專利名稱：纖維光學(xué)化學(xué)傳感裝置、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及化學(xué)傳感，并且更特別地涉及基于纖維光柵的化學(xué)傳感裝置、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
纖維光學(xué)傳感方法具有包括靈活性、小尺寸、可忽略的重量、無(wú)源性以及對(duì)于電磁干擾的抗擾性的優(yōu)點(diǎn)。這些特性使纖維光學(xué)傳感器理想地適于監(jiān)控與環(huán)境變化相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)的化學(xué)和物理過(guò)程。纖維光學(xué)傳感的級(jí)聯(lián)能力能夠?yàn)橹T如油箱、管路和電力網(wǎng)公用設(shè)施的大面積基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施方式提供分布式傳感應(yīng)用，其中將纖維光學(xué)化學(xué)傳感裝置嵌入在多個(gè)位置，否則其中的一些可能是難以接近的。
已經(jīng)使用了各種傳感裝置。例如，一些化學(xué)傳感實(shí)施方式取決于吸收特定波長(zhǎng)的光并在短時(shí)間之后重發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的染料分子?？梢圆捎闷渌麄鞲醒b置來(lái)檢測(cè)化學(xué)參數(shù)，諸如檢測(cè)pH值或腐蝕、有毒化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)和無(wú)機(jī)積垢，以及工業(yè)加工系統(tǒng)中的金屬離子。這些化學(xué)傳感裝置通常包括電化學(xué)傳感器、表面等離子體諧振式傳感器和衰減全反射傳感器。這些傳感器中的大多數(shù)受到其中采用這些傳感器的操作條件的限制。例如，常規(guī)的光學(xué)和電化學(xué)傳感裝置經(jīng)常被限制為相對(duì)中性的pH條件以及如所指的有限的操作溫度范圍。更準(zhǔn)確地說(shuō)，常規(guī)的裝置通常被限制為從大約5至大約11的pH范圍以及低于大約100℃的溫度。
已經(jīng)將幾種基于纖維光學(xué)的化學(xué)傳感裝置與包括化學(xué)活性錐形纖維尖端、化學(xué)活性纖維束末端以及化學(xué)活性纖維包層實(shí)施方式的實(shí)例一起使用。這些化學(xué)傳感裝置通常包括熒光染料備用摻雜、化學(xué)敏感薄膜涂層或其組合。利用這些纖維裝置進(jìn)行的化學(xué)傳感或者是基于反射率強(qiáng)度或者是基于熒光強(qiáng)度。但是，很難利用這些纖維光學(xué)傳感器作為實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感裝置，因?yàn)楣庠床▌?dòng)和環(huán)境敏感的熒光染料發(fā)光限制了測(cè)量精度。
在如水交換器、管路、儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)氣罐、或者工業(yè)加工系統(tǒng)的環(huán)境中很難識(shí)別不同的化學(xué)物質(zhì)。此外，對(duì)于大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能需要相當(dāng)大量的離散化學(xué)傳感器來(lái)映射諸如結(jié)構(gòu)健康狀況、pH值、金屬離子濃度、或無(wú)機(jī)結(jié)垢和除垢的特性。離散的光學(xué)、電化學(xué)和纖維光學(xué)傳感器可能不是可量的(scalable)，以滿足所需的空間分辨率，該空間分辨率對(duì)于系統(tǒng)條件的精確映射是很有益的。
短周期纖維布拉格光柵(FBG)傳感裝置已經(jīng)被用于折射率測(cè)量、pH值感測(cè)、以及化學(xué)鑒定。這些傳感裝置通?；贒型纖維、包層蝕刻纖維、或者側(cè)拋光(side-polished)纖維。這種傳感器利用傳感器的芯內(nèi)的波長(zhǎng)編碼來(lái)根據(jù)在通過(guò)照明源照亮光柵時(shí)產(chǎn)生的布拉格波長(zhǎng)位移測(cè)量參數(shù)。因此，環(huán)境對(duì)光柵周期性的影響改變了所反射的光的波長(zhǎng)，由此提供環(huán)境影響的指示(諸如pH、鹽度或溫度)。
常規(guī)的電信型FBG傳感裝置對(duì)于化學(xué)物質(zhì)有非常小的敏感性，因?yàn)閷⑺p波場(chǎng)(evanescent wave field)限于(與纖維芯和包層界面相距大約一個(gè)波長(zhǎng)的距離處的)纖維芯內(nèi)部。為了使這種FBG傳感裝置是化學(xué)活性的，將該纖維機(jī)械地改造為具有諸如D形狀的不對(duì)稱形狀，或者在一側(cè)拋光，或者通過(guò)例如氫氟酸蝕刻工藝使包層變薄。在這些過(guò)程中，通過(guò)拋光、裂開(kāi)、化學(xué)浸蝕、或者形狀或極化控制的制造工藝很小心地制備纖維光柵，從而將常規(guī)的纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)傳感裝置。改造纖維包層厚度或者纖維形狀的工藝被用來(lái)將纖維芯模式的衰減波場(chǎng)暴露于外部介質(zhì)。
