專利名稱：細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，可以
在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域用于檢測(cè)抗體-抗原、化學(xué)試劑濃度、污水ra等多 種物質(zhì)及特性。
背景技術(shù)：
光纖傳感器是一種新型的傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小，質(zhì)量輕， 抗電磁干擾，靈敏度高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，特別是全光纖型的傳感器，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組 成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。按照光纖傳感器中是否基于光柵結(jié)構(gòu)，光纖傳感 器可以分為光纖光柵傳感器和非光柵型光纖傳感器。 光纖光柵傳感器是已經(jīng)成為廣泛使用的傳感器，它分為兩種，一種基于光纖布拉 格光纖光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)，是一種窄帶的反射型的傳感器；另一種基于長(zhǎng)周 期光纖光柵(Long-Period Fiber Grating, LPG)，是一種透射型的帶阻傳感器。這兩種傳 感器可以運(yùn)用于應(yīng)力，彎曲，等領(lǐng)域，同時(shí)也具有較高的信噪比。但其溫度穩(wěn)定性較低，因此 存在溫度干擾，特別是長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，對(duì)溫度更為敏感，其溫度響應(yīng)大約為0. 1 0. 3nm廣C，這大大降低了傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度。另外，普通光纖光柵在大于30(TC的環(huán) 境下就開始退火，因此不利于在高溫環(huán)境下工作。 而非光柵型的光纖干涉儀傳感器，由于其簡(jiǎn)單的制作工藝，低廉的成本以及較高 的溫度穩(wěn)定性，已經(jīng)吸引越來越多的學(xué)者，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。這類傳感器設(shè)計(jì)思 想是構(gòu)造一個(gè)光纖型模式干涉儀，由此激發(fā)傳輸光的高階包層模式，并使高階包層模和芯 模之間具有穩(wěn)定的光程差并最后進(jìn)行干涉，從而形成對(duì)外界待測(cè)量敏感的干涉儀傳感器。 但現(xiàn)有的光纖型模式干涉儀都存在制作工藝復(fù)雜，原材料特殊，機(jī)械強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種制作簡(jiǎn)單、高機(jī)械強(qiáng)度、低溫度 敏感性的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器。該傳感器利用光纖熔接處的細(xì)芯光纖來激發(fā)高階模 式，并作為模式耦合器，從而形成對(duì)外界待測(cè)物質(zhì)敏感的干涉儀傳感器。 本發(fā)明包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行 器；寬帶光源通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I 口光連接，光譜分析儀通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與 環(huán)行器的III 口光連接，細(xì)芯單模光纖的一端通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II 口光連接， 細(xì)芯單模光纖的另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100 ii m《d《200 ii m。
與環(huán)行器的II 口光連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。
本發(fā)明細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器工作原理為光在單模光纖中是單模傳輸?shù)模?只存在芯層傳輸?shù)幕！．?dāng)光傳入細(xì)芯光纖后，由于纖芯大小不同，導(dǎo)致光無法再單模傳 輸，高階包層模式被激發(fā)。由于不同的高階包層模式在光纖內(nèi)傳輸時(shí)有效折射率不一樣，因 此，不同模式的光經(jīng)細(xì)芯光纖端面反射膜的反射后，到達(dá)單模光纖時(shí)，和芯層傳輸?shù)幕０l(fā)生干涉，從而形成局部的相長(zhǎng)干涉和相消干涉。對(duì)某個(gè)具體透射谷的相消干涉條件可以表 達(dá)為2兀[《(義)—《(義,"加)]麥=(2A: + l);r ( 1 )
乂D 其中，A。是相消干涉波長(zhǎng)，rwr是芯層的有效折射率，r^fd'J是第j階包層模的
有效折射率，nrat是外界物質(zhì)的折射率，L是細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度，k是整數(shù)。 細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的干涉圖樣反應(yīng)了傳感特性。因?yàn)樾纬傻木植肯嚅L(zhǎng)干
涉和相消干涉取決于細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度和激發(fā)出的高階模式，當(dāng)外界折射率改變時(shí)，高階模
式的特性將隨之改變，從而影響傳感器的干涉圖樣。此傳感器對(duì)外界折射率的響應(yīng)可以表
示為
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其中，Ar^f是芯層模式和基模的有效折射率差。作為傳感器，溫度穩(wěn)定性是一個(gè) 重要參數(shù)，本發(fā)明提出的細(xì)芯光纖模式干涉儀的溫度性應(yīng)可以表示為<formula>formula see original document page 4</formula>
