專利名稱：一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖折射率傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
折射率傳感用于探測外界環(huán)境的折射率的變化，由于折射率是物質(zhì)的基本屬性， 它在物理、生物、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域是一個重要的參數(shù)，因此折射率傳感對環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)藥開發(fā)、臨床檢驗等相關(guān)領(lǐng)域有重要的意義和用途。光纖折射率傳感器以其靈敏度高、抗電磁干擾能力強、響應(yīng)速度快、抗生化腐蝕、體積小、重量輕、無毒、操控靈活方便以及低能量損耗的遠(yuǎn)距離傳輸能力等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)方法包括掠入射法、衍射光柵法、寬帶吸收光譜法等不足，其發(fā)展一直受到人們的關(guān)注。許多光纖型折射率傳感器應(yīng)運而生，其實現(xiàn)原理包括表面等離子體、長周期光柵、模間干涉、微流控多孔光纖等多種類型。近年來微納光纖吸引了人們的研究興趣，由于微納光纖具有強消逝場效應(yīng)，對折射率傳感有著先天的優(yōu)勢，提出的實現(xiàn)方法包括微納光纖環(huán)形結(jié)、布拉格光柵、長周期光柵、傳輸能量檢測等，然而這些方法的傳感靈敏度目前仍受到很大的局限，例如文獻“Fei Xu, Valerio Pruneri, Vittoria Finazzi, Gilberto Brambilia. An embedded optical nanowire loop resonator refractometric sensor.Optics Express，2008，16 (2) 1062-1067. ”提出將微納光纖打成環(huán)形結(jié)并用聚合物封裝，這種方法制作工藝較復(fù)雜，理論獲得靈敏度為700nm/RIU(單位折射率)。又如文獻“X. Fang，C. R. Liao, D.N.Wang. Femtosecond laser fabricated fiber Bragg grating in microfiber for refractive index sensing. Optics Letters, 2010, 35 (7) : 1007-1009. ” 利用飛秒激光器在微納光纖上刻寫布拉格光柵制作折射率傳感器，測量獲得的靈敏度最大為234. lnm/RIU。再如文獻 "Haifeng Xuan,Wei Jin,and Shujing Liu. Long-period gratings in wavelength-scale microfibers. Optics Letters, 2010, 35 (1) :85-87. ”利用飛秒激光刻寫技術(shù)在微納光纖中寫入長周期光柵，測量的靈敏度達到1900nm/RIU，靈敏度稍低且飛秒激光昂貴，另外飛秒激光刻寫技術(shù)對光纖結(jié)構(gòu)有破壞作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器，利用雙折射微納光纖的獨特的雙折射及其色散效應(yīng)，獲得現(xiàn)有方法中所無法達到的超高靈敏度。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器的制備方法， 使之具有更高的折射率傳感靈敏度，可以實現(xiàn)對外界環(huán)境折射率微變量的實時傳感和快速檢測。為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明高靈敏度微納光纖折射率傳感器，包括沿光傳輸路徑順序連接的寬帶光源、光纖環(huán)形鏡和光譜分析儀，其中光纖環(huán)形鏡包括沿光傳輸路徑連接的光纖耦合器、雙折射微納光纖和第一偏振控制器；由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器進入光纖環(huán)形鏡后，形成兩個相反方向傳播的光束，其中一束依次經(jīng)過第一偏振控制器和雙折射微納光纖，另一束則依次經(jīng)過雙折射微納光纖和第一偏振控制器，這兩束光產(chǎn)生偏振相位差，經(jīng)光纖耦合器合波后形成偏振干涉光譜，最后由光譜分析儀檢測輸出。