CN202126393U - 一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤的折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤的折射率传感器。宽带光源与光纤耦合器连接，经过分光比为50∶50的光纤耦合器将光分为两路，一路为测量光路，传感装置中的两个光纤准直器分别放在光子晶体光纤两端，形成一准直系统，两个光纤准直器通过单模光纤分别与光纤耦合器和PIN结相连接；一路为参考光路，用单模光纤将耦合器和PIN结直接连接，差分运算器将PIN结转换后的信号计算并输出。本实用新型体积小、结构紧凑、价格便宜、灵敏度高、传感性能稳定并且解调设备成本低、解调方法简便。此外，光子晶体光纤空气孔灌注待测溶液的方法适于生物、化学领域进行微量检测。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤拉锥及溶液灌注的光子晶体光纤折射率传感器。
背景技术
折射率测量是工程上测量物质浓度的重要方法之一，其测量方法有激光照射法、杨氏干涉法以及阿贝折射率仪法。但是，激光照射法和杨氏干涉法对实验操作和仪器的稳定性要求很高；阿贝折射仪测量方法其测量精度虽然高，但测量范围受反射棱镜折射率限制，并且不能在恶劣环境下使用。
光纤传感器有许多独特的优点，如对电磁干扰不敏感，灵敏度高，体积小，抗腐蚀，可应用于各种不同的环境中。用光纤作为折射率测量媒介的机理多种多样，而基于光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅的折射率传感器以其较简单的原理一采用外界环境折射率变化引起的波长漂移量进行解调即可得到折射率信息，而受到人们的重视。然而，光纤布拉格光栅折射率传感器的灵敏度比较低，无法应用于高灵敏折射率测量领域，同时监测要用到光谱仪等价格昂贵的仪器；长周期光纤光栅折射率传感器由于其对弯曲的极度敏感性，在折射率测量过程中极易引入无法预见的干扰，因此对测量条件要求非常高。
光子晶体光纤是一种新型光纤，其包层中沿轴向周期性排列着波长量级的空气孔，具有二维光子晶体结构。通过对这些空气孔的大小、分布的灵活设计，可以实现不同的功能。本实用新型就是先将光子晶体光纤拉锥，并在光子晶体光纤包层的空气孔中灌注待测溶液来实现折射率传感测量。此外，光子晶体光纤的空气孔直径均为波长量级，向空气孔中灌注待测溶液易于实现微量检测，在生物、化学领域有重要意义，这是传统的折射率测量方法和传统的光纤折射率传感器无法实现的。
发明内容
本实用新型目的就是针对现有光纤折射率传感器存在的价格昂贵、灵敏度不高的缺点，提出了一种体积小、结构紧凑、价格便宜、灵敏度高并且传感性能稳定、适于微量检测的基于拉锥及灌注型光子晶体光纤的折射率传感器。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤折射率传感器，包括宽带光源、光纤耦合器(分光比为50∶50)、单模光纤、光纤准直器、光子晶体光纤、V型槽、PIN结、差分运算器。
宽带光源与光纤耦合器连接，经过分光比为50∶50的光纤耦合器将光分为两路，一路做为测量光路，经光纤耦合器的一个输出端口与单模光纤一端光连接，单模光纤另一端光连接到光纤准直器，光子晶体光纤固定在V型槽上，出射光经过另一个光纤准直器耦合进入第二根单模光纤的一端，该单模光纤的另一端与一个PIN结光连接，并将转换后的信号输入差分运算器的一个输入端口；另一路做为参考光路，直接将光纤耦合器的这个输出端与另一个PIN结通过单模光纤相连接，并将转化后的信号接入差分运算器的另一个输入端。
本实用新型中，光子晶体光纤作为传感头要经过预处理。首先将光子晶体光纤拉锥处理，然后利用毛细管效应在光子晶体光纤的空气孔中灌入待测溶液，具体灌注方法可参考文献：Y.Y.Huang，Y.Xu，Amnon Yariv，“Fabrication of functional microstructured optical fibersthrough a selective-filling technique，”Applied Physics Letters，Vol.85，No.22，2004。
本实用新型所具有的有益效果为：
1.光纤拉锥处理后的光子晶体光纤使得束腰部分纤芯变细，在纤芯传输光的有效模场面积相对变大，包层相对折射率的变化对光的传输影响较大。因此灌入待测溶液会引起空气孔中折射率变化，从而导致包层相对折射率变化，使在纤芯传输的光极易扩展到包层，导致纤芯中传输光的能量减少，通过透射光能量的变化就可以解调出折射率信息。
2.分光比为50∶50的光纤耦合器将光分为两路，一路为测量光路，一路为参考光路，参考光路的引入可以避免光源抖动对测量结果造成的影响，提高测量精度。
3.在传感测量装置中引入PIN结和差分运算器等光电器件，不必再使用光谱仪观察波长移动来解调并得到折射率信息，只需读出差分运算器输出端输出值即可解调，极大降低了传感设备的成本。
4.整个传感测量装置具有结构紧凑，体积小，价格便宜，精度高，便于微量检测等优点，可广泛应用于各种折射率检测领域。
附图说明
图1为本实用新型的装置结构图；
图2为本实用新型中光子晶体光纤传感头的示意图；
