CN203432906U - 一种拉锥结构的折射率光纤传感探头 - Google Patents

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朱婕
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Abstract

本实用新型公开了一种拉锥结构的折射率光纤传感探头，包括单模光纤、拉锥区和顶端球状反射区，其特征在于取一段单模光纤，去除其涂覆层，用光纤熔接机将单模光纤的中部30～40μm区域拉成拉锥区；用光纤熔接机将单模光纤的尾部熔成球状凸起反射区，使其满足反射条件，拉锥区至顶端球状反射区长度为300～1000μm。该实用新型结构简单、紧凑、测量方便、灵敏度高，可用于微小空间的折射率测量。

Description

一种拉锥结构的折射率光纤传感探头
技术领域
本实用新型涉及一种基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感探头，尤其涉及用于折射率的探测。
背景技术
迈克尔逊干涉仪是一种一束光经过分光，分别沿不同介质或不同光路传输产生相位差，合光后实现双光束干涉的装置。在单模光纤中实现迈克尔逊干涉，两条光路的光通常采用一路在光纤纤芯中传输，另一路在光纤包层或另一个光纤纤芯传输一小段距离的方式。为了实现后一路光的传输模式，需要将原光纤纤芯的光进行分光，通常采用的方式有：长周期光纤光栅，倾斜布拉格光纤光栅，或将单模光纤纤芯的光耦合入多模光纤。但是，制造光纤光栅传感器需要相位掩膜、光刻工艺及光敏光纤，工艺精密度要求高且造价昂贵；将单模光纤纤芯的光耦合入多模光纤纤芯需要特种光纤，而且由于两路光均在纤芯传播，对外界环境折射率变化不敏感，不能用来测量折射率。
一种拉锥结构的折射率光纤传感探头可以由光纤熔接机加工一个标准的单模光纤(SMF，例如Corning SMF-28)来产生，该装置有一个最低的1dB插入损耗和一个超过13dB的最大干扰消光比，其对于环境中折射率变化的敏感度不亚于长周期光纤光栅，其易于制造且成本较低。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有技术存在的上述不足之处，提供一种高精度、结构简单、制备加工方便的折射率光纤传感探头。
解决上述问题的技术方案是：一种拉锥结构的折射率光纤传感探头，其包括单模光纤、拉锥区、顶端球状反射区。所述的探头总长度为300～1000μm；所述的拉锥区用以将光纤纤芯光部分耦合入光纤包层，长度为30～60μm；所述的顶端球状反射区为球状凸起，用以反射来自光纤纤芯和包层的光；所述的拉锥区和顶端球状反射区之间的单模光纤去除涂覆层。
由于探头长度很小，光纤包层内的光衰减可忽略不计，光纤包层反射光在拉锥区再次耦合入光纤纤芯，与光纤纤芯反射光存在相位差从而实现干涉，两路光的相位差可近似为
Φ＝4πΔnL/λ          (1)
其中Δn为纤芯与包层的折射率之差，λ为真空中的输入波长。当宽带光源发射一束光经光纤环路器进入一种拉锥结构的折射率光纤传感探头，反射干涉光谱由光谱分析仪记录接收，最大消光的波长长度为
λm＝4πΔnL/(2m+1)π          (2)
其中m是整数。
如果光纤传感探头外界环境的折射率发生改变，比如拉锥区至顶端球状反射区浸入到溶液中，光纤包层模的有效折射率就会发生微小的改变δn，由式(1)和式(2)可知最大消光的波长就会产生一个小的漂移量
δλm≈4πLδn         (3)
通过测量δλm就可以计算出未知样品的折射率或已知样品的浓度。
本实用新型发明具有以下有益效果：
1.光纤传感探头采用单根单模光纤拉锥制成，结构简单，制备方便，且灵敏度高。
2.反射谱中特征峰波长漂移量与折射率变化呈线性关系，便于测量前的标定和实际的定量测量。
3.该探头体积小，可用于微小空间比如人体血管内的探测测量。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为一种拉锥结构的折射率光纤传感探头的结构示意图。
图中：1.单模光纤；1a.单模光纤包层；1b.单模光纤纤芯；2.拉锥区；3.顶端球状反射区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。
图1为本实用新型用于一种拉锥结构的折射率光纤传感探头的结构示意图，本实施例包括1.单模光纤；1a.单模光纤包层；1b.单模光纤纤芯；2.拉锥区；3.顶端球状反射区。单模光纤1经过光纤环路器与宽带光源、光纤光谱仪相连。
所述的单模光纤1首先用剥线钳去掉涂覆层，用酒精棉球将表面擦拭干净，然后放入光纤熔接机中拉制拉锥区，拉锥区长度控制在30-60μm。
所述的一种拉锥结构的折射率光纤传感探头用光纤切割器切除一小段光纤，保证输出端光纤的断面平整洁净，自拉锥区至顶端球状反射区总长度为300～1000μm。
所述的顶端球状反射区用光纤熔接机加工，形状为非标准球形的球状凸起，凸起高度为2～5μm。
结合图1，介绍具体的工作原理：当来自宽带光源的光自单模光纤进入拉锥区后，由于光纤突然变细形成大锥角，纤芯中的部分光耦合入光纤包层传输，控制拉锥区的长度可改变锥角大小，从而改变耦合入光纤包层光的强弱，光纤包层光经顶端球状反射区反射，在拉锥区重新耦合入光纤纤芯，与光纤纤芯的反射光形成相位差并产生干涉，外界环境的折射率改变会影响干涉暗纹的波长，通过计算分析可得出外界环境的折射率大小或已知溶液的浓度，该折射率光纤传感探头的探测灵敏度可以达到200～350nm/RIU(RIU-折射率单位)。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型创造专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种拉锥结构的折射率光纤传感探头，其特征在于：包括单模光纤、拉锥区和顶端球状反射区；探头总长度为300～1000μm；所述的拉锥区用以将光纤纤芯光部分耦合入光纤包层，长度为30～60μm；所述的顶端球状反射区为球状凸起；所述的拉锥区和顶端球状反射区之间的单模光纤去除涂覆层。 
2.如权利要求1所述的一种拉锥结构的折射率光纤传感探头，其特征在于：所述的顶端球状反射区为非标准球形，凸起高度2～5μm。 
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