一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝，屬于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域。包括長(zhǎng)周期光纖光柵段、光纖段和尾端段，從左到右依次為長(zhǎng)周期光纖光柵段、光纖段和尾端段，長(zhǎng)周期光纖光柵段的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜，尾端段的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜，尾端段的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜，光纖光柵段由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯和光纖光柵段金屬膜，光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金膜。本發(fā)明公開(kāi)的單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，具有探頭式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高，并對(duì)溫度、折射率、液位等外界物理量敏感，可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、物理、土木、醫(yī)療等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，具 體涉及一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)周期為幾十至幾百微米，是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模 之間的耦合，其功能是將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波耦合到包層中損耗掉，而不產(chǎn)生反 射。實(shí)驗(yàn)證明長(zhǎng)周期光纖光柵的傳輸特性會(huì)因外界應(yīng)力、溫度等因素的變化而改變，而且較 光纖布拉格光柵(FBG)的反應(yīng)更加敏感，是一種理想的傳感元件。其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在 光纖傳感和光纖通訊領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但是，也恰是由于LPFG的透射特性，使其作 為傳感元件時(shí)，不能作為反射式探針結(jié)構(gòu)，而解調(diào)設(shè)備光譜儀價(jià)格昂貴、體積龐大，造成在 實(shí)際應(yīng)用時(shí)有著諸多的局限。
[0003] 《光學(xué)學(xué)報(bào)》2011年發(fā)表了《基于雙峰諧振效應(yīng)的鍍金屬長(zhǎng)周期光纖光柵液體濃度 傳感器》，作者:顧錚先，張江濤，提出的基于雙峰諧振效應(yīng)長(zhǎng)周期光纖光柵，仍然是透射型 光纖光柵傳感器，不易于實(shí)現(xiàn)探頭結(jié)構(gòu)的傳感;《光電工程》2009年07期發(fā)表了《金屬涂層 SPR的單端面LPFG折射率傳感器》，作者:趙敏福，張桂菊，馬狄峰;提出的反射式長(zhǎng)周期光纖 光柵，其不足之處在于，1)該文獻(xiàn)中描述到在光柵上鍍上各種不同厚度的薄金屬膜來(lái)激發(fā) 表面等離子體波，用這種鍍金屬膜光纖光柵傳感器來(lái)測(cè)量液體的折射率，并研究它的反射 諧振譜的特性;實(shí)際應(yīng)用中，影響反射式的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的敏感特性的因素較多， 該文獻(xiàn)僅從SPR效應(yīng)的角度進(jìn)行了研究工作，雖然為測(cè)量折射率提供了參考，但是想達(dá)到精 確的測(cè)量性能還需要考慮很多其他因素;2)該文獻(xiàn)采用寬帶光源及光譜儀進(jìn)行測(cè)量，寬帶 光源及光譜儀價(jià)格昂貴，體積龐大，在實(shí)際推廣使用中成本較高，使用不便，且占用較多人 力資源;3)該文獻(xiàn)中的傳感器結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，由于在使用過(guò)程中，端部容易受外界碰觸 而損壞，而整體式結(jié)構(gòu)無(wú)法靈活更換傳感探頭，使用起來(lái)不夠便利；同時(shí)若探頭損壞則整個(gè) 傳感器損壞，成本增加；另一方面整體式結(jié)構(gòu)的光柵傳感器，由于無(wú)法和其他特殊性質(zhì)的光 纖配合使用，比如，非零色散光纖，微彎不敏感特性的光纖、超低損耗單模光纖等，滿足不了 各種不同的需求，因此應(yīng)用范圍選擇性小，從而致使傳感結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有透射型長(zhǎng)周期光纖光柵監(jiān)測(cè)不便、所需儀器昂貴龐大的問(wèn)題，本發(fā)明提 出一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)溫度、折射 率、液位等外界物理量敏感，可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、物理、土木、醫(yī)療等領(lǐng)域。
[0006] 2.技術(shù)方案