图3为光子晶体光纤端面结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤的折射率传感器，主要包括宽带光源1、光纤耦合器2、单模光纤3、光纤准直器4，光子晶体光纤5、V型槽6、PIN结7、差分运算器8。宽带光源1与光纤耦合器2连接，经过分光比为50∶50的光纤耦合器2将光分为两路，其中一路做为测量光路，经光纤耦合器2的一个输出端口与单模光纤3一端光连接，单模光纤3另一端光连接到光纤准直器4，光子晶体光纤5固定在V型槽6上，出射光经过另一个光纤准直器4耦合进入第二根单模光纤3的一端，该单模光纤3的另一端与一个PIN结7光连接，并将转换后的信号输入差分运算器8的一个输入端口；经过光纤耦合器2分光后的另一路做为参考光路，直接将光纤耦合器2的这个输出端与另一个PIN结7通过单模光纤3相连接，将转化后的信号接入差分运算器8的另一个输入端。光子晶体光纤5作为传感头，将该光子晶体光纤经处理后如图2，束腰部分直径由125μm变为30μm，空气孔与纤芯的距离缩短，在包层的六个空气孔9中灌入待测溶液。其端面结构如图3，其中六个空气孔9直径都为30μm，光子晶体光纤纤芯10为8μm，其他部分为二氧化硅11。
本实用新型装置的工作方式为：宽带光源发出的光经过分光比为50∶50的光纤耦合器后分为两路，一路做为测量光路，光经过单模光纤后耦合进光纤准直器，光纤准直器将光纤端面出射的发散光束进行准直变成平行光束入射进固定在V型槽上的光子晶体光纤，出射光经过另一个光纤准直器，将平行光束会聚并高效耦合进入另一根单模光纤，该单模光纤与一个PIN结光连接，将光信号转换为电信号，PIN结的另一端与差分运算器相连接，将电信号输入进差分运算器；另一路做为参考光路，直接将光纤耦合器的这个输出端与另一个PIN结通过单模光纤相连接，并将转化后的信号接入差分运算器的另一个输入端。
光子晶体光纤拉锥后纤芯变细，在灌入液体折射率发生变化时，会引起包层相对折射率改变，包层相对折射率的变化对光的传输影响较大，导致一部分光极易扩展到包层，从而纤芯中传输的光强减弱，通过透射光能量的变化就可以解调出折射率信息。即读出差分运算器输出端的数值即可解调得到响应折射率。其理论实验结果如表一。
表一折射率与差分运算器输出值的变化关系
| 折射率 | 1.382 | 1.392 | 1.403 | 1.407 | 1.418 |
| 差分运算器输出 | 0.07664063 | 0.22288464 | 0.72217172 | 0.921730514 | 0.99999999 |
在从1.383到1.418的折射率范围内，差分运算器的输出值从0.07664063变化到0.99999999，变化范围很大，易于读取。当折射率为1.403时，可计算出灵敏度为49.8897，即折射率每变化0.1，差分放大器的输出值变化4.98897，具有很高的灵敏度。
本实用新型装置能够实现折射率传感测量、降低成本、提高精度的关键技术为：
1.光纤拉锥处理后的光子晶体光纤使得束腰部分纤芯变细，束腰部分直径由125μm变为30μm，在纤芯传输光的有效模场面积相对变大，包层相对折射率的变化对光的传输影响较大。因此灌入待测溶液会引起空气孔中折射率变化，从而导致包层相对折射率变化，使在纤芯传输的光极易扩展到包层，导致纤芯中传输光的能量减少，通过透射光能量的变化就可以解调出折射率信息。
2.利用光纤耦合器将光路分为两路，一路做为测量光路，一路做为参考光路，可以有效避免光源抖动对测量结果造成的影响，提高测量精度。同时，由于采用光电转化器件，将光功率转换为电信号，将采集到的电信号调解并获得折射率信息，无需再使用光谱仪等价格高昂的仪器，降低了传感设备的成本。
本实施例中的光子晶体光纤要经过光纤拉锥，拉锥后光子晶体光纤束腰部分直径由125μm变为30μm，束腰部分长度为5mm。保持恒温条件，在空气孔中灌入不同溶液使得折射率从1.382到1.418变化。
Claims (2)
1.
一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤折射率传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、光子晶体光纤、V型槽、PIN结、差分运算器，其特征在于：宽带光源与光纤耦合器连接，经过分光比为50∶50的光纤耦合器将光分为两路，一路做为测量光路，经光纤耦合器的一个输出端口与单模光纤一端光连接，单模光纤另一端光连接到光纤准直器，光子晶体光纤固定在V型槽上，出射光经过另一个光纤准直器耦合进入第二根单模光纤的一端，该单模光纤的另一端与一个PIN结光连接，并将转换后的信号输入差分运算器的一个输入端口；另一路做为参考光路，直接将光纤耦合器的这个输出端与另一个PIN结通过单模光纤相连接，并将转化后的信号接入差分运算器的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉锥及灌注型光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于光子晶体光纤包层中6个空气孔的直径为30μm，将光子晶体光纤拉锥后束腰部分直径由125μm变为30μm，长度为5mm。
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