專利名稱：一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感，具體涉及一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器。
背景技術(shù)：
折射率是液體的一個(gè)基本物理性能參數(shù)，作為物質(zhì)的重要光學(xué)屬性之一，在光學(xué)領(lǐng)域中具有極其重要的地位。折射率的測(cè)量在化工、生物、制藥和食品等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，很多物理或化學(xué)參數(shù)如混合物中某中某種物質(zhì)的含量等都可以通過(guò)測(cè)量折射率來(lái)獲得。傳統(tǒng)的測(cè)量折射率的方法為測(cè)角法，分為測(cè)最小偏向角和臨界角兩種方法。但是這兩種方法需要采樣測(cè)量，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，一般不易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。光纖傳感技術(shù)具有體積小、抗腐蝕、容易實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在液體折射率測(cè)量領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用?；诠鈴?qiáng)調(diào)制的光纖液體折射率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)存在的強(qiáng)度調(diào)制型光纖折射率傳感器包括基于螺旋形波導(dǎo)彎曲損耗的光纖折射率傳感器和基于反射式強(qiáng)度調(diào)制的光纖折射率傳感器。但是強(qiáng)度調(diào)制的光纖折射率傳感器的傳感信號(hào)直接與接收光強(qiáng)有關(guān)，因此容易受外界環(huán)境的干擾。光纖光柵作為波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器，從本質(zhì)上排除了光強(qiáng)起伏引起的干擾，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。尤其是長(zhǎng)周期光纖光柵 (LPG)，由于其對(duì)周圍介質(zhì)折射率變化敏感，因而被廣泛用于液體折射率的測(cè)量。但是長(zhǎng)周期光纖光柵不僅對(duì)折射率敏感，對(duì)環(huán)境溫度的變化也非常敏感，溫度穩(wěn)定性較差。表面等離子諧振(SPR)也被用于液體折射率的測(cè)量。但是通常基于sra的折射率傳感器需要將光纖包層去除，在纖芯表面鍍上敏感膜，制作復(fù)雜，而且不同的被測(cè)物質(zhì)，通常需要鍍不同的敏感膜。基于干涉結(jié)構(gòu)的光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高和制作方便等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的基于干涉結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器的兩個(gè)干涉臂(傳感臂和參考臂)是彼此獨(dú)立的， 集成度不高，而且需要對(duì)兩臂的光程進(jìn)程匹配。最近提出的對(duì)光纖拉錐或利用飛秒激光器在光纖芯上制作微孔的方法可以將傳感器集成到一根光纖中。但是基于光纖錐的折射率傳感器的干涉是發(fā)生在纖芯模和多個(gè)包層模之間，為多模干涉，干涉譜中不同的干涉峰對(duì)折射率的敏感度不一致；而基于微孔的結(jié)構(gòu)需要價(jià)格昂貴的飛秒激光器，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量靈敏度高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，制作方便、成本低的基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括光源、單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對(duì)稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測(cè)裝置；光源與單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第二端口通過(guò)光纖錐與非對(duì)稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測(cè)裝置相連，反射鏡位于非對(duì)稱雙芯光纖的另一端；所述的非對(duì)稱雙芯光纖包括內(nèi)芯和邊芯，兩個(gè)纖芯的基模有效折射率對(duì)外界環(huán)境折射率變化的響應(yīng)不同。本發(fā)明還可以包括1、所述的非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯與包層-空氣界面的距離大于10 μ m，邊芯與包層-空氣界面的距離小于lym;內(nèi)芯與邊芯的直徑可以是相同的，也可以是不同的；內(nèi)芯與邊芯的折射率可以是相同的，也可以是不同的。2、所述的反射鏡是切割良好的光纖端面或者是鍍于光纖端面的金屬膜。3、所述的光纖錐是通過(guò)在單模光纖與非對(duì)稱雙芯光纖之間的焊點(diǎn)處進(jìn)行熔融拉錐制作的光纖錐；所述光纖錐把單模光纖中的光按照一定的分光比耦合入非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯和邊芯中，或者是將內(nèi)芯和邊芯中傳輸?shù)墓馔瑫r(shí)耦合入單模光纖中。4、所述的光源可以是寬譜光源，也可以為可調(diào)諧窄帶光源；所述的光電檢測(cè)裝置可以是光譜分析儀，也可以是光功率計(jì)。本發(fā)明利用非對(duì)稱雙芯光纖中邊芯的基模有效折射率對(duì)外界折射率變化敏感，而內(nèi)芯的基模有效折射率對(duì)外界折射率變化不敏感的特性，構(gòu)成基于非對(duì)稱雙芯光纖的集成式Michelson干涉儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的高精度測(cè)量。本發(fā)明是基于光纖干涉原理，利用非對(duì)稱雙芯光纖中不同位置的光纖芯的基模有效折射率對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)不同，通過(guò)監(jiān)測(cè)寬譜光干涉峰的波長(zhǎng)漂移或可調(diào)諧窄譜光的干涉強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)量折射率的變化。