很難通過(guò)單個(gè)機(jī)械或化學(xué)改造的布拉格光柵傳感裝置來(lái)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)參數(shù)，諸如檢測(cè)pH、鹽度、腐蝕和溫度。此外，可能需要不同波長(zhǎng)處的多個(gè)光譜信號(hào)來(lái)使多個(gè)所感測(cè)的參數(shù)的影響彼此分離。所感測(cè)的參數(shù)的這種分離是很難的并且耗時(shí)。另外，當(dāng)利用所寫(xiě)入的(inscribed)布拉格光柵結(jié)構(gòu)對(duì)纖維進(jìn)行化學(xué)浸蝕時(shí)，在單個(gè)纖維光纜上制造多個(gè)傳感器是特別有挑戰(zhàn)的。原則上，這些纖維光學(xué)傳感器具有潛在的分布能力，但是作為實(shí)際的問(wèn)題，處理多個(gè)精密傳感器不是一項(xiàng)容易的工作。另外，由于較薄的纖維光柵包層厚度引起的弱機(jī)械強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生失效模式。
已經(jīng)證實(shí)，纖維長(zhǎng)周期光柵(LPG)傳感器由于前面的包層模式和芯模式耦合效率而對(duì)周圍介質(zhì)的折射率變化具有高敏感性。在基于LPG的化學(xué)傳感器中，纖維芯中的光被散發(fā)到纖維包層區(qū)域中。合成的傳輸損耗強(qiáng)烈取決于周圍介質(zhì)的折射率。盡管去掉了包層蝕刻要求，但是由于包層模式交迭而很難將許多LPG分布在公共化學(xué)傳感系統(tǒng)中。通常，在100納米的帶寬內(nèi)，例如由于來(lái)自每個(gè)LPG的多個(gè)傳輸峰值而使LPG傳感器的數(shù)量是有限的。更實(shí)際的困難在于在諸如溫度的其他環(huán)境因素改變時(shí)對(duì)化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。傳輸峰值的不同的溫度和化學(xué)敏感性使其難以區(qū)別化學(xué)信號(hào)與環(huán)境影響。
盡管可以通過(guò)對(duì)于基于LPG的傳感裝置進(jìn)行化學(xué)浸蝕來(lái)為L(zhǎng)PG傳感器減少包層模式數(shù)量或交迭，但是會(huì)出現(xiàn)與機(jī)械地改造短周期FBG相關(guān)聯(lián)相同的機(jī)械加工難題。

發(fā)明內(nèi)容
希望具有用于化學(xué)傳感的通用技術(shù)，該技術(shù)基于纖維光柵但是不需要蝕刻纖維包層或機(jī)械地改造纖維光柵形狀。
簡(jiǎn)言之，依照一個(gè)實(shí)施例，一種化學(xué)傳感裝置包括纖維芯和纖維包層。該纖維芯包括折射率調(diào)制的(index-modulated)光柵區(qū)域，所述光柵區(qū)域具有被配置用于增加光散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓(apodized profile)。化學(xué)傳感裝置的纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回。
依照另一實(shí)施例，一種化學(xué)傳感方法包括(a)提供纖維芯和纖維包層，其中該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域，所述光柵區(qū)域具有被配置用于增加光散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且其中將纖維包層配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；(b)使光透射穿過(guò)該光柵區(qū)域；(c)獲得一信號(hào)，該信號(hào)代表光從光柵區(qū)域反射或者光透射穿過(guò)光柵區(qū)域；(d)監(jiān)控信號(hào)隨時(shí)間的振幅和波長(zhǎng)位移變化；以及(e)使用所監(jiān)控的位移變化來(lái)檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在。
依照另一實(shí)施例，一種化學(xué)傳感系統(tǒng)包括(a)化學(xué)傳感裝置，該化學(xué)傳感裝置包括纖維芯和纖維包層，其中纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域，該光柵區(qū)域具有被配置用于增加光散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且其中將纖維包層配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；(b)光源，該光源被配置來(lái)照亮該芯；以及(c)檢測(cè)器，該檢測(cè)器被配置來(lái)測(cè)量一信號(hào)，該信號(hào)代表光透射穿過(guò)光柵區(qū)域或者光從光柵區(qū)域反射。