所述雙折射微納光纖通常在具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)包層的光纖上， 采用傳統(tǒng)光纖熔拉技術(shù)，對光纖進行高溫加熱和熔融拉錐，使橫截面的最長邊尺寸小于 IOym,兩端熔接標(biāo)準(zhǔn)光纖，連接各種光纖儀器。優(yōu)選的，所述光纖環(huán)形鏡還包括第二偏振控制器和保偏光纖，所述光纖耦合器、第一偏振控制器、雙折射微納光纖、第二偏振控制器及保偏光纖沿光傳輸路徑順序連接，所述第二偏振控制器用于調(diào)節(jié)干涉光譜的疏密程度，所述保偏光纖作為參考光纖，可以提高傳感器的靈敏度。優(yōu)選的，所述保偏光纖是雙折射微納光纖、熊貓型保偏光纖、領(lǐng)結(jié)型保偏光纖、橢圓型保偏光纖或保偏光子晶體光纖。優(yōu)選的，所述光纖耦合器分光比通常為50% 50%。優(yōu)選的，所述雙折射微納光纖的橫截面為矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)。所述雙折射微納光纖包括光纖纖芯和將所述光纖纖芯包圍的光纖包層。所述光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。為了達到上述另一目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器的制備方法，包括以下步驟(1)、選取雙折射微納光纖，所述雙折射微納光纖的橫截面結(jié)構(gòu)為矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)；O)、采用光纖耦合器，將光纖耦合器同側(cè)的兩個端口分別連接寬帶光源和光譜分析儀；(3)、所述光纖耦合器另一側(cè)的兩個端口間連接雙折射微納光纖和偏振控制器后組成閉合光路，從而構(gòu)成包含微納光纖的光纖環(huán)形鏡。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果1、本發(fā)明提出了一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器，采用二重對稱結(jié)構(gòu)的雙折射微納光纖，利用其獨特的雙折射及雙折射色散特性，實現(xiàn)了超高靈敏度的折射率傳感，本發(fā)明突破了現(xiàn)有方案對靈敏性的限制，其靈敏度可達5000 lOOOOOnm/RIU。2、本發(fā)明與傳統(tǒng)光學(xué)折射率傳感方法相比，具有體積小、重量輕、可與光纖系統(tǒng)兼容、可遠(yuǎn)距離監(jiān)測等優(yōu)點。3、本發(fā)明與其它光纖型折射率傳感方法相比，具有尺寸更小、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成、反應(yīng)速度快等優(yōu)點。4、本發(fā)明與現(xiàn)有微納光纖型折射率傳感技術(shù)相比，具有更高的靈敏度(靈敏度可提高一個數(shù)量級以上)，且測量穩(wěn)定性好。5、本發(fā)明避免了將待測物質(zhì)裝進光纖微孔結(jié)構(gòu)之中，而直接將傳感光纖置于待測物質(zhì)之中傳感，實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確傳感，因此具有巨大的應(yīng)用潛力。


圖1是基于偏振干涉的微納光纖折射率傳感器；圖2是雙折射微納光纖橫截面示意圖；圖3是傳感光纖與待測物質(zhì)分界面的示意圖；圖4是應(yīng)用本發(fā)明的傳感器進行折射率溶液的測量數(shù)據(jù)與理論計算曲線；圖5是改進后的微納光纖折射率傳感器；圖6是不同參考光纖長度的透射譜對應(yīng)的波長與折射率的關(guān)系。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器包括沿光傳輸路徑順序相連的寬帶光源1、分光比為50% 50%的光纖耦合器2、雙折射微納光纖3、第一偏振控制器4和光譜分析儀5，其中光纖耦合器2、雙折射微納光纖3和第一偏振控制器4構(gòu)成光纖環(huán)形鏡； 由寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器2進入光纖環(huán)形鏡后，形成兩個相反方向傳播的光束， 其中一束依次經(jīng)過第一偏振控制器4和雙折射微納光纖3，另一束則依次經(jīng)過雙折射微納光纖3和第一偏振控制器4，這兩束光產(chǎn)生偏振相位差，通過調(diào)節(jié)第一偏振控制器4，經(jīng)光纖耦合器2合波后形成偏振干涉光譜，出射光譜經(jīng)光譜分析儀5檢測輸出，改變雙折射微納光纖3周圍待測物質(zhì)的折射率，計算干涉光譜的波長漂移量，進而推斷出待測物質(zhì)折射率的變化。