CN206208755U - 基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，包括宽带光源、3dB耦合器、传感探头、折射率匹配液和光谱分析仪，传感探头由光子晶体光纤、镀银反射镜、单模光纤组成，3dB耦合器一侧的两个端口分别通过单模光纤a、b与光源和光谱分析仪连接，3dB光纤耦合器另一侧的两个端口分别与单模光纤c和单模光纤d的一端连接，单模光纤c的另一端与光子晶体光纤的一端熔接，设计了一种具有独立探头的反射式马赫曾德干涉光子晶体光纤传感系统，可实现液体折射率的测量，具有结构简单，成本低廉，灵敏度高、易于分布式组网等特点。

Description

基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置

技术领域

本实用新型属于光子晶体光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤的折射率传感器。

背景技术

光纤折射率传感器因其抗电磁干扰能力强、响应速度快、抗生化腐蚀、体积小、重量轻等优点在环境监测、食品安全、医药开发、临床检验等相关领域有重要的意义和用途。现有的光纤液体折射率传感器有很多，包括光纤光栅传感器，F-P腔光纤传感器，光纤微孔传感器等。光纤拉锥法是目前制作各类光纤器件的一种常用技术，兴起于20世纪80年代，发展至今，已经可以实现电脑软件控制拉锥，主要操作过程包括剥除涂覆层、加热熔融、拉伸成锥等步骤，在锥区激发高阶模式，实现光束的耦合,由于PCF与SMF是两种结构不同的光纤，熔接机无法自对对准，需要手动好设置参数后完成熔接，因此，参数的选择、熔接的手法对测量效果会产生很大的影响,否则会引入很大的损耗，或者干涉谱无法显示。在光纤对准时PCF与SMF的轴心产生偏移，以及端面的倾斜均可引入损耗;过熔塌陷拉锥法（Collapseof Intensified Fusion Splicing and Taper，CIFST）是在过熔塌陷法的基础上，在，使芯模与包层模在此耦合，增加一个光锥可以使传感探头中的干涉相长的次数增加一倍，有利于提高传感信号的信噪比。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，可实现液体折射率的测量，具有结构简单，成本低廉，灵敏度高、易于分布式组网等特点。

本实用新型的传感探头中选用了武汉国家光电实验室拉制的单实芯纯石英光子晶体光纤，其参数规格如下:

表 单实芯纯石英PCF参数

实验所采用的光源为ASE宽带光源，输出波长范围为1520nm～1570nm，功率可调节；实验数据由横河AQ6370光谱分析仪采集，选取1550nm作为中心波长，测量精度为±0.02nm；探头式系统中的3dB耦合器采用2×2型，耦合系数为0.5；实验中采用的传感单元利用过熔塌陷拉锥法制备，熔接点塌陷并制成腰径扩大的双锥，设备与传感单元之间的连接均使用FC/PC连接器。

本实用新型采用下述技术方案：一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，包括光源、3dB耦合器、PCF-MZI传感器探头、折射率匹配液和光谱分析仪，PCF-MZI传感器探头由光子晶体光纤（PCF）、镀银反射镜、单模光纤(SMF)组成，3dB耦合器一侧的两个端口分别通过单模光纤(SMF)a、b与光源和光谱分析仪连接，3dB光纤耦合器另一侧的两个端口分别与单模光纤(SMF)c和单模光纤(SMF)d的一端连接，单模光纤(SMF)c的另一端与光子晶体光纤（PCF）的一端熔接，所述光子晶体光纤（PCF）的另一端与短段单模光纤的一端熔接，形成两个凸锥，所述凸锥包括塌陷区和锥区，所述短段单模光纤的另一端设有镀银反射镜，所述单模光纤d与折射率匹配液连接。

所述单模光纤a、b与宽带光源和光谱分析仪的连接使用FC/PC连接器。

所述凸锥的塌陷长度为206.67um,锥腰宽为151.59um。

所述光子晶体光纤（PCF）中心位置是光锥的形状，锥区长度为1028um，锥区的最窄处直径为32um。

在PCF两端分别与SMF进行塌陷熔接，使两个熔接点形成腰径扩大的双锥，然后将其中一端的SMF切割成很短的一段，在其端面上制作镀银反射镜，最后在PCF的中心位置拉锥，制作成传感探头，最重要的工艺就是SMF与PCF之间的熔接以及对PCF的拉锥和封装，分别采用了过熔塌陷法和过熔塌陷拉锥法两种新型处理技术对PCF-MZI传感器探头进行了制作；

宽带光源发出的宽带光经过2进2出的3dB耦合器之后，被分为2束强度相同的光分别进入2根单模光纤中，其中一束经过SMF进入折射率匹配液被吸收，另一束经过SMF进入到PCF探头中，再反射镜中被反射回来，再次经过PCF探头，然后经过SMF入射到3dB耦合器中，被分为2束光，一束入射到ASE光源，被ASE光源自带的隔离系统隔离，另一束入射到光谱分析仪（OSA）中，形成干涉谱。其中PCF与SMF之间采用过熔塌陷法或者过熔塌陷拉锥法进行熔接，使SMF中的基模分成两路耦合到PCF的纤芯和包层，经过另一个塌陷点或者锥区时，两束光会合，由于两束光满足干涉条件，在会合点会发生干涉。经过反射镜反射再次经过塌陷区或锥区，发生多次干涉，最后回到单模光纤的纤芯，由光谱仪接收，形成总的干涉光谱，通过检测光谱的变化即可实现折射率的测量。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置的连接示意图；