依照另一實(shí)施例，一種化學(xué)傳感探針包括(a)化學(xué)傳感裝置，該化學(xué)傳感裝置包括纖維芯和纖維包層，其中纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域，該光柵區(qū)域具有被配置用于增加光散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且其中將纖維包層配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；以及(b)光學(xué)參考傳感裝置，該光學(xué)參考傳感裝置被配置用于獲得參考信號(hào)，該參考信號(hào)代表光從參考傳感裝置反射或者光透射穿過(guò)該參考傳感裝置。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)將能更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同的部件，其中圖1是化學(xué)傳感裝置的制造實(shí)施例的透視圖。
圖2是依照另一實(shí)施例的化學(xué)傳感裝置制造過(guò)程的圖表。
圖3是依照另一實(shí)施例的具有沿纖維軸的升余弦調(diào)制輪廓的多個(gè)化學(xué)傳感裝置的示意圖。
圖4是在具有變跡輪廓的折射率光柵的相反側(cè)上的衰減波場(chǎng)輪廓的示意圖。
圖5是基于單個(gè)裝置的傳感探針的示意圖。
圖6是基于多個(gè)裝置的傳感探針的示意圖。
圖7是化學(xué)傳感實(shí)施例的示意圖，其中光學(xué)參考傳感裝置具有比化學(xué)傳感裝置的波長(zhǎng)更大的布拉格諧振波長(zhǎng)。
圖8是用于識(shí)別在反射模式或透射模式下工作的化學(xué)物質(zhì)的纖維光學(xué)化學(xué)傳感系統(tǒng)的圖解表示。
圖9示出有涂層的纖維光柵的一個(gè)實(shí)施例。
圖10示出有涂層的纖維光柵的另一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
當(dāng)一種纖維光柵裝置被配置來(lái)從纖維芯有效地散發(fā)更多光能到纖維包層中時(shí)，能夠在不需要包層蝕刻的情況下將該纖維光柵裝置用于感測(cè)化學(xué)溶劑、溶液和蒸氣。使折射率調(diào)制沿纖維軸變跡(例如具有升余弦或高斯輪廓)是將諸如纖維布拉格光柵(FBG)的規(guī)則纖維光柵轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙舾行缘幕瘜W(xué)傳感裝置的一種有效技術(shù)。這種已調(diào)制的FBG的化學(xué)傳感能力主要?dú)w因于高階包層模式的衰減波場(chǎng)與外部介質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用。包層模式和基諧模式之間的最終耦合能夠使這種FBG具有對(duì)周圍介質(zhì)變化的高敏感性。
圖1是用于制造化學(xué)傳感裝置10的系統(tǒng)的透視圖，該化學(xué)傳感裝置10包括纖維芯12和纖維包層14。該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域16，該光柵區(qū)域16具有被配置用于增加光18散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且該纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回。如這里所用的“變跡輪廓”意味著，沿纖維軸對(duì)該折射率進(jìn)行空間調(diào)制。通常，通過(guò)選擇材料的類型(包括是否摻雜，并且，如果是這樣的話，則摻雜什么類型)、通過(guò)設(shè)計(jì)芯和包層之間的界面、通過(guò)設(shè)計(jì)傳感表面、或者其組合來(lái)將纖維包層配置用于反射。然后，至少一些向纖維芯12偏轉(zhuǎn)回的光(由斯涅耳(Snell)定律決定)與信號(hào)進(jìn)行組合(即，光無(wú)散發(fā)(shedding)地經(jīng)過(guò)所述芯)。用于被包含在化學(xué)傳感裝置內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)的類型例如包括化學(xué)和生物學(xué)氣體和液體。
纖維芯12通常包括單模纖維芯。在一個(gè)例子中，纖維芯12包括共同摻雜氟(F)的氧化鍺。鍺被認(rèn)為用來(lái)增加感光性，并且摻雜被認(rèn)為是幫助使纖維芯缺陷和光功率損耗最小化。除了氟之外或者代替氟，其他例子的摻雜材料包括氯(CL)、硼(B)、磷酸鹽(P)、鉺(Er)、及其組合。另一種可能的芯材料例如包括玻璃。纖維包層14通常包括摻雜硅石或者包括純二氧化硅(即，沒(méi)有被摻雜的二氧化硅)，這是一種折射率通常比芯低的材料。纖維包層14通常與纖維芯12物理接觸。
