一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于外界環(huán)境折射率、氣體濃度等傳感測量的基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器。傳感器是由光源、單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測器依次相連而成；孔助雙芯光纖包層某一側(cè)有一個大尺寸空氣孔，光纖的一個纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。本發(fā)明利用孔助雙芯光纖作為傳感探頭部分，由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔，偏心纖芯易于裸露出來，加工成本低，制作工藝簡單，且空氣孔的隔離使裸露的纖芯表面不受破壞，表面光滑，器件插損小，對裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
【專利說明】
一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于外界環(huán)境折射率、氣體濃度等傳感測量的基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器。【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、輕巧柔軟。用一根光纖可以測量結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的參數(shù);結(jié)合時分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)，非常適于作為分布式傳感元件埋入材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面實現(xiàn)多點監(jiān)測。光纖傳感器因其所具有的諸多優(yōu)點而成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測和光纖技術(shù)研究的熱點。
[0003]隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)光纖也不斷涌現(xiàn)。為了解決降低光纖光纜的制造成本和開發(fā)高密集度大芯數(shù)光纜這兩大難題，S.1nao于1979年提出了多芯光纖的概念。多芯光纖傳感器由于體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)成材料一致，熱膨脹系數(shù)相同，對溫度表現(xiàn)出來的響應(yīng)是一樣的，因而可以避免了溫度與其他物理量的交叉敏感問題，具有自溫度補(bǔ)償?shù)戎T多的優(yōu)點。所以利用多芯光纖作為傳感元件的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。
[0004]雙芯光纖是結(jié)構(gòu)最簡單的多芯光纖。利用雙芯光纖可以實現(xiàn)定向耦合器、復(fù)用/解復(fù)用器、雙芯光纖分波/合波器、濾波器、傳感器等。普通意義的雙芯光纖，它是由兩個平行的纖芯和包圍這兩個纖芯的公共包層組成的無空氣孔輔助的實心光纖。若想讓一個纖芯裸露出來，則需要利用化學(xué)腐蝕或激光微加工技術(shù)，制作時需要精確控制腐蝕時間或激光能量，纖芯容易受到損壞。加工過的纖芯表面質(zhì)量很難保證，插損較大，很難再進(jìn)行表面2次處理。
[0005]本發(fā)明是用一種孔助雙芯光纖基于模式耦合機(jī)理實現(xiàn)物理量的測量。由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔，偏心纖芯很容易裸露出來。因而纖芯表面不受影響，器件插損小，對裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖傳感器。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0008]—種基于模式親合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，傳感器是由光源、單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測器依次相連而成;孔助雙芯光纖包層某一側(cè)有一個大尺寸空氣孔，光纖的一個纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。
[0009]所述的孔助雙芯光纖兩個纖芯均為單模，且折射率相同，偏心纖芯的直徑大于中心纖芯直徑;兩個纖芯間距離小于20微米，空氣孔直徑30-50微米。
[0010]所述的光源一側(cè)單模光纖和雙芯光纖的連接是利用單模光纖纖芯與雙芯光纖位于包層中心的纖芯直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)的。
[0011]所述的探測器一側(cè)單模光纖和雙芯光纖的連接，是單模光纖纖芯與雙芯光纖位于包層中心的纖芯直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)，或者是單模光纖纖芯與雙芯光纖偏心纖芯對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)。
[0012]所述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用化學(xué)腐蝕的方法將其裸露于外界。
[0013]所述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用激光微加工技術(shù)將其裸露于外界。
[0014]所述的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾。
