專利名稱：一種微納光纖折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于亞波長(zhǎng)直徑微納光纖光柵的高靈敏 度折射率傳感器。
背景技術(shù)：
折射率傳感在氣體和水溶液樣品測(cè)量以及大飛機(jī)符合材料固化監(jiān)測(cè)中都有重要 的意義，折射率的測(cè)量在基礎(chǔ)研究、化學(xué)分析、環(huán)境污染評(píng)估、醫(yī)療診斷和食品工業(yè)等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)對(duì)周圍介質(zhì)折射率變化具有很高的靈敏度，但是 LPG多諧振峰和傳輸峰帶寬大限制了折射率測(cè)量的準(zhǔn)確性，有報(bào)道通過蝕刻光纖布拉格光 柵(FBG)利用倏逝場(chǎng)光波導(dǎo)來測(cè)量介質(zhì)的折射率，可達(dá)到很高的靈敏度，但這種方法在蝕 刻增加靈敏度的同時(shí)降低了傳感器的機(jī)械強(qiáng)度?；谫渴艌?chǎng)光波導(dǎo)的傳感器在過去的幾年里已經(jīng)得到了廣泛的研究，并且在傳感 應(yīng)用中發(fā)揮著重大的作用。亞波長(zhǎng)直徑微納光纖是指光纖直徑小于傳輸波長(zhǎng)在微米或納米 量級(jí)的光纖，微納光纖表現(xiàn)出一些不同于普通光纖的光學(xué)特性。亞波長(zhǎng)直徑微納光纖大比 例倏逝波傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性，使得微納光纖對(duì)附近及表面介質(zhì)的變化非常敏感，具有極高的 靈敏度。本發(fā)明結(jié)合微納光纖倏逝場(chǎng)傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性和FBG強(qiáng)波長(zhǎng)選擇特性，提出一種基 于微納光纖光柵的高靈敏度折射率傳感器。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、體積小等優(yōu) 點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的微納光纖折射率傳 感器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種微納光纖折射率傳感器，其特征在于，傳感 單元為直徑小于傳輸波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)直徑微納光纖，所述微納光纖上刻寫均勻布拉格光柵， 光源經(jīng)過環(huán)形器連接所述傳感單元，環(huán)形器的另一端連接光譜分析儀。優(yōu)選的，所述微納光纖的纖芯半徑為0. 3 1 μ m。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述布拉格光柵采用相位掩模法刻寫。本發(fā)明的測(cè)量原理如下根據(jù)光纖布拉格光柵的耦合方程，光纖光柵的布拉格反射波長(zhǎng)λΒ，表示為λΒ = 2neffA (1)其中nrff為光纖光柵傳導(dǎo)模的有效折射率，數(shù)值與光纖光柵區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)、纖芯 材料及包層材料的折射率等相關(guān)，A為光柵周期常數(shù)。光纖布拉格光柵并不直接暴露在周圍介質(zhì)中，其本身對(duì)外界折射率的變化并不具 有靈敏性。亞波長(zhǎng)直徑微納光纖沒有芯包結(jié)構(gòu)，光纖僅由纖芯部分組成，包層即為外部介 質(zhì)，利用微納光纖倏逝場(chǎng)傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性，微納光纖直徑一定，傳輸模以一定的比例以倏逝場(chǎng)的形式在光纖外的介質(zhì)中傳輸，因此對(duì)外部介質(zhì)的折射率變化非常靈敏。本發(fā)明中將微納光纖的倏逝場(chǎng)特性和光柵的波長(zhǎng)選擇特性結(jié)合起來，把刻寫有布 拉格光柵的微納光纖作為折射率傳感器的傳感單元。將傳感單元暴露或者浸入到被測(cè)溶液 中，如圖1所示原理圖，當(dāng)溶液的折射率發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)改變傳導(dǎo)模的有效折射率，進(jìn)而 引起光柵中心波長(zhǎng)的漂移，通過監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)的改變實(shí)現(xiàn)折射率的高靈敏度測(cè)量。當(dāng)外界被測(cè)溶液的折射率增大時(shí)，傳導(dǎo)模的有效折射率隨之增加，從而引起布拉 格光柵的中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方面漂移。微納光纖的直徑越小，纖芯外倏逝場(chǎng)的比例越大，對(duì) 外界溶液的折射率變化就越靈敏，因而減小微納光纖的直徑可以極大的提高折射率傳感器 的靈敏度。本發(fā)明在已有通過蝕刻光纖布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)量的傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行 改進(jìn)，是結(jié)合微納光纖倏逝場(chǎng)的特性和光柵的強(qiáng)波長(zhǎng)選擇特性的一種波長(zhǎng)調(diào)制型光學(xué)傳感 器，不受電磁干擾、靈敏度高、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性高。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。