光柵區(qū)域16通常包括纖維布拉格光柵?？梢园ㄈ魏芜m當(dāng)?shù)恼凵渎瘦喞?，其中幾種非限制的變跡輪廓的例子是升余弦變跡輪廓和高斯變跡輪廓。傳感裝置可包括沿纖維軸的多個(gè)變跡輪廓。
實(shí)例1在一個(gè)制造方法的例子中，利用透鏡32和周期調(diào)制的相位掩模34的強(qiáng)244納米波長(zhǎng)紫外(UV)光34寫(xiě)入來(lái)制造基于已調(diào)制的FBG的化學(xué)傳感裝置。在光柵寫(xiě)入之前，利用氫加載過(guò)程來(lái)增強(qiáng)纖維芯12的感光性。纖維芯12是單模芯，其直徑大約9微米，并且還共同摻雜了大約5到7個(gè)莫爾百分比的GeO2和大約10ppm到大約100ppm的氟。纖維包層14和纖維芯12的組合的直徑大約是125微米，且沒(méi)有任何摻雜元素。折射率調(diào)制輪廓是沿纖維軸具有升余弦圖案的變跡輪廓。
當(dāng)光柵區(qū)域16的長(zhǎng)度大于大約5毫米(mm)時(shí)，可以利用多個(gè)變跡過(guò)程。例如，幾個(gè)連續(xù)的變跡輪廓通常被用于36mm長(zhǎng)度的纖維光柵。
在用途實(shí)施方式的方法中，將化學(xué)傳感裝置用在化學(xué)傳感方法中，該化學(xué)傳感方法包括使光透射穿過(guò)該光柵區(qū)域；獲得一信號(hào)，該信號(hào)代表光從光柵區(qū)域反射20或光透射22穿過(guò)該光柵區(qū)域；監(jiān)控該信號(hào)隨時(shí)間的振幅和波長(zhǎng)位移變化；以及利用監(jiān)控到的位移變化來(lái)檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在。如在此在反射或透射的范圍中所使用的“或者”意味著“二者之一或者二者兼有”。當(dāng)光柵包括布拉格光柵時(shí)，光信號(hào)24的部分從光柵區(qū)域16反射，并且其余的光透射穿過(guò)光柵區(qū)域16，波長(zhǎng)中的功率損耗對(duì)應(yīng)于相干的布拉格諧振。
實(shí)例2參考實(shí)例1所描述的傳感裝置由來(lái)自可調(diào)激光二極管的近紅外寬帶光源來(lái)照亮，并且通過(guò)從詢問(wèn)系統(tǒng)監(jiān)控反射率和透射率來(lái)觀察隨時(shí)間而變的波長(zhǎng)位移而檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)。目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的吸收過(guò)程對(duì)纖維光柵的光學(xué)屬性進(jìn)行調(diào)制，并從而對(duì)包層模式和基諧模式之間的耦合屬性進(jìn)行調(diào)制。基于該變跡FBG的化學(xué)傳感已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上表明可察覺(jué)的具有20-200pm的降速變換的布拉格諧振波長(zhǎng)位移，以及來(lái)自丙酮、甲醇、甲苯、異丙醇和氫氟酸的類似衰變的響應(yīng)特性。
在更為具體的方法實(shí)施例中，光包括測(cè)試光，并且在透射該測(cè)試光之前，訓(xùn)練光(training light)透射穿過(guò)光柵區(qū)域16，將化學(xué)物質(zhì)(意味著至少一個(gè))引入到纖維芯12的環(huán)境中，獲得訓(xùn)練信號(hào)，該信號(hào)代表訓(xùn)練光從光柵區(qū)域16反射或者訓(xùn)練光透射穿過(guò)光柵區(qū)域16；監(jiān)控信號(hào)中隨時(shí)間的振幅和波長(zhǎng)位移變化；以及利用信號(hào)中所監(jiān)控到的位移變化來(lái)形成當(dāng)透射該測(cè)試光時(shí)供使用的查找表。此外，化學(xué)傳感裝置10可以通過(guò)反射的峰值位置或通過(guò)透射光譜中的傾斜位置進(jìn)行自校準(zhǔn)(圖1)。
圖2是依照另一個(gè)實(shí)施例的化學(xué)傳感裝置制造過(guò)程的流程圖。在步驟210中，提供了一種摻雜的感光纖維，諸如GeO2。為了簡(jiǎn)化感測(cè)信號(hào)詢問(wèn)，通常使用單模纖維。
在步驟212中，執(zhí)行氫加載。這種氫加載增加了調(diào)制并增強(qiáng)感光性。在一個(gè)例子中，氫加載持續(xù)從七天變化到十天的周期。
在步驟214中，進(jìn)行UV激光寫(xiě)入過(guò)程。通常利用基于相位掩模的UV光干涉在纖維芯上寫(xiě)入光柵區(qū)域。
在步驟216進(jìn)行纖維退火。退火對(duì)促使氫分子外擴(kuò)散是有用的。在一個(gè)例子中，退火發(fā)生在大約250℃的溫度下持續(xù)大約24個(gè)小時(shí)。
然后在步驟218中將熱穩(wěn)定纖維連接并包裝。通常，這包括添加(attach)護(hù)套電纜或具有金屬或聚合材料的涂層，所述金屬或聚合材料諸如鋁、金、銅、聚酰亞胺或丙烯酸鹽。在步驟220可執(zhí)行最終的光譜特性，以檢查反射峰值的線寬、布拉格諧振波長(zhǎng)以及透射傾斜和功率損耗方面。