[0007] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0008] -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括長(zhǎng)周期光纖光柵段、光纖段和 尾端段，從左到右依次為長(zhǎng)周期光纖光柵段、光纖段和尾端段，長(zhǎng)周期光纖光柵段的表面上 設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜，尾端段的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜，尾端段的端面上設(shè) 有一層尾端段端面金屬膜。
[0009] 由于耦合到光纖包層高階模的光能量到達(dá)光纖端面反射后，被LPG重新耦合回到 芯層傳播，與通過(guò)纖芯的前向光波發(fā)生干涉，而這種自干涉效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境也尤為敏感，本 發(fā)明在長(zhǎng)周期光纖光柵上利用干涉效應(yīng)，是比較難以想到的，如果不做成單端反射式結(jié)構(gòu)， 也無(wú)法出現(xiàn)自干涉效應(yīng)，這兩者綜合考慮，需要同時(shí)考慮產(chǎn)生SPR效應(yīng)的鍍膜厚度及產(chǎn)生自 干涉效應(yīng)的光柵到端面的距離即腔長(zhǎng)長(zhǎng)度，因此是存在難度的。綜合考慮了 SPR效應(yīng)和干涉 效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的敏感特性，將兩者結(jié)合起來(lái)后，用于本發(fā)明的傳感器原理中，與現(xiàn)有技術(shù) 中單純使用SPR效應(yīng)的長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感器相比，提高傳感器的敏感特性。
[0010] 優(yōu)選地，所述的光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金 膜。也可以選擇其他金屬膜(如金、銀）。鈀金膜具有高反射率，不易氧化，極易與光纖附著粘 合。
[0011] 優(yōu)選地，光纖光柵段由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯和光纖光柵段金屬膜。
[0012] 優(yōu)選地，尾端段由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯和尾端段金屬膜，尾端段的端面有尾 端段端面金屬膜。
[0013]優(yōu)選地，光纖光柵段纖芯與光纖段纖芯為整體纖芯，選擇用單模光纖;尾端段纖芯 也是單模光纖，因?yàn)槎嗄９饫w不具有同樣的傳感特性，為保證傳感器的傳感特性良好，因此 采用單模光纖。
[0014]光纖光柵段纖芯與光纖段纖芯是一個(gè)整體切斷的，而尾端段纖芯是另外一段光纖 連接上的，尾端段纖芯如果選擇微彎不敏感的光纖，則會(huì)對(duì)微彎不敏感，從而能夠避免微彎 對(duì)反射譜的影響；如果尾端段纖芯選擇其他特殊性質(zhì)的光纖，如彎曲不敏感光纖、超低損耗 單模光纖等，則可以起到特殊的作用，這樣有利于制作工藝上的靈活性，且能夠滿足實(shí)踐應(yīng) 用中的不同需求。
[0015]優(yōu)選地，光纖光柵段金屬膜的厚度為50-100nm，尾端段金屬膜、尾端段端面金屬膜 的厚度為700-1000nm左右。光纖光柵段金屬膜的厚度選擇薄，是為了激發(fā)SPR效應(yīng)，、尾端段 端面金屬膜的厚度厚，是為了有良好的反射效果。
[0016] 優(yōu)選地，所述光纖光柵段的長(zhǎng)度為4-6cm，光纖段的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段的長(zhǎng)度為 l-6cm。光纖光柵段的長(zhǎng)度是固定的，光纖段的長(zhǎng)度是為了制作起來(lái)方便熔接，尾端段的長(zhǎng) 度選擇是有利于反射，且產(chǎn)生較好的干涉效應(yīng)，并保證最后制作的探頭大小，如果長(zhǎng)度太 長(zhǎng)，將會(huì)沒(méi)有自干涉效應(yīng)。
[0017] -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其步驟為：
[0018] A、將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段和光纖段；
[0019] B、長(zhǎng)周期光纖光柵段內(nèi)部是光纖光柵段纖芯，在長(zhǎng)周期光纖光柵段表面鍍一層光 纖光柵段金屬膜，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);光纖光柵段金屬膜的厚度 為50_100nm;
[0020] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜，以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜，該單模光纖為尾端段;尾端 段金屬膜和尾端段端面金屬膜的厚度為7〇〇 -l〇〇〇nm;
[0021] D、將光纖段與尾端段熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探頭。 [0022]優(yōu)選地，長(zhǎng)周期光纖光柵段的長(zhǎng)度為4-6cm，光纖段的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段纖芯長(zhǎng) 度l_6cm。
[0023]優(yōu)選地，光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜的鍍膜材料均為 鈀金。