圖2是本發(fā)明的雙折射微納光纖3的橫截面示意圖，它包括摻鍺光纖纖芯6和由二氧化硅材料制成的光纖包層7，光纖纖芯6為圓形結(jié)構(gòu)，光纖包層7為矩形結(jié)構(gòu)，它設(shè)置在光纖纖芯6的四周，將光纖纖芯6包圍；典型光纖包層的最長邊尺寸不超過10 μ m。光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。在圖3中，示意了傳感光纖與待測物質(zhì)的分界面，8表示微納光纖傳感段，9表示待測物質(zhì)，10表示待測物質(zhì)與外界環(huán)境的分界面，11表示光纖封裝位置。圖4表示實驗測量得到出射光譜的波谷位置對應(yīng)的波長與折射率的關(guān)系，在本實例中，將微納光纖置于蔗糖溶液當(dāng)中，通過調(diào)整蔗糖濃度以改變?nèi)芤旱恼凵渎?，在圖4中， 圓圈表示實例測量數(shù)據(jù)點，實線表示由下述方程(1)得到的數(shù)值擬合曲線，可見測量值能很好地與理論值相符合；在測量中，波長隨著折射率增大而增大，在水溶液附近即折射率 1. 333 左右，實驗獲得的靈敏度分別為 12511nm/RIU，13441nm/RIU, 18987nm/RIU, 18677nm/ RIU，最大靈敏度達到18987nm/RIU。實施例2上述實施例1的高靈敏度微納光纖折射率傳感器可做如下改進，如圖5所示為改進后的折射率傳感器，與圖1不同的是，在微納光纖的一側(cè)通過標(biāo)準(zhǔn)光纖依次連接一個第二偏振控制器12和保偏光纖13，該保偏光纖13作為參考光纖，在本實例中為領(lǐng)結(jié)型保偏光纖，通過調(diào)節(jié)第二偏振控制器12可調(diào)節(jié)干涉光譜的疏密程度，我們將干涉光譜調(diào)成疏的狀態(tài)，對應(yīng)兩個雙折射光纖引起偏振相位差相減的情況，如下文方程C3)所示，同時調(diào)節(jié)第一偏振控制器4以增強干涉譜圖的消光比便于測量。圖6給出了不同領(lǐng)結(jié)光纖長度測得的出射譜波谷位置對應(yīng)的波長與折射率的關(guān)系，其中離散點表示測量的結(jié)果，實線則表示采用二次方程擬合的結(jié)果，圖中分別給出了有參考光纖和無參考光纖時的數(shù)據(jù)測量和理論擬合，結(jié)果表明在波長1550附近，無參考光纖時傳感器的折射率靈敏度為7151nm/RIU，而在保偏光纖長度為4. 7cm和10. 8cm時，對應(yīng)折射率靈敏度分別為^065nm/RIU和-16196nm/RIU，可見加入?yún)⒖脊饫w后其絕對靈敏度得到大幅提高，與理論預(yù)測相符。本發(fā)明高靈敏度微納光纖折射率傳感器的制備方法，包括下述步驟(一 )、選取微納光纖，所述微納光纖橫截面結(jié)構(gòu)為矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)的雙折射微納光纖，經(jīng)過光纖橫截面中心的最長邊和最短邊的長度比值為1. 05 5. 0，它們的尺寸為IOnm 10 μ m;該微納光纖是在具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)包層的光纖上，利用常規(guī)光纖熔拉技術(shù)，對光纖進行高溫加熱和熔融拉錐制作而成；所述微納光纖的兩端熔接標(biāo)準(zhǔn)光纖，連接各種光纖儀器。( 二 )、將步驟(一)的雙折射微納光纖熔接到光纖環(huán)形鏡上，具體是采用光纖耦合器(分光比通常為50% 50%)，光纖耦合器同側(cè)的兩個端口分別連接寬帶光源和光譜分析儀，另一側(cè)的兩個端口之間依次連接雙折射微納光纖和偏振控制器后組成閉合光路， 從而構(gòu)成包含微納光纖的光纖環(huán)形鏡，即為微納光纖折射率傳感器，由于雙折射微納光纖的雙折射效應(yīng)，在光纖中傳輸光波的兩個偏振態(tài)產(chǎn)生光程差，調(diào)整偏振控制器的狀態(tài)，即可在光譜分析儀得到偏振干涉譜圖。在上述光纖環(huán)形鏡中，由于雙折射效應(yīng)引起偏振干涉的透射譜表示為T = 8 ι2(Φ/2)，其中Φ是偏振相位差，表示為Φ = (2 π / λ )BL(1)其中，λ是光波長，B = Hi-Iij是微納光纖雙折射，Iii^nj分別是波導(dǎo)兩個偏振模式的有效折射率，L是微納光纖的長度。為理論計算波長隨折射率的變化率，在方程(1)中， 假設(shè)相位差Φ不變，折射率的微變量Δη將引起雙折射改變，從而波長發(fā)生漂移，同時考慮光纖的雙折射色散效應(yīng)θΒ/θλ，對方程(1)進行微分操作，得到靈敏度公式為
