一種基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器制造技術

本發明專利技術提供的是一種基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器。包括光源、單模光纖環行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測裝置；光源與單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第二端口通過光纖錐與非對稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測裝置相連，反射鏡位于非對稱雙芯光纖的另一端。本發明專利技術利用非對稱雙芯光纖中邊芯的基模有效折射率對外界折射率變化敏感，而內芯的基模有效折射率對外界折射率變化不敏感的特性，構成基于非對稱雙芯光纖的集成式Michelson干涉儀，實現對折射率的高精度測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及的是一種光纖傳感，具體涉及一種基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器。
技術介紹
折射率是液體的一個基本物理性能參數，作為物質的重要光學屬性之一，在光學領域中具有極其重要的地位。折射率的測量在化工、生物、制藥和食品等領域具有非常廣泛的應用，很多物理或化學參數如混合物中某中某種物質的含量等都可以通過測量折射率來獲得。傳統的測量折射率的方法為測角法，分為測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量，測量時間長，一般不易實現在線檢測和遠程監測。光纖傳感技術具有體積小、抗腐蝕、容易實現在線測量和遠程監測等優點，在液體折射率測量領域獲得越來越多的應用。基于光強調制的光纖液體折射率傳感器具有結構簡單、成本低的優點。目前已經存在的強度調制型光纖折射率傳感器包括基于螺旋形波導彎曲損耗的光纖折射率傳感器和基于反射式強度調制的光纖折射率傳感器。但是強度調制的光纖折射率傳感器的傳感信號直接與接收光強有關，因此容易受外界環境的干擾。光纖光柵作為波長調制型傳感器，從本質上排除了光強起伏引起的干擾，具有很高的可靠性和穩定性。尤其是長周期光纖光柵 (LPG)，由于其對周圍介質折射率變化敏感，因而被廣泛用于液體折射率的測量。但是長周期光纖光柵不僅對折射率敏感，對環境溫度的變化也非常敏感，溫度穩定性較差。表面等離子諧振(SPR)也被用于液體折射率的測量。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，制作復雜，而且不同的被測物質，通常需要鍍不同的敏感膜。基于干涉結構的光纖傳感器具有結構簡單、靈敏度高和制作方便等優點。但是傳統的基于干涉結構的光纖折射率傳感器的兩個干涉臂(傳感臂和參考臂)是彼此獨立的， 集成度不高，而且需要對兩臂的光程進程匹配。最近提出的對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生在纖芯模和多個包層模之間，為多模干涉，干涉譜中不同的干涉峰對折射率的敏感度不一致；而基于微孔的結構需要價格昂貴的飛秒激光器，成本較高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種測量靈敏度高，系統的穩定性好，制作方便、成本低的基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器。本專利技術的目的是這樣實現的包括光源、單模光纖環行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測裝置；光源與單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第二端口通過光纖錐與非對稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測裝置相連，反射鏡位于非對稱雙芯光纖的另一端；所述的非對稱雙芯光纖包括內芯和邊芯，兩個纖芯的基模有效折射率對外界環境折射率變化的響應不同。本專利技術還可以包括1、所述的非對稱雙芯光纖的內芯與包層-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;內芯與邊芯的直徑可以是相同的，也可以是不同的；內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在單模光纖與非對稱雙芯光纖之間的焊點處進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稱雙芯光纖的內芯和邊芯中，或者是將內芯和邊芯中傳輸的光同時耦合入單模光纖中。4、所述的光源可以是寬譜光源，也可以為可調諧窄帶光源；所述的光電檢測裝置可以是光譜分析儀，也可以是光功率計。