[0024]本發(fā)明的傳感器將單端反射自干涉效應(yīng)應(yīng)用在鍍金屬膜LPG結(jié)構(gòu)中，綜合利用SPR 效應(yīng)及自干涉效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境折射率靈敏響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有高靈敏度的單端反射式鍍 膜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光柵(Single reflection Coating LPG，簡(jiǎn)稱SCLPG)。
[0025]本發(fā)明的基于單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器具有探頭式結(jié)構(gòu)，相比于普 通的透射式長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu)緊湊，且具有更高的傳感靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)溫 度、折射率、液位等外界物理量敏感，可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、物理、土木、醫(yī)療等領(lǐng)域。 [0026] 3.有益效果
[0027] (1)本發(fā)明的光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金膜。 也可以選擇其他金屬膜(如金、銀），鈀金膜具有高反射率，不易氧化，極易與光纖附著粘合， 鍍膜工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)也能夠提高傳感器的反射特性，進(jìn)而提高傳感器的靈敏度；
[0028] (2)本發(fā)明的長(zhǎng)周期光纖光柵段內(nèi)部是光纖光柵段纖芯，在長(zhǎng)周期光纖光柵段表 面鍍一層光纖光柵段金屬膜，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng)，等離子體共振 效應(yīng)對(duì)表面環(huán)境具有很高的靈敏度，通過(guò)這種敏感性，對(duì)光纖所在位置的外部環(huán)境（如溫 度，濕度，液位等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，解決各種各樣的問(wèn)題；
[0029] (3)本發(fā)明將光纖段纖芯與尾端段纖芯熔接，由于尾端段選取的是康寧彎曲不敏 感單模光纖，制作成本發(fā)明所述的傳感器的傳感探頭后，避免了微彎對(duì)譜形的影響；
[0030] (4)本發(fā)明采用反射式探頭結(jié)構(gòu)的傳感，使得本發(fā)明的傳感器監(jiān)測(cè)方便，僅需要一 臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀，該儀器體積小，成本低；
[0031] (5)本發(fā)明的基于單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器具有探頭式結(jié)構(gòu)，相比 于普通的透射式長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu)緊湊，且具有更高的傳感靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì) 溫度、折射率、液位等外界物理量敏感，可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、物理、土木、醫(yī)療等領(lǐng)域；
[0032] (6)本發(fā)明的傳感器將單端反射自干涉效應(yīng)應(yīng)用在鍍金屬膜LPG結(jié)構(gòu)中，綜合利用 SPR效應(yīng)及自干涉效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境折射率靈敏響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有高靈敏度的單端反射 式鍍膜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光柵。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為應(yīng)用本發(fā)明的基于單端反射鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。
[0035] 圖中標(biāo)號(hào)名稱：
[0036] 1、長(zhǎng)周期光纖光柵段(LPG);2、光纖段;3、尾端段;4、光纖光柵段纖芯;5、光纖段纖 芯;6、尾端段纖芯;7、光纖光柵段金屬膜;8、尾端段金屬膜;9、尾端段端面金屬膜；10、光纖 光柵解調(diào)儀。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0038] 實(shí)施例1
[0039] 結(jié)合圖1-2, 一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括長(zhǎng)周期光纖光柵段 1、光纖段2和尾端段3,從左到右依次為長(zhǎng)周期光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,光纖光柵 段1的長(zhǎng)度為4_6cm，光纖段2的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段3的長(zhǎng)度為l-6cm〇