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，包括沿光傳輸路徑順序連接的寬帶光源、光纖環(huán)形鏡和光譜分析儀，其中光纖環(huán)形鏡包括沿光傳輸路徑順序連接的光纖耦合器、第一偏振控制器和雙折射微納光纖；由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器進入光纖環(huán)形鏡后，形成兩個相反方向傳播的光束，其中一束依次經(jīng)過第一偏振控制器和雙折射微納光纖，另一束則依次經(jīng)過雙折射微納光纖和第一偏振控制器，這兩束光產(chǎn)生偏振相位差， 經(jīng)光纖耦合器合波后形成偏振干涉光譜，最后由光譜分析儀檢測輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述光纖環(huán)形鏡還包括第二偏振控制器和保偏光纖，所述光纖耦合器、第一偏振控制器、雙折射微納光纖、第二偏振控制器及保偏光纖沿光傳輸路徑順序連接，所述第二偏振控制器用于調(diào)節(jié)干涉光譜的疏密程度，所述保偏光纖作為參考光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述保偏光纖是雙折射微納光纖、熊貓型保偏光纖、領(lǐng)結(jié)型保偏光纖、橢圓型保偏光纖或保偏光子晶體光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述光纖耦合器分光比為50% 50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述雙折射微納光纖包括光纖纖芯和將所述光纖纖芯包圍的光纖包層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述光纖包層橫截面為矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的高靈敏度微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)、選取雙折射微納光纖，所述雙折射微納光纖的橫截面結(jié)構(gòu)為矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)；O)、采用光纖耦合器，將光纖耦合器同側(cè)的兩個端口分別連接寬帶光源和光譜分析儀；(3)、所述光纖耦合器另一側(cè)的兩個端口間依次連接雙折射微納光纖和第一偏振控制器后組成閉合光路，從而構(gòu)成包含雙折射微納光纖的光纖環(huán)形鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度微納光纖折射率傳感器及其制備方法，該傳感器包括沿光傳輸路徑順序連接的寬帶光源、光纖環(huán)形鏡和光譜分析儀，其中光纖環(huán)形鏡包括沿光傳輸路徑連接的光纖耦合器、雙折射微納光纖和偏振控制器；由寬帶光源發(fā)出的光進入光纖環(huán)形鏡后，所形成的兩個相反方向傳播的光經(jīng)雙折射微納光纖產(chǎn)生偏振相位差，經(jīng)偏振控制器后形成偏振干涉，最后由光譜分析儀檢測輸出。本發(fā)明采用雙折射微納光纖進行傳感，該光纖具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)，利用其獨特的雙折射及雙折射散射效應(yīng)，得到的偏振干涉譜圖隨周圍折射率的變化而變化，獲得超高傳感靈敏度。
文檔編號G01N21/45GK102410990SQ20111021786
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 孫立朋, 李 杰, 金龍 申請人:暨南大學(xué)