本專利技術利用非對稱雙芯光纖中邊芯的基模有效折射率對外界折射率變化敏感，而內芯的基模有效折射率對外界折射率變化不敏感的特性，構成基于非對稱雙芯光纖的集成式Michelson干涉儀，實現對折射率的高精度測量。本專利技術是基于光纖干涉原理，利用非對稱雙芯光纖中不同位置的光纖芯的基模有效折射率對環境折射率變化的響應不同，通過監測寬譜光干涉峰的波長漂移或可調諧窄譜光的干涉強度的變化來測量折射率的變化。下面以使用寬譜光源進行測量為例，具體給出本專利技術專利的工作原理。如圖2所示的非對稱雙芯光纖，由內芯、邊芯和包層組成。設非對稱雙芯光纖的長度為L，內芯和邊芯的折射率分別為Ii1和n2，雙芯光纖周圍的環境折射率為η。那么根據干涉原理，干涉譜中的干涉峰對應兩個纖芯的光程差等于峰值所在處波長的整數倍，即對于某個干涉峰，有(rii-n；,) L = m λ(1)其中m為整數，λ是干涉峰所在處對應的波長。由于非對稱雙芯光纖的內芯周圍包層的厚度大于10 μ m，可以近似認為其纖芯基模的有效折射率不受外界環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隨著外界環境折射率變化的而變化。設果雙芯光纖周圍環境的折射率變化S n會引起雙芯光纖中邊芯的有效折射率產生Δη的變化，那么雙芯光纖的內芯與邊芯之間的光程差變為(Ii1-Ii2)L+Δ nL。由于兩路干涉臂的光程差發生變化，透射光譜中干涉峰的位置會發生偏移，設偏移量為Δ λ。通常外界環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超過一個波長，那么對于新的干涉峰所對應的波長λ+Δ λ，有(n「n2)L+AnL = πι(λ+Δ λ )(2)結合公式⑴和公式⑵，得到. λ· An…ΔΛ =--(3)從公式(3)可以看出，對于確定的干涉峰和確定的非對稱雙芯光纖，透射譜中干涉峰的位置移動只與折射率變化有關。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點(1)本專利技術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測干涉峰位置的變化，又可以利用可調諧窄譜光監測干涉光強的變化來測量折射率的變化，測量靈敏度高。(2)本專利技術的折射率傳感器，利用非對稱雙芯光纖將傳感臂與參考臂集成在一根光纖中，結構緊湊，可以有效降低外界環境溫度的擾動對測量結果的影響，提高了系統的穩定性。(3)本專利技術的折射率傳感器，不需要復雜的光柵寫入設備，也不需要腐蝕或拋磨， 制作方便，成本低。附圖說明圖1是本專利技術實施例一中的基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器的結構示意圖。圖2是一種非對稱雙芯光纖的端面結構示意圖。圖3是本專利技術實施例二中的基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器的結構示意圖。圖4是利用實施例二中的光纖折射率傳感器測得的不同濃度酒精水溶液的光譜。具體實施例方式以下結合附圖舉例對本專利技術作進一步說明，但不應以此限制本專利技術的保護范圍。實施例一結合圖1，本專利技術的一種基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器，由光源 1、單模光纖環行器2、光纖錐3、非對稱雙芯光纖4，位于非對稱雙芯光纖端面的反射鏡5和光電檢測裝置6組成；光源1與光纖環行器2的端口 21相連，光纖環行器2的端口 22與非對稱雙芯光纖4通過光纖錐3相連，光纖環行器2的端口 23與光電檢測裝置6相連。結合圖2，非對稱雙芯光纖4包括位于包層43中的內芯41和邊芯42 ；內芯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。光纖環行器的端口 22與非對稱雙芯光纖4之間的光纖錐3是通過熔融拉錐的方式制作的。在工作時，寬譜光源1發出的光經過光纖環行器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種基于非對稱雙芯光纖的折射率傳感器，包括光源、單模光纖環行器或單模光纖耦合器、光纖錐、非對稱雙芯光纖、反射鏡和光電檢測裝置；其特征是：光源與單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第一端口相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第二端口通過光纖錐與非對稱雙芯光纖的一端相連，單模光纖環行器或單模光纖耦合器的第三端口與光電檢測裝置相連，反射鏡位于非對稱雙芯光纖的另一端；所述的非對稱雙芯光纖包括內芯和邊芯，兩個纖芯的基模有效折射率對外界環境折射率變化的響應不同。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周愛，楊軍，張艷輝，李廣平，苑立波，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：93