[0040] 光纖光柵段1由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯4和光纖光柵段金屬膜7,長(zhǎng)周期光 纖光柵段1的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜7,尾端段3的表面上設(shè)有一層尾端段金屬 膜8，尾端段3的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜9，尾端段3由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯6 和尾端段金屬膜8,光纖段2的纖芯為光纖段纖芯5,光纖光柵段纖芯4與光纖段纖芯5為整體 纖芯，可以是單模光纖;尾端段纖芯6可以是單模光纖。
[0041] 尾端段3的端面有尾端段端面金屬膜9。所述的光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜 8和尾端段端面金屬膜9均為鈀金膜。也可以選擇其他金屬膜(如金、銀）。鈀金膜具有高反射 率，不易氧化，極易與光纖附著粘合，鍍膜工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)也能夠提高傳感器的反射特性。光 纖光柵段金屬膜7的厚度為50-100nm，尾端段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度為700-lOOOnm。
[0042] -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其步驟為：
[0043] A、將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段1和光纖段2;
[0044] B、長(zhǎng)周期光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在長(zhǎng)周期光纖光柵段1表面鍍一 層光纖光柵段金屬膜7，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);光纖光柵段金屬膜7 的厚度為50-100nm ;
[0045] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8，該單模光纖為尾端段3;尾 端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9的厚度為700-1000nm;光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬 膜8和尾端段端面金屬膜9的鍍膜材料均為鈀金；
[0046] D、將光纖段2與尾端段3熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探 頭。長(zhǎng)周期光纖光柵段1的長(zhǎng)度為4-6cm，光纖段2的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段3纖芯長(zhǎng)度l-6cm〇
[0047] 本發(fā)明的傳感器將單端反射自干涉效應(yīng)應(yīng)用在鍍金屬膜LPG結(jié)構(gòu)中，綜合利用SPR 效應(yīng)及自干涉效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境折射率靈敏響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有高靈敏度的單端反射式鍍 膜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光柵(Single reflection Coating LPG，簡(jiǎn)稱SCLPG)。
[0048] 實(shí)施例2
[0049] 本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其中，傳感器的光纖光柵段1的長(zhǎng)度為4cm，光纖段2的長(zhǎng) 度為lcm，尾端段3的長(zhǎng)度為lcm。光纖光柵段金屬膜7的厚度為50nm，尾端段金屬膜8、尾端段 端面金屬膜9的厚度為700nm〇
[0050] -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其步驟為：
[0051] A、將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段1和光纖段2;
[0052] B、長(zhǎng)周期光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在長(zhǎng)周期光纖光柵段1表面鍍一 層光纖光柵段金屬膜7，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);光纖光柵段金屬膜7 的厚度為50nm;
[0053] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8，該單模光纖為尾端段3;尾 端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9的厚度為700nm;光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8和 尾端段端面金屬膜9的鍍膜材料均為鈀金；
[0054] D、將光纖段2與尾端段3熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探 頭。長(zhǎng)周期光纖光柵段1的長(zhǎng)度為4cm，光纖段2的長(zhǎng)度為lcm，尾端段3纖芯長(zhǎng)度lcm。
[0055] 本發(fā)明的基于單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器具有探頭式結(jié)構(gòu)，相比于普 通的透射式長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu)緊湊，且具有更高的傳感靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)溫 度、折射率、液位等外界物理量敏感，可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、物理、土木、醫(yī)療等領(lǐng)域。