圖3是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)化學(xué)傳感裝置110、112和114的示意圖。這樣的實(shí)施例可被用于感測(cè)不同位置處的相同參數(shù)，或者感測(cè)在相似或不同位置處的多個(gè)參數(shù)。例如，所觀察到的波長(zhǎng)位移和響應(yīng)時(shí)間是用于識(shí)別不同化學(xué)物種的兩個(gè)參數(shù)，而不管溫度變化和其他假象。圖3的傳感裝置可被配置在公共的纖維芯上或者可以位于串聯(lián)耦合的獨(dú)立的纖維芯上。還有其它可替換的實(shí)施例(未示出)具有沿不同纖維平行的一些或每個(gè)傳感裝置。
圖4是化學(xué)傳感裝置420的相反側(cè)上的衰減波場(chǎng)輪廓的實(shí)例視圖，該化學(xué)傳感裝置420具有帶有變跡輪廓的折射率調(diào)制的光柵區(qū)域。在穿過(guò)該光柵區(qū)域之前，波群輪廓是基諧模式的受限衰減波場(chǎng)410。在穿過(guò)該光柵區(qū)域之后，波群輪廓是包含擴(kuò)展的高階模式的波群412。這里所描述的實(shí)施方式的化學(xué)傳感效應(yīng)被認(rèn)為是由于高階包層模式的衰減波場(chǎng)與外部介質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用而引起的。外部介質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)的折射率改變固體(纖維包層)和液體(化學(xué)物質(zhì))邊界條件416，以便使所反射的高階包層模式與基諧模式的耦合強(qiáng)烈取決于化學(xué)親合性、界面的自由能及其弛豫過(guò)程。從傳感表面折射(通過(guò)區(qū)域414示出)的那部分高階包層模式由斯涅耳定律決定。另外，受激高階包層模式在傳感亞表面中部分地反射(向芯反射回)。圖4另外示出包住纖維的區(qū)域而不是化學(xué)傳感裝置420的光柵區(qū)域的涂層418。
圖5和圖6示意性示出兩個(gè)化學(xué)傳感探針，其中，圖5是透視圖，而圖6是頂視圖。圖5的單個(gè)裝置探針502包括參考圖1描述的那種類型的化學(xué)傳感裝置500，該化學(xué)傳感裝置500包括纖維芯、纖維包層和具有變跡輪廓的折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(在圖1中示出)。圖5另外示出位于至少一部分纖維包層上的自由傳感空間514，該自由傳感空間514圍繞光柵區(qū)域，還示出包括諸如聚合物或金屬的材料的涂敷層516以及示出包住整個(gè)組件的纖維傳感裝置包518。
圖6的兩個(gè)裝置探針530除了包括探針502的元件之外還包括含有參考光柵534的參考傳感裝置600。參考傳感裝置600上的諸如金屬或聚合物的涂層516提供纖維保護(hù)并可以增強(qiáng)環(huán)境因素測(cè)量精度。
此外，圖7示出基于傳感裝置500和600的設(shè)計(jì)。在圖7的例子中，化學(xué)傳感裝置500具有低于參考傳感裝置600大約2納米至大約5納米的布拉格諧振波長(zhǎng)，以便使來(lái)自兩個(gè)傳感裝置的化學(xué)有關(guān)波長(zhǎng)位移和參考有關(guān)波長(zhǎng)位移是相反的，并且在兩個(gè)光柵區(qū)域之間的間隔小于100mm時(shí)避免了峰值重疊以及兩個(gè)光柵區(qū)域之間的干涉。通過(guò)比較傳感裝置的光柵區(qū)域中的反射率或透射率變化便于將溫度、腐蝕、pH、壓力和/或應(yīng)變的(經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào)的)環(huán)境影響與化學(xué)傳感分開(kāi)。
如果需要，多個(gè)這種裝置對(duì)可被組合成用于在溫度和濕度可變環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)鑒定的多個(gè)點(diǎn)的分布式傳感系統(tǒng)。該化學(xué)傳感系統(tǒng)例如可包括被置于光纖電纜上的多個(gè)傳感裝置，該光纖電纜可以橫跨幾英里，其中每個(gè)化學(xué)傳感探針都包括一對(duì)纖維光柵傳感裝置，其中一個(gè)纖維光柵傳感裝置具有用于最大化學(xué)相互作用的裸露光柵區(qū)域表面，而另一個(gè)纖維光柵傳感裝置在其上具有涂層，其中，諧振波長(zhǎng)大于裸露的傳感裝置的諧振波長(zhǎng)。
圖8是示出依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的化學(xué)傳感系統(tǒng)700的框圖，其中探針710包括上面參考圖6描述的那種類型的化學(xué)傳感裝置500和參考傳感裝置600，該探針710與被配置來(lái)照亮纖維芯12(圖1)的光源714和被配置來(lái)測(cè)量信號(hào)的光學(xué)光譜分析儀718結(jié)合使用，所述信號(hào)代表光透射穿過(guò)該探針或者光從該探針?lè)瓷?。在一個(gè)例子中，光源包括寬帶光源。在另一個(gè)例子中，光源包括波長(zhǎng)從大約1450nm到大約1600nm的可調(diào)激光源。該系統(tǒng)通常也包括處理器720，該處理器720被配置用于監(jiān)控該信號(hào)隨時(shí)間的振幅和波長(zhǎng)位移變化并利用監(jiān)控到的位移變化來(lái)檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在。NIST標(biāo)準(zhǔn)充氣光電管716可以同時(shí)被用于獲得來(lái)自每個(gè)傳感裝置的絕對(duì)波長(zhǎng)讀數(shù)。激光通常由光耦合器712耦合到纖維芯和傳感裝置中。
