置内的化学物质的类型例如包括化学和生物学气体和液体。
纤维芯12通常包括单模纤维芯。在一个例子中，纤维芯12包括共同掺杂氟(F)的氧化锗。锗被认为用来增加感光性，并且掺杂被认为是帮助使纤维芯缺陷和光功率损耗最小化。除了氟之外或者代替氟，其他例子的掺杂材料包括氯(CL)、硼(B)、磷酸盐(P)、铒(Er)、及其组合。另一种可能的芯材料例如包括玻璃。纤维包层14通常包括掺杂硅石或者包括纯二氧化硅(即，没有被掺杂的二氧化硅)，这是一种折射率通常比芯低的材料。纤维包层14通常与纤维芯12物理接触。
光栅区域16通常包括纤维布拉格光栅。可以包括任何适当的折射率轮廓，其中几种非限制的变迹轮廓的例子是升余弦变迹轮廓和高斯变迹轮廓。传感装置可包括沿纤维轴的多个变迹轮廓。
实例1：在一个制造方法的例子中，利用透镜32和周期调制的相位掩模34的强244纳米波长紫外(UV)光34写入来制造基于已调制的FBG的化学传感装置。在光栅写入之前，利用氢加载过程来增强纤维芯12的感光性。纤维芯12是单模芯，其直径大约9微米，并且还共同掺杂了大约5到7个莫尔百分比的GeO2和大约10ppm到大约100ppm的氟。纤维包层14和纤维芯12的组合的直径大约是125微米，且没有任何掺杂元素。折射率调制轮廓是沿纤维轴具有升余弦图案的变迹轮廓。
当光栅区域16的长度大于大约5毫米(mm)时，可以利用多个变迹过程。例如，几个连续的变迹轮廓通常被用于36mm长度的纤维光栅。
在用途实施方式的方法中，将化学传感装置用在化学传感方法中，该化学传感方法包括使光透射穿过该光栅区域；获得一信号，该信号代表光从光栅区域反射20或光透射22穿过该光栅区域；监控该信号随时间的振幅和波长位移变化；以及利用监控到的位移变化来检测化学物质的存在。如在此在反射或透射的范围中所使用的“或者”意味着“二者之一或者二者兼有”。当光栅包括布拉格光栅时，光信号24的部分从光栅区域16反射，并且其余的光透射穿过光栅区域16，波长中的功率损耗对应于相干的布拉格谐振。
实例2：参考实例1所描述的传感装置由来自可调激光二极管的近红外宽带光源来照亮，并且通过从询问系统监控反射率和透射率来观察随时间而变的波长位移而检测化学物质。目标化学物质的吸收过程对纤维光栅的光学属性进行调制，并从而对包层模式和基谐模式之间的耦合属性进行调制。基于该变迹FBG的化学传感已经在实验上表明可察觉的具有20-200pm的降速变换的布拉格谐振波长位移，以及来自丙酮、甲醇、甲苯、异丙醇和氢氟酸的类似衰变的响应特性。
在更为具体的方法实施例中，光包括测试光，并且在透射该测试光之前，训练光(training light)透射穿过光栅区域16，将化学物质(意味着至少一个)引入到纤维芯12的环境中，获得训练信号，该信号代表训练光从光栅区域16反射或者训练光透射穿过光栅区域16；监控信号中随时间的振幅和波长位移变化；以及利用信号中所监控到的位移变化来形成当透射该测试光时供使用的查找表。此外，化学传感装置10可以通过反射的峰值位置或通过透射光谱中的倾斜位置进行自校准(图1)。
图2是依照另一个实施例的化学传感装置制造过程的流程图。在步骤210中，提供了一种掺杂的感光纤维，诸如GeO2。为了简化感测信号询问，通常使用单模纤维。
在步骤212中，执行氢加载。这种氢加载增加了调制并增强感光性。在一个例子中，氢加载持续从七天变化到十天的周期。
在步骤214中，进行UV激光写入过程。通常利用基于相位掩模的UV光干涉在纤维芯上写入光栅区域。
在步骤216进行纤维退火。退火对促使氢分子外扩散是有用的。在一个例子中，退火发生在大约250℃的温度下持续大约24个小时。
然后在步骤218中将热稳定纤维连接并包装。通常，这包括添加(attach)护套电缆或具有金属或聚合材料的涂层，所述金属或聚合材料诸如铝、金、铜、聚酰亚胺或丙烯酸盐。在步骤220可执行最终的光谱特性，以检查反射峰值的线宽、布拉格谐振波长以及透射倾斜和功率损耗方面。
图3是依照本发明的另一个实施例的多个化学传感装置110、112和114的示意图。这样的实施例可被用于感测不同位置处的相同参数，或者感测在相似或不同位置处的多个参数。例如，所观察到的波长位移和响应时间是用于识别不同化学物种的两个参数，而不管温度变化和其他假象。图3的传感装置可被配置在公共的纤维芯上或者可以位于串联耦合的独立的纤维芯上。还有其它可替换的实施例(未示出)具有沿不同纤维平行的一些或每个传感装置。