1:光源、2:光谱分析仪 3:3dB耦合器、4:光子晶体光纤（PCF）5：短段单模光钎6:镀银反射镜、7：折射率匹配液8：单模光纤（SMF）a、9：单模光纤（SMF）b、10：单模光纤（SMF）c、11：单模光纤（SMF）d;

图2是本实用新型基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置的传感探头的结构示意图；

12：塌陷区

图3是本实用新型输出谐振谷波长与折射率变化的关系。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由宽带光源1发出的光经过单模光纤经过3dB耦合器被分成两束，一束经单模光纤入射到PCF4中，另一束经单模光纤入射到折射率匹配液中被吸收。SMF1与PCF4之间的两个熔接点采用过熔塌陷拉锥法，熔接点完全塌陷，并且使腰径扩大，形成两个凸锥，所述凸锥包括塌陷区8和锥区，塌陷长度为206.67μm，锥腰宽为151.59μm，在PCF4中心位置进行拉锥处理，锥区长度为1028μm，锥的最窄处直径为32μm。光束经过第一个塌陷位置的时候，单模光纤的芯模分成两路分别耦合到PCF4的纤芯和包层模在PCF4内传输，到达锥区后，两个模式的光均被耦合至锥区，然后又被耦合至纤芯和包层，在第二个塌陷位置会聚，发生干涉，然后接着耦合到单模光纤的纤芯，然后被镀银反射镜反射，光束原路返回，再一次经过分束、耦合的过程，最后经过3dB耦合器3分光，分别入射到宽带光源1和光谱分析仪2，其中入射到宽带光源1的光束被隔离，到达光谱分析仪2的光束的干涉谱可以由其来显示并采集相关数据，

在PCF4中间拉锥对提高传感器的灵敏度具有明显的效果，这是因为锥区直径较小，外界折射率的改变对包层模的有效折射率影响较大，因此对提高干涉谱的相位差的改变量，使测量灵敏度提高。对比没有拉锥的透射式与探头式PCF-MZI系统，线性度有所下降，这是由于拉锥会给实验系统带来新的随机误差，拉锥的精确度和操作技巧会对实验结果产生很大影响。但较高的灵敏度会给传感器的性能提升带来很大吸引力，另外增加锥的长度、减小锥的直径、提升塌陷熔接技术减小PCF4和SMF之间的熔接损耗，也是获得高灵敏度传感器的有效方法。

避免了熔接点产生气泡所引起的干扰，又可以使包层模与外界环境耦合度更高，因此，提高了测量灵敏度。

实施例1

首先将折射率为1.3333的蒸馏水用注射器注射到样品池中进行清洗，晾干，然后将制备好的传感探头固定到样品池两侧的V型槽中，PCF长度为6.7cm,其中PCF区域正好位于样品池中心。启动ASE光源和光谱分析仪后，对实验数据进行采集。待测溶液分别取浓度为0%，5%，10%，15%，20%，25%依次测量，其中0%为不添加NaCl的蒸馏水，经过阿贝折射仪测量，在室温24℃下，所对应的折射率分别为1.3333，1.3411，1.3493，1.3574，1.3656,1.3737。由宽带光源发出的光经过单模光纤经过3dB耦合器被分成两束，一束经单模光纤入射到PCF中，另一束经单模光纤入射到折射率匹配液中被吸收；得到探头式锥形PCF-MZI谐振谷波长与折射率变化的关系如图3所示。

Claims (4)

1.一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，其特征在于：包括宽带光源、3dB耦合器、传感探头、折射率匹配液和光谱分析仪，传感探头由光子晶体光纤、镀银反射镜、单模光纤组成，3dB耦合器一侧的两个端口分别通过单模光纤a、b与光源和光谱分析仪连接，3dB光纤耦合器另一侧的两个端口分别与单模光纤c和单模光纤d的一端连接，单模光纤c的另一端与光子晶体光纤的一端熔接，所述光子晶体光纤的另一端与短段单模光纤的一端熔接，熔接点形成两个塌陷区，光子晶体光纤中心形成一个锥区，所述短段单模光纤的另一端设有镀银反射镜，所述单模光纤d与折射率匹配液连接。

2.如权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，其特征在于：所述单模光纤a、b与宽带光源和光谱分析仪的连接使用FC/PC连接器。

3.如权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，其特征在于：所述塌陷区的塌陷长度为206.67um。

4.如权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置，其特征在于：所述锥区位于光子晶体光纤的中心，锥区长度为1028um,锥腰宽为151.59um锥区的最窄处直径为32um。