通過(guò)光耦合器或光學(xué)循環(huán)器可以實(shí)現(xiàn)光耦合和信號(hào)拾取，例如光耦合器或光學(xué)循環(huán)器被用于將光源發(fā)送到傳感裝置，并且再將所反射的或所透射的信號(hào)耦合回到諸如光學(xué)光譜分析儀718的信號(hào)詢問(wèn)器。該信號(hào)詢問(wèn)可以是基于可調(diào)的法布里珀羅(Fabry-Perot)濾光器和基于砷化銦鎵的近紅外光檢測(cè)器，該近紅外光檢測(cè)器被配置來(lái)測(cè)量一信號(hào)，該信號(hào)代表光透射穿過(guò)纖維光柵區(qū)域或光從纖維光柵區(qū)域反射。
這種耦合可選地可以是在公共纖維芯12(圖1)上。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)參考傳感裝置600例如包括溫度傳感裝置，該溫度傳感裝置被設(shè)計(jì)，以便具有與要被感測(cè)的化學(xué)物質(zhì)的最小相互作用，并且相反具有主要是由于溫度變化而引起的具有任何位移(Δλ1)的波長(zhǎng)峰值。與此相反，化學(xué)傳感裝置500的波長(zhǎng)峰值的位移(Δλ2)是由于溫度變化和化學(xué)變化而引起的。兩個(gè)峰值位移之差(Δλ2-Δλ1)可以例如在訓(xùn)練模式期間的不同化學(xué)濃度處根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，并在操作模式期間被存儲(chǔ)在供使用和比較的查找表(如上所述)中。
實(shí)例3為了檢驗(yàn)，傳感系統(tǒng)被制造并包括化學(xué)傳感裝置500、作為實(shí)時(shí)溫度傳感裝置600的重新涂敷聚酰亞胺的纖維布拉格光柵、以及四通道詢問(wèn)系統(tǒng)718。將1毫瓦的可調(diào)二極管激光器714通過(guò)纖維光學(xué)耦合器712與傳感纖維連接。利用充氣光電管和掃描儀表716校準(zhǔn)以每秒80納米的速率被掃描的波長(zhǎng)。針對(duì)化學(xué)傳感裝置500感測(cè)，系統(tǒng)分辨率是0.4pm。利用用于透射傾斜和反射峰值的處理器720中的跟蹤算法來(lái)記錄隨時(shí)間變化的化學(xué)傳感。通過(guò)利用穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)或封裝518小心地維持測(cè)量期間具有適當(dāng)張應(yīng)力的光柵(圖6)。
作為化學(xué)傳感探針710的部分，利用如上面參考實(shí)例1所討論的氫加載過(guò)程將兩個(gè)纖維布拉格光柵寫(xiě)入到摻雜氧化鍺的感光硅石單模纖維上。為了增強(qiáng)化學(xué)傳感探針710對(duì)周圍介質(zhì)的敏感性或者使纖維芯中所傳播的光的限制更寬松以便使大部分光在包層中傳播，在光柵寫(xiě)入過(guò)程期間對(duì)UV光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，并使其沿纖維軸移動(dòng)。這種具有沿纖維軸的變跡輪廓的已調(diào)制的布拉格光柵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顯著的透射傾斜，該透射傾斜很明顯是由前面的傳播基諧模式與芯中的反傳播模式的耦合而引起的。此外，由于從芯模式耦合的光泄露到纖維芯外，所以由于在比布拉格諧振波長(zhǎng)更短的波長(zhǎng)的范圍中的包層模式諧振而保留(leave)幾個(gè)透射傾斜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些諧振的數(shù)量和振幅取決于UV光功率電平和纖維感光性以及纖維芯/包層界面的光學(xué)屬性。
關(guān)于強(qiáng)周期折射率調(diào)制的理論分析已經(jīng)得到發(fā)展，其中已經(jīng)利用高階傳播模式的調(diào)制貢獻(xiàn)來(lái)解釋觀察到的化學(xué)傳感結(jié)果。可以相信，化學(xué)傳感是由于光柵表面周圍的化學(xué)原子吸收而引起的過(guò)程，該化學(xué)原子吸收強(qiáng)烈地改造了高階包層模式和基諧模式的模式耦合屬性來(lái)代替折射率匹配效應(yīng)。理論上，該可察覺(jué)的波長(zhǎng)位移歸因于高階模式貢獻(xiàn)，其中由所吸收的化學(xué)原子或分子來(lái)改造耦合屬性。