[0015]所述的將偏心纖芯裸露于外界的方法構(gòu)成微流通道器件。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]1、利用孔助雙芯光纖作為傳感探頭部分，由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔， 偏心纖芯易于裸露出來，加工成本低，制作工藝簡單，且空氣孔的隔離使裸露的纖芯表面不受破壞，表面光滑，器件插損小，對裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
[0018]2、利用孔助雙芯光纖可以很方便的構(gòu)成微流通道，器件集成度高?！靖綀D說明】
[0019]圖1是孔助雙芯光纖結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2a是化學(xué)腐蝕后偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；[0021 ]圖2b是利用激光微加工技術(shù)將偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；
[0022]圖2c是利用激光微加工技術(shù)將偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；[〇〇23]圖3是基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器示意圖；
[0024]圖4是基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖折射率傳感器示意圖；
[0025]圖5是探測器一側(cè)單模光纖與雙芯光纖偏心纖芯進(jìn)行焊接示意圖；
[0026]圖6是具有微流通道的傳感器示意圖；[〇〇27]圖7a是計算的雙芯光纖能量分布圖；[〇〇28]圖7b是計算的雙芯光纖兩個纖芯中能量隨傳輸距離的變化?！揪唧w實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0030]本發(fā)明提供了一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，傳感器是由光源、 單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測器依次相連而成?？字p芯光纖包層的某一側(cè)有一個大尺寸空氣孔，光纖的一個纖芯位于包層中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。當(dāng)兩個纖芯距離較近且尺寸適當(dāng)時，兩個纖芯中的模式可以相互匹配，一個纖芯中傳輸?shù)墓饪梢员获詈系搅硪粋€纖芯。當(dāng)外界環(huán)境變化時，耦合比將發(fā)生改變，相應(yīng)的光譜也將改變，利用這一特點可以實現(xiàn)外界物理量的測量。由于偏心空氣孔的存在，可以利用腐蝕或激光微加工技術(shù)很方便的將纖芯裸露出來，進(jìn)而實現(xiàn)折射率傳感及微流控芯片。對裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變也非常方便。該傳感器制作簡單，易于與單模光纖互聯(lián)，靈敏度高，且因兩個纖芯在一個波導(dǎo)中，器件集成度高，具有溫度補(bǔ)償能力。該器件在溶液或氣體濃度、彎曲等傳感方面都將有廣泛的應(yīng)用。
[0031]一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測器依次相連而成。孔助雙芯光纖包層4的一側(cè)有一個大尺寸空氣孔3，光纖5的一個纖芯1位于包層4的中心，另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置?？字p芯光纖5的兩個纖芯1和2均為單模，兩個纖芯折射率相同。為保證兩個纖芯模式匹配，偏心纖芯2的尺寸大于中心纖芯1的尺寸。兩個纖芯間距離小于20微米，空氣孔直徑30-50微米。光源一側(cè)單模光纖6和雙芯光纖5的連接由單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)。探測器一側(cè)單模光纖6和雙芯光纖5的連接， 可以是單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接，也可以是由單模光纖纖芯與雙芯光纖偏心纖芯2對準(zhǔn)進(jìn)行焊接?？字p芯光纖的偏心纖芯2可以利用化學(xué)腐蝕或激光微加工技術(shù)在空氣孔一側(cè)加工微槽7將纖芯2裸露于外界，外露的偏心纖芯可以進(jìn)一步進(jìn)行表面化學(xué)修飾。利用化學(xué)腐蝕或激光微加工技術(shù)可以在空氣孔一側(cè)開兩個槽8,液體或氣體通過兩個槽8構(gòu)成通路，進(jìn)而構(gòu)成微流通道器件?；谀Ｊ今詈系目字p芯光纖傳感器，其工作原理是當(dāng)光源從單模光纖5注入，直接耦合進(jìn)孔助雙芯光纖纖芯1。當(dāng)兩個纖芯的模式傳播常數(shù)相同，兩個模式相互匹配。兩個纖芯距離較近時，經(jīng)過一段距離的傳輸，一個纖芯中的能量將會耦合到另一個纖芯。故當(dāng)孔助雙芯光纖的兩個纖芯模式相互匹配時，纖芯1中的能量傳輸一段距離將會耦合到纖芯2,最后輸入到單模纖進(jìn)入探測器。外界環(huán)境變化，探測器接收到的能量也將發(fā)生改變，進(jìn)而實現(xiàn)物理量的傳感測量。[〇〇32] 實施例1:[〇〇33] 結(jié)合圖1、圖2(a)、圖3-4和圖7,纖芯1和2的直徑分別為8.1和12微米，波長1.5微米，一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖折射率傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測器依次相連而成。孔助雙芯光纖5的一個纖芯1 位于包層4的中心，光纖包層4有一個大尺寸空氣孔3,另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。