光纖纖間倏逝場耦合折射率計及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種折射率傳感器設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種光纖纖間倏逝場耦合折射率計及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]折射率是液體重要的物理參數(shù)，折射率的測量在環(huán)境監(jiān)測、食品、化學(xué)等領(lǐng)域中是十分重要的。液體的折射率通常與其濃度、成分、物質(zhì)含量等參量相關(guān)，因此可以通過測量折射率的變化掌握其物理和化學(xué)性質(zhì)。傾斜光纖光柵是一種新型的光纖傳感器件，由于光柵傾角的引入，使得前向傳輸?shù)睦w芯模有效激發(fā)出后向傳輸?shù)陌鼘幽＃@些包層模具有不同的有效折射率，對環(huán)境折射率變化非常敏感，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度折射率測量。與此同時，由于纖芯模對環(huán)境折射率不敏感，可提供穩(wěn)定獨(dú)立的環(huán)境溫度變化信息，實(shí)現(xiàn)折射率測量過程中溫變自校準(zhǔn)功能。然而已報到的基于光纖光柵的折射率測量器件大多數(shù)是通過自身透射譜進(jìn)行波長解調(diào)，這些方法不但操作復(fù)雜(透射譜工作方式)，而且需要昂貴的解調(diào)儀器(波長解調(diào)方式)。上述問題不僅提高了系統(tǒng)成本，而且不易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和集成化。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)測量處理過程更加方便(尤其是對分析劑量為微升或亞微升的生物醫(yī)學(xué)試劑)，探針式的折射率傳感器是非常好的選擇，這就要求傾斜光纖光柵必須基于反射譜解調(diào)。為實(shí)現(xiàn)反射式測量，已報道的各類光纖傳感探針均基于光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造，總體思路是通過引入包層-纖芯后向耦合結(jié)構(gòu)，使傾斜光纖光柵激發(fā)的包層模再次后向耦合進(jìn)入光纖纖芯。這些方法包括:基于傾斜光纖光柵的錯位熔接方法、纖芯直徑不匹配法、長周期光柵與雙包層光纖耦合法等。然而這些基于光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造的探針式折射率測量方法耦合到的包層模光譜相對較窄，這限制了折射率的測量范圍，尤其是對于低折射率(接近1.33)的生物醫(yī)學(xué)試劑的測量，其靈敏度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種測量精度更高的光纖纖間倏逝場耦合折射率計，能夠同時實(shí)現(xiàn)溫度的測量，并且可以消除折射率和溫度的交叉敏感問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種上述折射率計的檢測方法。
[0006]本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種光纖纖間倏逝場耦合折射率計，包括光源、光纖傳感器探針以及光纖耦合器/環(huán)形器，還包括第一光電探測器、第二光電探測器和數(shù)據(jù)采集及處理模塊；
[0007]所述光纖傳感器探針包括平行布置且緊密相貼的刻有傾斜光纖光柵的光纖和D型光纖，光源通過光纖耦合器/環(huán)形器與刻有傾斜光纖光柵的光纖連接，光源發(fā)射的光通過光纖耦合器/環(huán)形器入射到傾斜光纖光柵，刻有傾斜光纖光柵的光纖通過光纖耦合器/環(huán)形器與第二光電探測器輸入端連接，光源入射到傾光纖光柵中被反射的光通過光纖耦合器/環(huán)形器傳輸給第二光電探測器；D型光纖的通過單模光纖連接第一光電探測器的輸入端，其中刻有傾斜光纖光柵的光纖和光纖耦合器/環(huán)形器連接的一端與D型光纖和第一光電探測器連接的一端在同一側(cè)；第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集及處理模塊。
[0008]優(yōu)選的，所述刻有傾斜光纖光柵的光纖與光纖耦合器/環(huán)形器連接的一端以及D型光纖與第一光電探測器連接的一端均封裝于毛細(xì)管內(nèi)，另一端均外露用于檢測。
[0009]更進(jìn)一步的，D型光纖通過其側(cè)平面緊貼刻有傾斜光纖光柵的光纖，D型光纖封裝于毛細(xì)管內(nèi)的一端與單模光纖熔接，通過單模光纖連接第一光電探測器，另一端端點(diǎn)處通過紫外固化膠與刻有傾斜光纖光柵的光纖平行固定。
[0010]優(yōu)選的，所述傾斜光纖光柵的傾角為10至25度，軸向?yàn)殚L度小于20mm ;所述D型光纖為雙包層結(jié)構(gòu)，長度為20mm，包層直徑約為114 μ m。
[0011]優(yōu)選的，所述光源輸出光譜為1480至1580nm，所述光源輸出光譜的范圍與傾斜光纖光柵包層模光譜匹配。
[0012]本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟:
[0013]S1、光纖傳感探針插入微量生物溶液中，使光纖傳感探針中刻有傾斜光纖光柵的光纖和D型光纖耦合區(qū)完全浸于待測生物溶液中；
[0014]S2、光源輸出入射光，入射光經(jīng)過光纖耦合器/環(huán)形器后進(jìn)入到光纖傳感探針中刻有傾斜光纖光柵的光纖，入射光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，包層模通過倏逝場反向耦合至D型光纖，纖芯模被傾斜光纖光柵直接沿著纖芯原路反射回去；
[0015]S3、耦合到D型光纖的倏逝場光信號輸入到第一光電探測器中，刻有傾斜光纖光柵的光纖自身纖芯反射回去的光信號經(jīng)光纖耦合器/環(huán)形器后輸入到第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器分別將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；