下面以使用寬譜光源進(jìn)行測(cè)量為例，具體給出本發(fā)明專利的工作原理。如圖2所示的非對(duì)稱雙芯光纖，由內(nèi)芯、邊芯和包層組成。設(shè)非對(duì)稱雙芯光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)芯和邊芯的折射率分別為Ii1和n2，雙芯光纖周圍的環(huán)境折射率為η。那么根據(jù)干涉原理，干涉譜中的干涉峰對(duì)應(yīng)兩個(gè)纖芯的光程差等于峰值所在處波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即對(duì)于某個(gè)干涉峰，有(rii-n；,) L = m λ(1)其中m為整數(shù)，λ是干涉峰所在處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。由于非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯周圍包層的厚度大于10 μ m，可以近似認(rèn)為其纖芯基模的有效折射率不受外界環(huán)境折射率變化的影響；而邊芯距離光纖界面的距離小于1 μ m， 其纖芯基模的有效折射率會(huì)隨著外界環(huán)境折射率變化的而變化。設(shè)果雙芯光纖周圍環(huán)境的折射率變化S n會(huì)引起雙芯光纖中邊芯的有效折射率產(chǎn)生Δη的變化，那么雙芯光纖的內(nèi)芯與邊芯之間的光程差變?yōu)?Ii1-Ii2)L+Δ nL。由于兩路干涉臂的光程差發(fā)生變化，透射光譜中干涉峰的位置會(huì)發(fā)生偏移，設(shè)偏移量為Δ λ。通常外界環(huán)境折射率的改變量較小，所引起的光纖芯光程差的變化不會(huì)超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，那么對(duì)于新的干涉峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ+Δ λ，有(n「n2)L+AnL = πι(λ+Δ λ )(2)結(jié)合公式⑴和公式⑵，得到
. λ· An…ΔΛ =--(3)從公式(3)可以看出，對(duì)于確定的干涉峰和確定的非對(duì)稱雙芯光纖，透射譜中干涉峰的位置移動(dòng)只與折射率變化有關(guān)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的折射率傳感器是基于光纖干涉原理，既可以利用寬譜光監(jiān)測(cè)干涉峰位置的變化，又可以利用可調(diào)諧窄譜光監(jiān)測(cè)干涉光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量折射率的變化，測(cè)量靈敏度高。(2)本發(fā)明的折射率傳感器，利用非對(duì)稱雙芯光纖將傳感臂與參考臂集成在一根光纖中，結(jié)構(gòu)緊湊，可以有效降低外界環(huán)境溫度的擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)本發(fā)明的折射率傳感器，不需要復(fù)雜的光柵寫入設(shè)備，也不需要腐蝕或拋磨， 制作方便，成本低。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中的基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一種非對(duì)稱雙芯光纖的端面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例二中的基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是利用實(shí)施例二中的光纖折射率傳感器測(cè)得的不同濃度酒精水溶液的光譜。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例一結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，由光源 1、單模光纖環(huán)行器2、光纖錐3、非對(duì)稱雙芯光纖4，位于非對(duì)稱雙芯光纖端面的反射鏡5和光電檢測(cè)裝置6組成；光源1與光纖環(huán)行器2的端口 21相連，光纖環(huán)行器2的端口 22與非對(duì)稱雙芯光纖4通過(guò)光纖錐3相連，光纖環(huán)行器2的端口 23與光電檢測(cè)裝置6相連。結(jié)合圖2，非對(duì)稱雙芯光纖4包括位于包層43中的內(nèi)芯41和邊芯42 ；內(nèi)芯41與包層-空氣界面的距離大于10 μ m,邊芯42與包層-空氣界面的距離小于1 μ m ；內(nèi)芯41與邊芯42的折射率不同，分別為Ii1和112。光源1為寬譜光源，光電檢測(cè)裝置6為光譜分析儀， 反射鏡5為切割良好的光纖端面。光纖環(huán)行器的端口 22與非對(duì)稱雙芯光纖4之間的光纖錐3是通過(guò)熔融拉錐的方式制作的。在工作時(shí)，寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器2到達(dá)光纖錐3，并通過(guò)光纖錐3 耦合入非對(duì)稱雙芯光纖4的兩個(gè)芯41和42中。兩束光分別沿纖芯41和42傳輸反射鏡5 反射，兩路反射光再次經(jīng)光纖錐3耦合后在光纖環(huán)行器2的端口 22處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)環(huán)行器2的端口 23被光譜分析儀6檢測(cè)。如果外界環(huán)境的折射率發(fā)生變化，邊芯42的的基模有效折射率會(huì)隨之發(fā)生改變，而內(nèi)芯41的基模有效折射率可以認(rèn)為不變。那么在兩個(gè)纖芯中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的光程差會(huì)發(fā)生變化，從而引起光譜分析儀6顯示的干涉光譜的干涉峰的位置發(fā)生移動(dòng)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉峰的位置就可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率變化的測(cè)量。