在理論分析下，布拉格諧振條件例如被表達(dá)為λB=2n-effΛδ(k,ko)+(na-nb)ΛΣm≠02mπδ(k,km)e-1πmd1Λsin(πmd1Λ)---(1),]]>其中d1(d2)是纖維上的UV曝光(未曝光)寬度，Λ是節(jié)距尺寸，而波矢km＝2πm/Λ(m＝0，1，2...)。方程式(1)中的第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于FBG的相位匹配條件，而neff是纖維光柵的有效折射率。對(duì)于規(guī)則的纖維布拉格光柵來(lái)說(shuō)，這是通過(guò)neff＝fAn(UV+GeF:SiO2)+fBn(GeF:SiO2)(其中fA+fB＝1)來(lái)表達(dá)的纖維芯的有效折射率，而fA(fB)是UV曝光的(未曝光的)纖維芯寬度d1(d2)與節(jié)距尺寸Λ之比。在一階近似內(nèi)，外部介質(zhì)折射率的變化是不可察覺(jué)的，其中高階模式耦合貢獻(xiàn)非常小。對(duì)于強(qiáng)調(diào)制的FBG來(lái)說(shuō)，可以利用βclad，i+β01＝2π/Λ的相位匹配條件來(lái)確定諧振波長(zhǎng)，其中βclad，i是沿著與具有波矢量β01的基本LP01模式的反方向(即通過(guò)λ＝(nco+nclad，i)Λ)的第i個(gè)包層的傳播常數(shù)。
方程式(1)中的高階模式耦合效應(yīng)迄今沒(méi)有被實(shí)現(xiàn)和研究出來(lái)，特別是在化學(xué)傳感的環(huán)境中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)和研究出來(lái)。這些高階模式與反傳播基諧模式的耦合(如小的擾動(dòng))被期望為能夠被用于通過(guò)本詢問(wèn)系統(tǒng)來(lái)感測(cè)化學(xué)物質(zhì)和揮發(fā)性蒸氣的可察覺(jué)的效應(yīng)，該系統(tǒng)具有0.4pm的分辨率以及1pm的精度。
期望的是，利用任意選擇的涂層能夠進(jìn)一步改變傳感裝置的屬性。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖9中所示，化學(xué)選擇性涂層818位于傳感裝置810的至少一部分纖維包層814上，該纖維包層814圍繞纖維芯812的光柵區(qū)域816。在更具體的實(shí)施例中，該涂層包括諸如聚酰亞胺或丙烯酸鹽的聚合物。
在另一實(shí)施例中，如圖10中所示，機(jī)械敏感性涂層916位于至少一部分纖維包層914上，該纖維包層914圍繞纖維芯912的光柵區(qū)域918。在更具體的變型中，該機(jī)械敏感性涂層包括熱膨脹系數(shù)與纖維包層的熱膨脹系數(shù)不同的材料。在其中纖維包層包括硅石的一個(gè)實(shí)例中，涂層包括銅、鋁或金。鋁的熱膨脹系數(shù)例如幾乎比硅石的熱膨脹系數(shù)高40倍。
纖維包層材料本身和任何涂層的選擇取決于光學(xué)屬性以及來(lái)自預(yù)期環(huán)境的任何要求(例如，如果傳感裝置將被用在一定的氣體和液體環(huán)境中，那么是不滲透性或親水性)。金的金屬涂層材料能夠被用于保護(hù)目的，并且能夠承受得住高達(dá)大約600℃的溫度。涂敷有丙烯酸鹽的纖維通常適于從大約-40℃到大約85℃的溫度，而涂敷有聚酰亞胺的纖維一般適于從大約-190℃到大約350℃的溫度。小心選擇用于參考傳感裝置的涂層也是有用的。例如，聚酰亞胺涂層能夠幫助感測(cè)濕度變化，而涂敷有銅金屬的傳感裝置幫助感測(cè)與氧化有關(guān)的腐蝕。
盡管這里已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的僅僅一些特征，但是許多修改和改變是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠想到的。因此，應(yīng)該理解，隨附的權(quán)利要求意在覆蓋如落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)的所有這種修改和改變。
部件列表10化學(xué)傳感裝置12纖維芯14纖維包層16光柵區(qū)域18光(從芯到包層)20反射光22透射光24光信號(hào)30相位掩模32透鏡34光110化學(xué)傳感裝置112化學(xué)傳感裝置114化學(xué)傳感裝置210步驟212步驟214步驟216步驟218步驟220步驟410衰減波場(chǎng)412波群414折射區(qū)域416邊界條件420化學(xué)傳感裝置500傳感裝置502探針511纖維芯512纖維包層510光柵區(qū)域514自由傳感空間
516涂層518包530探針600參考傳感裝置700化學(xué)傳感裝置710探針712光耦合器714光源716充氣光電管和時(shí)間掃描718光譜分析儀720處理器810傳感裝置812芯814包層816光柵區(qū)域818化學(xué)選擇性涂層912芯914包層916機(jī)械敏感性涂層918光柵區(qū)域