[0056] 實(shí)施例3
[0057] 本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其中，傳感器的光纖光柵段1的長(zhǎng)度為6cm，光纖段2的長(zhǎng) 度為2cm，尾端段3的長(zhǎng)度為6cm。光纖光柵段金屬膜7的厚度為100nm，尾端段金屬膜8、尾端 段端面金屬膜9的厚度為lOOOnm。
[0058] 一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其步驟為：
[0059] A、將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段1和光纖段2;
[0060] B、長(zhǎng)周期光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在長(zhǎng)周期光纖光柵段1表面鍍一 層光纖光柵段金屬膜7，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);光纖光柵段金屬膜7 的厚度為l〇〇nm ;
[0061] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8，該單模光纖為尾端段3;尾 端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9的厚度為lOOOnrn;光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8 和尾端段端面金屬膜9的鍍膜材料均為鈀金；
[0062] D、將光纖段2與尾端段3熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探 頭。長(zhǎng)周期光纖光柵段1的長(zhǎng)度為6cm，光纖段2的長(zhǎng)度為2cm，尾端段3纖芯長(zhǎng)度6cm。
[0063] 實(shí)施例4
[0064] 本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其中不同之處是，傳感器的光纖光柵段1的長(zhǎng)度為5cm， 光纖段2的長(zhǎng)度為1.5cm，尾端段3的長(zhǎng)度為4cm。光纖光柵段金屬膜7的厚度為80nm，尾端段 金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度為800nm。
[0065] -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其步驟為：
[0066] A、將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端采用切割刀切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段1和光纖段 2；
[0067] B、長(zhǎng)周期光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在長(zhǎng)周期光纖光柵段1表面鍍一 層光纖光柵段金屬膜7，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);光纖光柵段金屬膜7 的厚度為80nm;
[0068] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8，該單模光纖為尾端段3;尾 端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9的厚度為800nm;光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8和 尾端段端面金屬膜9的鍍膜材料均為鈀金；
[0069] D、將光纖段2與尾端段3熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探 頭。長(zhǎng)周期光纖光柵段1的長(zhǎng)度為5cm，光纖段2的長(zhǎng)度為1.5cm，尾端段3纖芯長(zhǎng)度4cm〇
[0070] 實(shí)施例5
[0071] 本實(shí)施例適用于實(shí)施例1-4,長(zhǎng)周期光纖光柵的一端采用切割刀切平，形成長(zhǎng)周期 光纖光柵段1和光纖段2,在長(zhǎng)周期光纖光柵1上鍍光纖光柵段金屬膜7,此時(shí)在光纖光柵表 面形成等離子體共振效應(yīng)，表面等離子體共振(surface plasma resonance,SPR)效應(yīng)對(duì)表 面環(huán)境具有很高的靈敏度，在LPG包層上鍍一層足夠薄的金屬膜時(shí)，金屬膜與介質(zhì)界面之間 有SPR效應(yīng)。同時(shí)，在LPG終端鍍上高反射膜，將透射式LPG構(gòu)成反射式探針結(jié)構(gòu)，則耦合到光 纖包層高階模的光能量到達(dá)光纖端面，反射后被LPG重新耦合回到芯層傳播，與通過(guò)纖芯的 前向光波發(fā)生干涉，這種自干涉效應(yīng)對(duì)外部環(huán)境尤為敏感，通過(guò)這種敏感性，對(duì)光纖所在位 置的外部環(huán)境(如溫度，濕度，液位等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，解決各種各樣的問(wèn) 題。