實(shí)施例二 結(jié)合圖3，本發(fā)明的另一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，由光源1、單模光纖耦合器7、光纖錐3、非對(duì)稱雙芯光纖4，位于非對(duì)稱雙芯光纖端面的反射鏡5 和光電檢測(cè)裝置6組成；光源1與光纖耦合器7的端口 71相連，光纖耦合器7的端口 72與非對(duì)稱雙芯光纖4通過(guò)光纖錐3相連，光纖耦合器7的端口 74與光電檢測(cè)裝置6相連，光纖耦合器7的端口 73空置。結(jié)合圖2，非對(duì)稱雙芯光纖4包括內(nèi)芯41和邊芯42 ；內(nèi)芯41與包層-空氣界面的距離大于 ο μ m,邊芯42與包層-空氣界面的距離小于1 μ m ；內(nèi)芯41與邊芯42的折射率不同，分別為Ii1和n2。光源1為寬譜光源，光電檢測(cè)裝置6為光譜分析儀，反射鏡5為切割良好的光纖端面。光纖環(huán)行器的端口 72與非對(duì)稱雙芯光纖4之間的光纖錐3是通過(guò)熔融拉錐的方式制作的。在工作時(shí)，寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖耦合器7到達(dá)光纖錐3，并通過(guò)光纖錐3 耦合入非對(duì)稱雙芯光纖4的兩個(gè)芯41和42中。兩束光分別沿纖芯41和42傳輸，被反射鏡5反射，兩路反射光再次經(jīng)光纖錐3耦合后在光纖耦合器7的端口 72處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)耦合器7的端口 74被光譜分析儀6檢測(cè)。如果外界環(huán)境的折射率發(fā)生變化，邊芯42 的的基模有效折射率會(huì)隨之發(fā)生改變，而內(nèi)芯41的基模有效折射率可以認(rèn)為不變。那么在兩個(gè)纖芯中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的光程差會(huì)發(fā)生變化，從而引起光譜分析儀6顯示的干涉光譜的干涉峰的位置發(fā)生移動(dòng)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉峰的位置就可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率變化的測(cè)量。圖4為利用圖3所示結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器測(cè)得的不同濃度的酒精水溶液的光譜。其中，曲線A為蒸餾水的光譜，曲線B為酒精與蒸餾水的體積比為1/25時(shí)的光譜，曲線 C為酒精與蒸餾水的體積比為2/25時(shí)的光譜。
權(quán)利要求
1.一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，包括光源、單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對(duì)稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測(cè)裝置；其特征是光源與單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第二端口通過(guò)光纖錐與非對(duì)稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測(cè)裝置相連，反射鏡位于非對(duì)稱雙芯光纖的另一端；所述的非對(duì)稱雙芯光纖包括內(nèi)芯和邊芯，兩個(gè)纖芯的基模有效折射率對(duì)外界環(huán)境折射率變化的響應(yīng)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，其特征是所述的非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯與包層-空氣界面的距離大于10 μ m,邊芯與包層-空氣界面的距離小于1 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，其特征是 所述的反射鏡是切割良好的光纖端面或者是鍍于光纖端面的金屬膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，其特征是 所述的光纖錐是通過(guò)在單模光纖與非對(duì)稱雙芯光纖之間的焊點(diǎn)處進(jìn)行熔融拉錐制作的光纖錐；所述光纖錐把單模光纖中的光按照一定的分光比耦合入非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯和邊芯中，或者是將內(nèi)芯和邊芯中傳輸?shù)墓馔瑫r(shí)耦合入單模光纖中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器，其特征是所述的光纖錐是通過(guò)在單模光纖與非對(duì)稱雙芯光纖之間的焊點(diǎn)處進(jìn)行熔融拉錐制作的光纖錐； 所述光纖錐把單模光纖中的光按照一定的分光比耦合入非對(duì)稱雙芯光纖的內(nèi)芯和邊芯中， 或者是將內(nèi)芯和邊芯中傳輸?shù)墓馔瑫r(shí)耦合入單模光纖中。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于非對(duì)稱雙芯光纖的折射率傳感器。包括光源、單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對(duì)稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測(cè)裝置；光源與單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第二端口通過(guò)光纖錐與非對(duì)稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環(huán)行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測(cè)裝置相連，反射鏡位于非對(duì)稱雙芯光纖的另一端。本發(fā)明利用非對(duì)稱雙芯光纖中邊芯的基模有效折射率對(duì)外界折射率變化敏感，而內(nèi)芯的基模有效折射率對(duì)外界折射率變化不敏感的特性，構(gòu)成基于非對(duì)稱雙芯光纖的集成式Michelson干涉儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的高精度測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102323239SQ20111022656
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者周愛(ài), 張艷輝, 李廣平, 楊軍, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)