為保證模式匹配，纖芯1和2的折射率均為1.444,直徑分別為8.1和12 微米，芯包折射率差0.005。兩個纖芯間距離13微米，空氣孔直徑46微米。光源一側(cè)單模光纖 6的纖芯與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接。探測器一側(cè)單模光纖6的纖芯也是與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接。另用氫氟酸減薄光纖直徑(圖2(a))，腐蝕包層厚度大于9.5微米，偏芯2即可裸露出來，構(gòu)成微槽7，腐蝕長度可以是整個雙芯光纖長度，也可以是部分長度均可。若把傳感單元置于食鹽水中，待測液體會接觸偏芯，當(dāng)食鹽水的濃度變化時，液體折射率也變化，輸出單模纖的能量將發(fā)生改變，進(jìn)而實現(xiàn)折射率傳感。圖7是在1.5 微米時計算的雙芯光纖纖芯中的能量耦合圖。[〇〇34] 實施例2:
[0035]結(jié)合圖1、圖2(b)、圖5,一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖折射率傳感器，與實施例1不同的是，偏芯2是利用高頻C02激光在空氣孔一側(cè)進(jìn)行切削裸露出來的(圖2(b))。探測器一側(cè)單模光纖6的纖芯是與雙芯光纖偏心纖芯2直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接的。[〇〇36] 實施例3:
[0037]結(jié)合圖1、圖2(c)和圖6,一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖折射率傳感器，與實施例1不同的是，利用飛秒激光在空氣孔一側(cè)進(jìn)行兩次打孔(圖2(c))，將偏心纖芯2裸露出來， 形成兩個微槽8，進(jìn)而構(gòu)成微流通道器件。液體通過兩個槽8構(gòu)成通路，可以實現(xiàn)對液體、氣體等傳感測量。[〇〇38] 實施例4:
[0039]結(jié)合圖1和圖3,一種基于模式耦合的孔助雙芯光纖彎曲傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測器依次相連而成。孔助雙芯光纖5的一個纖芯1位于包層4的中心，光纖包層4有一個大尺寸空氣孔3,另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。為保證模式匹配，纖芯1和2的折射率均為1.444， 直徑分別為8.1和12微米，芯包折射率差0.005。兩個纖芯間距離13微米，空氣孔直徑46微米。光源一側(cè)單模光纖6纖芯與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接。探測器一側(cè)單模光纖6的纖芯也是與雙芯光纖中心纖芯1直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接。當(dāng)光纖彎曲時兩個纖芯中的光程改變不同，使輸出單模纖的能量將發(fā)生改變，進(jìn)而實現(xiàn)彎曲傳感。
【主權(quán)項】
1.一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:傳感器是由光源、單模光 纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測器依次相連而成;孔助雙芯光 纖包層某一側(cè)有一個大尺寸空氣孔，光纖的一個纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣 孔內(nèi)壁且距離前一個纖芯最近的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所 述的孔助雙芯光纖兩個纖芯均為單模，且折射率相同，偏心纖芯的直徑大于中心纖芯直徑； 兩個纖芯間距離小于20微米，空氣孔直徑30-50微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所 述的光源一側(cè)單模光纖和雙芯光纖的連接是利用單模光纖纖芯與雙芯光纖位于包層中心 的纖芯直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所 述的探測器一側(cè)單模光纖和雙芯光纖的連接，是單模光纖纖芯與雙芯光纖位于包層中心的 纖芯直接對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實現(xiàn)，或者是單模光纖纖芯與雙芯光纖偏心纖芯對準(zhǔn)進(jìn)行焊接實 現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所 述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用化學(xué)腐蝕的方法將其裸露于外界。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所 述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用激光微加工技術(shù)將其裸露于外界。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所述的 偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式耦合機(jī)理的孔助雙芯光纖傳感器，其特征是:所述的 將偏心纖芯裸露于外界的方法構(gòu)成微流通道器件。
【文檔編號】G01N21/41GK105954231SQ201610265797
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】關(guān)春穎, 苑婷婷, 付佳楠, 初讓, 史金輝, 苑立波
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)