[0072]選取普通圓柱形單模光纖（可以為其他種類單模光纖），尾端段纖芯6的端面鍍 700nm-1000nm厚的尾端段端面金屬膜9,以形成高反射率鏡面。再將光纖段纖芯5與尾端段 纖芯6熔接，由于尾端段3選取的是康寧彎曲不敏感單模光纖，制作成本發(fā)明所述的傳感器 的傳感探頭后，避免了微彎對(duì)譜形的影響。本發(fā)明采用反射式探頭結(jié)構(gòu)的傳感，使得本發(fā)明 的傳感器監(jiān)測(cè)方便，僅需要一臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀11，該儀器體積小，成本低。
[0073] 光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9可采用離子濺射鍍膜 方法制作，鍍膜材料為鈀金，選擇鈀金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化，易與與光 纖附著粘合，金屬膜7的作用是在有光源時(shí)，可作為基底形成表面等離子體效應(yīng)，尾端段端 面金屬膜9作為全波段的端面反射鏡，鍍膜后的端面反射率可達(dá)75 %，厚度為700nm-lOOOnm。長(zhǎng)周期光纖光柵段1到尾端段端面金屬膜9之間的距離，形成了自干涉效應(yīng)，由此構(gòu) 成高靈敏度的單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。
[0074] 圖2是應(yīng)用本發(fā)明的傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi)部發(fā)出 的光經(jīng)過(guò)本發(fā)明的傳感器后，被反射回光纖光柵解調(diào)儀10并顯示光譜。本發(fā)明不需要采用 寬帶光源及光譜儀進(jìn)行測(cè)量，從而節(jié)省了成本，便于在實(shí)踐中推廣使用，且不要占用較多人 力。
[0075] 實(shí)施例6
[0076] 本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其中不同之處是，尾端段3采用微彎不敏感的光纖，從而 能夠避免微彎特性的影響。也正是本發(fā)明的這種光纖段2和尾端段3分開(kāi)式的結(jié)構(gòu)，使得尾 端段3能夠選擇具有一些特殊性質(zhì)的光纖，且在使用過(guò)程中，端部容易受外界碰觸而損壞， 而分段式結(jié)構(gòu)易于更換端部結(jié)構(gòu)，從而滿足不同需求。
[0077] 實(shí)施例7
[0078] 本實(shí)施例與實(shí)施例6類似，其中不同之處是，根據(jù)需求不同，尾端段3采用非零色散 光纖，從而使得色散為零，零色散點(diǎn)的波長(zhǎng)為1.54-1.565nm，長(zhǎng)周期光纖光柵段1、光纖段2 和尾端段3這種分布式的結(jié)構(gòu)，使得長(zhǎng)周期光纖光柵段1的波長(zhǎng)可選范圍大。
[0079] 實(shí)施例7
[0080]本實(shí)施例與實(shí)施例6類似，其中不同之處是，根據(jù)需求不同，尾端段3采用超低損耗 單模光纖。
[0081 ] 實(shí)施例8
[0082]本實(shí)施例是對(duì)實(shí)施例1-7的原理論述，單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵探頭（Single Coating Long-period-fiber grating，SCLPG)的傳感原理：
[0083] LPFG的模式耦合屬于纖芯基模LP01與同向傳輸?shù)囊浑A包層模LPOm之間的耦合。由 耦合模理論可知，長(zhǎng)周期光纖光柵的相位匹配條件可由式表示：
[0084]
[0085] 分別為光纖纖芯和第m次包層模的有效折射率。纖芯基模的有效折射率 由纖芯折射率m和包層折射率n 2決定，而包層模的有效折射率與m，n2有關(guān)的同時(shí)，還與 環(huán)境折射率nsur有關(guān)，當(dāng)環(huán)境折射率變化將引起包層模有效折射率的變化，進(jìn)而引起諧振波 長(zhǎng)AL的漂移。因此，LPFG的諧振波長(zhǎng)對(duì)外界環(huán)境折射率的變化尤為敏感，對(duì)一周期固定的 LPFG，有：
[0086]
[0087]同時(shí)，隨著環(huán)境折射率nsur的變化，LPFG在諧振波長(zhǎng)處的透射率T也相應(yīng)發(fā)生變 化：
[0088] T = sin2(kL)
[0089] 其中：
％纖芯基模與包層模之間的耦合系數(shù)，L為光柵長(zhǎng)度。
[0090]
[0091] I為纖芯區(qū)域內(nèi)基模與包層模的交叉積分。其中l(wèi)ErnEcdad分別為纖芯基模和包層 模的電場(chǎng)幅值，Dn。。為纖芯的調(diào)制率，a為纖芯半徑。
[0092] 由此可見(jiàn)，當(dāng)LPFG受到外界折射率發(fā)生變化時(shí)，將引起包層模有效折射率<1 勺變 化，由此使諧振波長(zhǎng)k發(fā)生漂移，同時(shí)，《含?的變化也改變積分I值，從而引起耦合系數(shù)k的變 化，進(jìn)而使得諧振波長(zhǎng)k對(duì)應(yīng)的透射率發(fā)生變化，即LPFG的整個(gè)透射譜發(fā)生變化。
[0093]長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵周期一般在100μπι以上，它基于光纖內(nèi)滿足相位匹配條件 的同向模式之間的諧振耦合，是將前向傳輸?shù)膶?dǎo)模與其他前向?qū)；蚯跋蜉椛淠Ｖg耦 合，將光波中某頻帶的光耦合到包層中去而損耗掉，因此無(wú)后向反射。而當(dāng)在光柵端面鍍上 反射率高的金屬膜之后，本來(lái)經(jīng)過(guò)LPFG的透射光將在端面反射，形成單端反射長(zhǎng)周期光纖 光柵探頭。并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其同樣具有溫度、折射率傳感特性。