图4是化学传感装置420的相反侧上的衰减波场轮廓的实例视图，该化学传感装置420具有带有变迹轮廓的折射率调制的光栅区域。在穿过该光栅区域之前，波群轮廓是基谐模式的受限衰减波场410。在穿过该光栅区域之后，波群轮廓是包含扩展的高阶模式的波群412。这里所描述的实施方式的化学传感效应被认为是由于高阶包层模式的衰减波场与外部介质或化学物质之间的相互作用而引起的。外部介质或化学物质的折射率改变固体(纤维包层)和液体(化学物质)边界条件416，以便使所反射的高阶包层模式与基谐模式的耦合强烈取决于化学亲合性、界面的自由能及其弛豫过程。从传感表面折射(通过区域414示出)的那部分高阶包层模式由斯涅耳定律决定。另外，受激高阶包层模式在传感亚表面中部分地反射(向芯反射回)。图4另外示出包住纤维的区域而不是化学传感装置420的光栅区域的涂层418。
图5和图6示意性示出两个化学传感探针，其中，图5是透视图，而图6是顶视图。图5的单个装置探针502包括参考图1描述的那种类型的化学传感装置500，该化学传感装置500包括纤维芯、纤维包层和具有变迹轮廓的折射率调制的光栅区域(在图1中示出)。图5另外示出位于至少一部分纤维包层上的自由传感空间514，该自由传感空间514围绕光栅区域，还示出包括诸如聚合物或金属的材料的涂敷层516以及示出包住整个组件的纤维传感装置包518。
图6的两个装置探针530除了包括探针502的元件之外还包括含有参考光栅534的参考传感装置600。参考传感装置600上的诸如金属或聚合物的涂层516提供纤维保护并可以增强环境因素测量精度。
此外，图7示出基于传感装置500和600的设计。在图7的例子中，化学传感装置500具有低于参考传感装置600大约2纳米至大约5纳米的布拉格谐振波长，以便使来自两个传感装置的化学有关波长位移和参考有关波长位移是相反的，并且在两个光栅区域之间的间隔小于100mm时避免了峰值重叠以及两个光栅区域之间的干涉。通过比较传感装置的光栅区域中的反射率或透射率变化便于将温度、腐蚀、pH、压力和/或应变的(经由一个或多个参考信号的)环境影响与化学传感分开。
如果需要，多个这种装置对可被组合成用于在温度和湿度可变环境中进行化学鉴定的多个点的分布式传感系统。该化学传感系统例如可包括被置于光纤电缆上的多个传感装置，该光纤电缆可以横跨几英里，其中每个化学传感探针都包括一对纤维光栅传感装置，其中一个纤维光栅传感装置具有用于最大化学相互作用的裸露光栅区域表面，而另一个纤维光栅传感装置在其上具有涂层，其中，谐振波长大于裸露的传感装置的谐振波长。
图8是示出依照本发明的另一个实施例的化学传感系统700的框图，其中探针710包括上面参考图6描述的那种类型的化学传感装置500和参考传感装置600，该探针710与被配置来照亮纤维芯12(图1)的光源714和被配置来测量信号的光学光谱分析仪718结合使用，所述信号代表光透射穿过该探针或者光从该探针反射。在一个例子中，光源包括宽带光源。在另一个例子中，光源包括波长从大约1450nm到大约1600nm的可调激光源。该系统通常也包括处理器720，该处理器720被配置用于监控该信号随时间的振幅和波长位移变化并利用监控到的位移变化来检测化学物质的存在。NIST标准充气光电管716可以同时被用于获得来自每个传感装置的绝对波长读数。激光通常由光耦合器712耦合到纤维芯和传感装置中。
通过光耦合器或光学循环器可以实现光耦合和信号拾取，例如光耦合器或光学循环器被用于将光源发送到传感装置，并且再将所反射的或所透射的信号耦合回到诸如光学光谱分析仪718的信号询问器。该信号询问可以是基于可调的法布里珀罗(Fabry-Perot)滤光器和基于砷化铟镓的近红外光检测器，该近红外光检测器被配置来测量一信号，该信号代表光透射穿过纤维光栅区域或光从纤维光栅区域反射。
这种耦合可选地可以是在公共纤维芯12(图1)上。在一个实施例中，光学参考传感装置600例如包括温度传感装置，该温度传感装置被设计，以便具有与要被感测的化学物质的最小相互作用，并且相反具有主要是由于温度变化而引起的具有任何位移(Δλ1)的波长峰值。与此相反，化学传感装置500的波长峰值的位移(Δλ2)是由于温度变化和化学变化而引起的。两个峰值位移之差(Δλ2-Δλ1)可以例如在训练模式期间的不同化学浓度处根据经验来确定，并在操作模式期间被存储在供使用和比较的查找表(如上所述)中。