圖1為本發(fā)明所用傳感器原理圖。圖2為本發(fā)明所用傳感器裝置。圖3為纖芯半徑為1 μ m微納光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨外界被測(cè)溶液折射率變 化關(guān)系曲線。圖4為纖芯半徑為0. 6 μ m微納光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨外界被測(cè)溶液折射率 變化關(guān)系曲線。圖5為纖芯半徑為0. 3 μ m微納光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨外界被測(cè)溶液折射率 變化關(guān)系曲線。其中，1、寬譜光源輸入，2、光柵反射譜，3、光柵透射譜，4、微納光纖，5、光柵周期性 結(jié)構(gòu)，6、微納光纖倏逝場(chǎng)，7、寬譜光源(ASE)，8、傳感單元，9、光譜分析儀(OSA)，10、被測(cè)溶 液，11、環(huán)形器。
具體實(shí)施例方式微納光纖采用火焰加熱一步拉伸的方法拉制而成，將去掉涂覆層的固定在電動(dòng)平 移臺(tái)上，采用氫氣火焰來加熱裸光纖，裸光纖加熱處于熔融狀態(tài)，通過控制兩端步進(jìn)電機(jī)的 速度和行程得到所需尺寸的微納光纖。在微納光纖上利用相位掩模法刻寫均勻布拉格光柵構(gòu)成傳感器的傳感元件。本發(fā)明的傳感器的具體組裝方法如圖2所示。將寬譜光源的光經(jīng)過一個(gè)環(huán)形器后 輸入到刻有布拉格光柵的微納光纖中，微納光纖反射光經(jīng)過環(huán)形器輸出到光譜分析儀。本發(fā)明在具體測(cè)量待測(cè)溶液折射率時(shí)，將傳感器的傳感單元浸入到被測(cè)溶液中， 當(dāng)溶液的折射率發(fā)生變化時(shí)，光譜儀顯示的中心波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生漂移，記錄中心波長(zhǎng)的數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)溶液折射率的測(cè)量。本發(fā)明的高靈敏度折射率傳感器，在理論上對(duì)其傳感特性進(jìn)行分析，折射率傳感 器的靈敏度隨著微納光纖的尺寸發(fā)生變化，如圖3所示，隨著周圍介質(zhì)折射率的增加，微納FBG的中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。當(dāng)周圍介質(zhì)折射率比較小時(shí)，中心波長(zhǎng)的變化比較緩 和，隨著周圍介質(zhì)折射率的繼續(xù)增加接近于纖芯材料的折射率時(shí)，中心波長(zhǎng)的增加速率加 快且接近于線性變化。同時(shí)，微納光纖芯徑越小，中心波長(zhǎng)隨周圍介質(zhì)折射率的變化越快， 并且可測(cè)量的線性區(qū)域越大。由此可知，微納光纖的芯徑越小，微納尺度光纖布拉格光柵的 折射率傳感的靈敏度就越高，且更容易實(shí)現(xiàn)折射率的線性測(cè)量。本發(fā)明中當(dāng)光纖半徑為lym，如圖3所示中心波長(zhǎng)隨周圍介質(zhì)折射率的變化，在 折射率值為1. 43，折射率傳感的靈敏度為946. 7nm/RIU ；當(dāng)光纖半徑為0. 6 μ m如圖4所示， 在折射率值為1. 43，折射率傳感靈敏度為1027nm/RIU ；當(dāng)光纖半徑減小到0. 3 μ m如圖5所 示，折射率傳感近似于線性，靈敏度可達(dá)到1089. 9nm/RIU。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種微納光纖折射率傳感器，其特征在于，傳感單元為直徑小于傳輸波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng) 直徑微納光纖，所述微納光纖上刻寫均勻布拉格光柵，光源經(jīng)過環(huán)形器連接所述傳感單元， 所述環(huán)形器的另一端連接光譜分析儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述微納光纖的纖 芯半徑為ο. 3 ιm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述布拉格光柵采 用相位掩模法刻寫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微納光纖光柵的高靈敏度折射率傳感器，傳感單元為直徑小于傳輸波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)直徑微納光纖，并在微納光纖刻寫均勻布拉格光柵，寬譜光源經(jīng)過環(huán)形器連接傳感單元微納光纖光柵，環(huán)形器的另一端接光譜分析儀。利用微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性和光纖光柵的波長(zhǎng)選擇特性，可通過測(cè)量光柵中心波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍介質(zhì)折射率變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)。本發(fā)明測(cè)量靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102141513SQ20101061438
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者劉德明, 孫琪真, 李曉磊, 梁瑞冰, 沃江海 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)