[0094]在環(huán)境折射率小于包層模折射率1.458左右時(shí)，諧振波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增加 向短波方向偏移，在靠近包層折射率時(shí)，偏移量顯著變大，此時(shí)LPFG對(duì)折射率的敏感性增 加；當(dāng)環(huán)境折射率增加到等于包層折射率時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為包層半徑無(wú)限大，耦合峰全部消 失;而當(dāng)環(huán)境折射率繼續(xù)增大到高于包層折射率時(shí)，諧振波長(zhǎng)重新在初始位置出現(xiàn)，且隨著 折射率的繼續(xù)增加，諧振峰位置幾乎不變，但此時(shí)耦合強(qiáng)度降低，透射率增加，諧振峰深度 變淺。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，鋼筋銹蝕較嚴(yán)重時(shí)，銹水折射率為1.3536,仍小于包層模的折射率 1.458，即仍然處于可監(jiān)測(cè)范圍。
[0095]以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖中所 示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案 相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括長(zhǎng)周期光纖光柵段（1)、光纖段 (2) 和尾端段(3)，其特征在于，從左到右依次為長(zhǎng)周期光纖光柵段(1)、光纖段(2)和尾端段 (3) ，長(zhǎng)周期光纖光柵段（1)的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜(7)，尾端段(3)的表面上 設(shè)有一層尾端段金屬膜(8)，尾端段(3)的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜(9)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，所 述的光纖光柵段金屬膜(7)、尾端段金屬膜(8)和尾端段端面金屬膜(9)均為鈀金膜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，光 纖光柵段(1)由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯(4)和光纖光柵段金屬膜(7)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，尾 端段(3)由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯(6)和尾端段金屬膜(8)，尾端段(3)的端面有尾端段端 面金屬膜(9)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，光 纖光柵段纖芯(4)與光纖段纖芯(5)為整體纖芯，選擇用單模光纖;尾端段纖芯(6)也為單模 光纖。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，光 纖光柵段金屬膜(7)的厚度為50-100nm，尾端段金屬膜(8)、尾端段端面金屬膜(9)的厚度均 為700-1000nm。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其特征在于，所 述光纖光柵段(1)的長(zhǎng)度為4-6cm，光纖段(2)的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段(3)的長(zhǎng)度為l-6cm〇8. -種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其特征在于： A、 將長(zhǎng)周期光纖光柵的一端切平，形成長(zhǎng)周期光纖光柵段(1)和光纖段(2); B、 長(zhǎng)周期光纖光柵段（1)內(nèi)部是光纖光柵段纖芯(4)，在長(zhǎng)周期光纖光柵段（1)表面鍍 一層光纖光柵段金屬膜(7)，長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng)； C、 選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜(9)，以形 成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜(8)，該單模光纖為尾端段(3); D、 將光纖段（2)與尾端段（3)熔接，構(gòu)成一種單端反射式鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵傳感探 頭。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其 特征在于，長(zhǎng)周期光纖光柵段（1)的長(zhǎng)度為4-6cm，光纖段(2)的長(zhǎng)度為l-2cm，尾端段(3)纖 芯長(zhǎng)度l _6cm〇10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作工藝，其 特征在于，光纖光柵段金屬膜(7)、尾端段金屬膜(8)和尾端段端面金屬膜(9)的鍍膜材料均 為鈀金。
【文檔編號(hào)】G01D5/38GK105973279SQ201610410962
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王彥, 胡興柳, 劉加萍, 方挺
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)