[0016]S4、數(shù)據(jù)采集與處理模塊分別從第一光電探測器和第二光電探測器中讀取電信號，根據(jù)第一光電探測器中讀取到的電信號能量強(qiáng)度得出生物溶液的折射率，根據(jù)第二光電探測器中讀取到的電信號能量強(qiáng)度得出生物溶液的溫度變化信息。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S2中，入射光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，通過倏逝場反向耦合至D型光纖的包層模光譜寬度大于等于30nm，信噪比大于等于30dB。
[0018]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0019](I)本發(fā)明以刻有傾斜光纖光柵的光纖和D型光纖耦合結(jié)構(gòu)作為傳感單元，光源發(fā)送的入射光進(jìn)入刻有傾斜光纖光柵的光纖，入射光經(jīng)過傾斜光纖光柵后，在光纖包層里產(chǎn)生向后傳輸?shù)陌鼘幽?，這些包層模通過倏逝場耦合到D型光纖，然后采用第一光電探測器將通過倏逝場反向耦合到D型光纖的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并且獲取到電信號的強(qiáng)度，數(shù)據(jù)采集及處理模塊根據(jù)電信號的強(qiáng)度得到生物溶液的折射率。本發(fā)明基于纖間倏逝場耦合的方式，獲得了更寬的高階包層模光譜，從而使該發(fā)明更適合低折射率(折射率在1.33附近)的生物溶液的測量，提高折射率測量精度的同時也擴(kuò)大了折射率的測量范圍。
[0020](2)本發(fā)明折射率計能夠?qū)崿F(xiàn)折射率和溫度信息的同時測量，通過測量反向耦合到D型光纖的纖間倏逝場信號能量強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)折射率測量，同時通過測量傾斜光纖光柵反射的纖芯模信號能量實(shí)現(xiàn)溫度測量。由于纖芯模對環(huán)境折射率不敏感，因此本發(fā)明的折射率計可以消除折射率和溫度的交叉敏感問題。
[0021](3)本發(fā)明折射率計采用光強(qiáng)度解調(diào)方式，通過兩個光電探測器分別獲取傾斜光纖光柵反射的纖芯模光信號和反向耦合到D型光纖的纖間倏逝場光信號，并且轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過數(shù)據(jù)采集及處理模塊獲取到電信號強(qiáng)度，因此本發(fā)明不需要光纖濾波器件，與其它波長解調(diào)方案相比，本發(fā)明大大降低了解調(diào)成本和器件體積，利于測量系統(tǒng)的小型化與集成化。
[0022](4)本發(fā)明折射率計為探針式測量方式，傳感探頭尺寸小，適合于微量生物溶液檢測。
[0023](5)本發(fā)明折射率計與傳統(tǒng)電類傳感器相比，采用光纖技術(shù)，具有不受電磁干擾、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且不存在電火花等安全隱患。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明折射率計的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖2是本發(fā)明折射率計中光纖傳感器探針示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明折射率計中光纖傳感器探針工作原理圖。
[0027]圖4是本發(fā)明光纖傳感器探針置于空氣中時，得到的傾斜光纖光柵輸出的透射譜圖和從刻有傾斜光纖光柵的光纖包層模耦合到D型光纖6的反向耦合譜圖。
[0028]圖5a是本發(fā)明不同折射率和反向耦合至D型光纖6的能量強(qiáng)度關(guān)系圖。
[0029]圖5b是本發(fā)明不同折射率下的反向親合至D型光纖6的反向親合光譜圖。
[0030]圖6a是本發(fā)明不同折射率與傾斜光纖光柵反射的纖芯模能量強(qiáng)度關(guān)系圖。
[0031]圖6b是本發(fā)明不同折射率下的纖芯模光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0033]實(shí)施例
[0034]如圖1所示，本實(shí)施例公開了一種光纖纖間倏逝場耦合折射率計，包括光源1、光纖傳感器探針、光纖環(huán)形器2、第一光電探測器8、第二光電探測器9和數(shù)據(jù)采集及處理模塊10 ;其中光纖傳感器探針包括平行布置且緊密相貼的刻有傾斜光纖光柵的光纖4和D型光纖6，光源I通過光纖環(huán)形器2與刻有傾斜光纖光柵的光纖4連接，光源I發(fā)射的光通過光纖環(huán)形器2入射到傾斜光纖光柵，刻有傾斜光纖光柵的光纖4通過光纖環(huán)形器2與第二光電探測9器輸入端連接，光源I入射到傾光纖光柵中被反射的光通過光纖環(huán)形器2傳輸給第二光電探測器9，即光纖環(huán)形器2的輸入端連接光源1，輸出端連接刻有傾斜光纖光柵的光纖4，返回端連接第二光電探測器9 ;D型光纖6的一端通過單模光纖7連接第一光電探測器8的輸入端，其中刻有傾斜光纖光柵的光纖4和光纖環(huán)形器2連接的一端與D型光纖6和第一光電探測器8連接的一端在同一側(cè)；第一光電探測器8和第二光電探測器9的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集及處理模塊10。
[0035]本實(shí)施例刻有傾斜光纖光柵的光纖6與光纖環(huán)形器2連接的一端以及D型光纖6與第一光電探測器8連接的一端均封裝于毛細(xì)管3內(nèi)，通過毛細(xì)管3對刻有傾斜光纖光柵的光纖4和D型光纖6進(jìn)行固定，另一端均外漏用于插入到生物溶液中進(jìn)行檢測。
[0036]如圖2所示，本實(shí)施例D型光纖6通過其側(cè)平面緊貼刻有傾斜光纖光柵的光纖4，D型光纖6封裝于毛細(xì)管3內(nèi)的一端與單模光纖7熔接，通過單模光纖7連接第一光電探測器8，另一端端點(diǎn)處通過紫外固化膠5與