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)傳感裝置(10)，其包括纖維芯(12)；以及纖維包層(14)，其中，該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(16)，所述光柵區(qū)域(16)具有被配置用于增加光(18)散發(fā)到該纖維包層中的變跡輪廓；其中，該化學(xué)傳感裝置的纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置，其中，所述纖維芯包括單模纖維芯，并且其中，所述纖維芯包括摻雜有二氧化鍺的材料，以及其中，所述纖維芯進(jìn)一步包括共同摻雜有氟、氯、硼、鉺、或者其組合的材料。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置，其中，所述纖維包層與所述纖維芯物理接觸。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置，其中，所述光柵區(qū)域的輪廓包括周期變跡的折射率輪廓。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感裝置，其中，所述光柵區(qū)域的輪廓包括沿著所述纖維芯的軸的至少一個(gè)升余弦輪廓或者至少一個(gè)高斯輪廓。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置，進(jìn)一步包括位于至少一部分纖維包層上的化學(xué)選擇性涂層(818)和機(jī)械敏感性涂層(916)，所述纖維包層圍繞所述纖維芯的光柵區(qū)域。
7.一種化學(xué)傳感方法，其包括提供纖維芯(12)和纖維包層(14)，其中，該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(16)，該光柵區(qū)域(16)具有被配置用于為增加光(18)散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且其中，該纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；使光透射穿過(guò)該光柵區(qū)域；獲得一信號(hào)，該信號(hào)代表光從該光柵區(qū)域反射(20)或者光透射(22)穿過(guò)該光柵區(qū)域；監(jiān)控信號(hào)隨時(shí)間的振幅和波長(zhǎng)位移變化；以及利用監(jiān)控到的位移變化來(lái)檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的存在。
8.一種化學(xué)傳感系統(tǒng)(700)，其包括化學(xué)傳感裝置，該化學(xué)傳感裝置包括纖維芯(12)和纖維包層(14)，其中，該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(16)，該光柵區(qū)域(16)具有被配置用于增加光(18)散發(fā)到該纖維包層中的變跡輪廓，并且其中，該化學(xué)傳感器的纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；光源(24)，該光源(24)被配置來(lái)照亮該芯；檢測(cè)器(718)，該檢測(cè)器(718)被配置來(lái)測(cè)量一信號(hào)，該信號(hào)代表光透射穿過(guò)該光柵區(qū)域或者光從該光柵區(qū)域反射。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光學(xué)參考傳感裝置，該光學(xué)參考傳感裝置被配置用于獲得參考信號(hào)，該參考信號(hào)代表光從該光學(xué)參考傳感裝置反射或光透射穿過(guò)該光學(xué)參考傳感裝置，其中，該光學(xué)參考傳感裝置包括與該化學(xué)傳感裝置并行耦合的纖維光柵溫度傳感器。
10.一種化學(xué)傳感探針(530)，其包括化學(xué)傳感裝置(500)，該化學(xué)傳感裝置(500)包括纖維芯(12)和纖維包層(14)，其中，該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(16)，該光柵區(qū)域(16)具有被配置用于增加光(18)散發(fā)到纖維包層中的變跡輪廓，并且其中，該纖維包層被配置用于使至少一些散發(fā)的光向該纖維芯反射回；以及光學(xué)參考傳感裝置(600)，該光學(xué)參考傳感裝置(600)被配置用于獲得參考信號(hào)，該參考信號(hào)代表光從該參考傳感裝置反射或者光透射穿過(guò)該參考傳感裝置。
全文摘要
一種化學(xué)傳感裝置(10)包括纖維芯(12)和纖維包層(14)。該纖維芯包括折射率調(diào)制的光柵區(qū)域(16)，所述光柵區(qū)域(16)具有被配置用于增加光(18)散發(fā)到該纖維包層中的變跡輪廓，并且該化學(xué)傳感裝置的纖維包層被配置用于使至少一些所偏轉(zhuǎn)的光向該纖維芯反射回。該傳感裝置可適用于感測(cè)化學(xué)物質(zhì)的方法和系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1940607SQ200610141288
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者夏華, R·桂達(dá), 鄧公理 申請(qǐng)人:通用電氣公司