实例3：为了检验，传感系统被制造并包括化学传感装置500、作为实时温度传感装置600的重新涂敷聚酰亚胺的纤维布拉格光栅、以及四通道询问系统718。将1毫瓦的可调二极管激光器714通过纤维光学耦合器712与传感纤维连接。利用充气光电管和扫描仪表716校准以每秒80纳米的速率被扫描的波长。针对化学传感装置500感测，系统分辨率是0.4pm。利用用于透射倾斜和反射峰值的处理器720中的跟踪算法来记录随时间变化的化学传感。通过利用稳定的支承结构或封装518小心地维持测量期间具有适当张应力的光栅(图6)。
作为化学传感探针710的部分，利用如上面参考实例1所讨论的氢加载过程将两个纤维布拉格光栅写入到掺杂氧化锗的感光硅石单模纤维上。为了增强化学传感探针710对周围介质的敏感性或者使纤维芯中所传播的光的限制更宽松以便使大部分光在包层中传播，在光栅写入过程期间对UV光强度进行调制，并使其沿纤维轴移动。这种具有沿纤维轴的变迹轮廓的已调制的布拉格光栅结构导致显著的透射倾斜，该透射倾斜很明显是由前面的传播基谐模式与芯中的反传播模式的耦合而引起的。此外，由于从芯模式耦合的光泄露到纤维芯外，所以由于在比布拉格谐振波长更短的波长的范围中的包层模式谐振而保留(leave)几个透射倾斜。已经发现，这些谐振的数量和振幅取决于UV光功率电平和纤维感光性以及纤维芯/包层界面的光学属性。
关于强周期折射率调制的理论分析已经得到发展，其中已经利用高阶传播模式的调制贡献来解释观察到的化学传感结果。可以相信，化学传感是由于光栅表面周围的化学原子吸收而引起的过程，该化学原子吸收强烈地改造了高阶包层模式和基谐模式的模式耦合属性来代替折射率匹配效应。理论上，该可察觉的波长位移归因于高阶模式贡献，其中由所吸收的化学原子或分子来改造耦合属性。在理论分析下，布拉格谐振条件例如被表达为：
其中d1(d2)是纤维上的UV曝光(未曝光)宽度，Λ是节距尺寸，而波矢km＝2πm/Λ(m＝0，1，2...)。方程式(1)中的第一项对应于FBG的相位匹配条件，而neff是纤维光栅的有效折射率。对于规则的纤维布拉格光栅来说，这是通过neff＝fAn(UV+GeF:SiO2)+fBn(GeF:SiO2)(其中fA+fB＝1)来表达的纤维芯的有效折射率，而fA(fB)是UV曝光的(未曝光的)纤维芯宽度d1(d2)与节距尺寸Λ之比。在一阶近似内，外部介质折射率的变化是不可察觉的，其中高阶模式耦合贡献非常小。对于强调制的FBG来说，可以利用βclad，i+β01＝2π/Λ的相位匹配条件来确定谐振波长，其中βclad，i是沿着与具有波矢量β01的基本LP01模式的反方向(即通过λ＝(nco+nclad，i)Λ)的第i个包层的传播常数。
方程式(1)中的高阶模式耦合效应迄今没有被实现和研究出来，特别是在化学传感的环境中没有实现和研究出来。这些高阶模式与反传播基谐模式的耦合(如小的扰动)被期望为能够被用于通过本询问系统来感测化学物质和挥发性蒸气的可察觉的效应，该系统具有0.4pm的分辨率以及1pm的精度。
期望的是，利用任意选择的涂层能够进一步改变传感装置的属性。例如，在一个实施例中，如图9中所示，化学选择性涂层818位于传感装置810的至少一部分纤维包层814上，该纤维包层814围绕纤维芯812的光栅区域816。在更具体的实施例中，该涂层包括诸如聚酰亚胺或丙烯酸盐的聚合物。
在另一实施例中，如图10中所示，机械敏感性涂层916位于至少一部分纤维包层914上，该纤维包层914围绕纤维芯912的光栅区域918。在更具体的变型中，该机械敏感性涂层包括热膨胀系数与纤维包层的热膨胀系数不同的材料。在其中纤维包层包括硅石的一个实例中，涂层包括铜、铝或金。铝的热膨胀系数例如几乎比硅石的热膨胀系数高40倍。
纤维包层材料本身和任何涂层的选择取决于光学属性以及来自预期环境的任何要求(例如，如果传感装置将被用在一定的气体和液体环境中，那么是不渗透性或亲水性)。金的金属涂层材料能够被用于保护目的，并且能够承受得住高达大约600℃的温度。涂敷有丙烯酸盐的纤维通常适于从大约-40℃到大约85℃的温度，而涂敷有聚酰亚胺的纤维一般适于从大约-190℃到大约350℃的温度。小心选择用于参考传感装置的涂层也是有用的。例如，聚酰亚胺涂层能够帮助感测湿度变化，而涂敷有铜金属的传感装置帮助感测与氧化有关的腐蚀。
尽管这里已经示出和描述了本发明的仅仅一些特征，但是许多修改和改变是本领域的普通技术人员能够想到的。因此，应该理解，随附的权利要求意在覆盖如落入本发明的真正精神内的所有这种修改和改变。
部件列表：
10化学传感装置
12纤维芯
14纤维包层
16光栅区域
18光(从芯到包层)
20反射光
22透射光
24光信号
30相位掩模
32透镜
34光
110化学传感装置
112化学传感装置
114化学传感装置
210步骤
212步骤
214步骤
216步骤
218步骤
220步骤
410衰减波场
412波群
414折射区域
416边界条件
420化学传感装置
500传感装置
502探针
511纤维芯
512纤维包层
510光栅区域
514自由传感空间
516涂层
518包
530探针
600参考传感装置
700化学传感装置
710探针
712光耦合器
714光源
716充气光电管和时间扫描
718光谱分析仪
720处理器
810传感装置
812芯
814包层
816光栅区域
818化学选择性涂层
912芯
914包层
916机械敏感性涂层
918光栅区域
Claims (10)
1.一种化学传感装置(10)，其包括：
纤维芯(12)；以及
纤维包层(14)，
其中，该纤维芯包括折射率调制的光栅区域(16)，所述光栅区域(16)具有被配置用于增加光(18)散发到该纤维包层中的变迹轮廓；
其中，该化学传感装置的纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回。
2.如权利要求1所述的传感装置，其中，所述纤维芯包括单模纤维芯，并且其中，所述纤维芯包括掺杂有二氧化锗的材料，以及其中，所述纤维芯进一步包括共同掺杂有氟、氯、硼、铒、或者其组合的材料。
3.如权利要求1所述的传感装置，其中，所述纤维包层与所述纤维芯物理接触。
4.如权利要求1所述的传感装置，其中，所述光栅区域的轮廓包括周期变迹的折射率轮廓。
5.如权利要求4所述的传感装置，其中，所述光栅区域的轮廓包括沿着所述纤维芯的轴的至少一个升余弦轮廓或者至少一个高斯轮廓。
6.如权利要求1所述的传感装置，进一步包括位于至少一部分纤维包层上的化学选择性涂层(818)和机械敏感性涂层(916)，所述至少一部分纤维包层围绕所述纤维芯的光栅区域。
7.一种化学传感方法，其包括：
提供纤维芯(12)和纤维包层(14)，其中，该纤维芯包括折射率调制的光栅区域(16)，该光栅区域(16)具有被配置用于为增加光(18)散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且其中，该纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；
使光透射穿过该光栅区域；
获得一信号，该信号代表光从该光栅区域反射(20)或者光透射(22)穿过该光栅区域；
监控信号随时间的振幅和波长位移变化；以及
利用监控到的位移变化来检测化学物质的存在。
8.一种化学传感系统(700)，其包括：
化学传感装置，该化学传感装置包括纤维芯(12)和纤维包层(14)，其中，该纤维芯包括折射率调制的光栅区域(16)，该光栅区域(16)具有被配置用于增加光(18)散发到该纤维包层中的变迹轮廓，并且其中，该化学传感器的纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；
光源(24)，该光源(24)被配置来照亮该芯；
检测器(718)，该检测器(718)被配置来测量一信号，该信号代表光透射穿过该光栅区域或者光从该光栅区域反射。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括光学参考传感装置，该光学参考传感装置被配置用于获得参考信号，该参考信号代表光从该光学参考传感装置反射或光透射穿过该光学参考传感装置，其中，该光学参考传感装置包括与该化学传感装置并行耦合的纤维光栅温度传感器。
10.一种化学传感探针(530)，其包括：
化学传感装置(500)，该化学传感装置(500)包括纤维芯(12)和纤维包层(14)，其中，该纤维芯包括折射率调制的光栅区域(16)，该光栅区域(16)具有被配置用于增加光(18)散发到纤维包层中的变迹轮廓，并且其中，该纤维包层被配置用于使至少一些散发的光向该纤维芯反射回；以及
光学参考传感装置(600)，该光学参考传感装置(600)被配置用于获得参考信号，该参考信号代表光从该参考传感装置反射或者光透射穿过该参考传感装置。
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