本發(fā)明的傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，不像光纖光柵傳感器需要包括激光器在內(nèi)的一整 套光柵刻寫系統(tǒng)，僅僅需要一套光纖熔接設(shè)備和兩種不同芯徑的單模光纖。鑒于本發(fā)明具 有很高的折射率敏感性和溫度穩(wěn)定性，因此可以在此傳感器上鍍上生物敏感膜，pH敏感高 分子膜等物質(zhì)，來檢測(cè)特定的生物分子或者水溶液pH值等。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為不同細(xì)芯光纖長(zhǎng)度的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的干涉圖； 圖3為本發(fā)明的溫度響應(yīng)特性圖； 圖4為本發(fā)明對(duì)外界折射率的響應(yīng)特性圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明 如圖1所示，細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器包括細(xì)芯單模光纖5、反射膜6、寬帶光源 1、光譜分析儀2和環(huán)行器4 ;寬帶光源1通過第一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-1與環(huán)行器6的I 口光 連接，光譜分析儀5通過第二標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-2與環(huán)行器6的III 口光連接，細(xì)芯單模光纖 2 (如，Nufern 460-HP，芯徑約3 y m，截止波長(zhǎng)450nm) —端通過第三標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3_3 (如， Corning SMF-28，芯徑約8 y m)與環(huán)行器4的II 口光連接，另一端設(shè)置厚度為200 y m的反 射膜3。 連接一起的第三標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-3和細(xì)芯單模光纖5同軸設(shè)置，兩者之間采用熔 接技術(shù)連接，反射膜是由濺射機(jī)濺射所形成。寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入環(huán)行器4的I 口后， 由II 口出射，經(jīng)細(xì)芯單模光纖末端的反射膜反射后進(jìn)入環(huán)行器4的I1 口，并由III 口出射， 光譜分析儀2接收并分析此干涉信號(hào)。
因?yàn)樵搨鞲衅髦屑?xì)芯光纖的長(zhǎng)度將會(huì)影響干涉圖樣，在傳感器的制作過程中，接 入不同長(zhǎng)度的細(xì)芯光纖，其干涉特性如圖2所示，其中，(a)細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為lcm、 (b) 細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為2cm、 (c)細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為3cm。因此可以通過改變細(xì)芯單模光纖 的長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)特殊傳輸波長(zhǎng)和帶寬的傳感器。 溫度響應(yīng)特性是傳感器很重要的一個(gè)指標(biāo)，直接關(guān)系到其工作的穩(wěn)定性。本發(fā)明 使用一個(gè)可編程的控溫爐測(cè)試了接入lcm長(zhǎng)細(xì)芯單模光纖的傳感器樣本的溫度穩(wěn)定性。如 圖3所示，相消干涉波長(zhǎng)的位置隨著溫度的上升向長(zhǎng)波方向漂移，而且兩者呈現(xiàn)一個(gè)良好 的線性關(guān)系。其溫度穩(wěn)定性為9. 8pm廣C ，相比于FBG和LPG傳感器，本發(fā)明具有非常良好的 溫度穩(wěn)定性。 為了證明本發(fā)明可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)檢測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳感領(lǐng)域，為此研究 了該傳感器對(duì)外界折射率的響應(yīng)特性。利用該傳感器對(duì)不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行了折射率 測(cè)試，質(zhì)量百分比分別為:(1. 381、5. 123、8. 425、11. 817、14. 821、18. 033、21. 136、24. 242、 26. 901、29. 577、32. 432、35. 065);對(duì)應(yīng)的折射率為(1. 3346、 1. 3400、 1. 3448、 1. 3500、 1. 3547、1. 3599、1. 3651、1. 3704、1. 3750、1. 3798、1. 3850、1. 3899)。結(jié)果如圖4所示，該傳 感器的折射率靈敏度高達(dá)105nm/R. I. U，且具有較好的線性關(guān)系。 因此這種具有高靈敏度和溫度穩(wěn)定性的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器在傳感領(lǐng)域 具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行器，其特征在于寬帶光源通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I口光連接，光譜分析儀通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的III口光連接，細(xì)芯單模光纖一端通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II口光連接，另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm；與環(huán)行器的II口光連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明屬于涉及一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，現(xiàn)有的光纖型模式干涉儀都存在制作工藝復(fù)雜，原材料特殊，機(jī)械強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。本發(fā)明包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行器；寬帶光源通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I口光連接，光譜分析儀通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的III口光連接，細(xì)芯單模光纖一端通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II口光連接，另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm。連接一起的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。本發(fā)明的傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)G01N21/01GK101710065SQ20091015512
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者何賽靈, 夏天豪, 張阿平, 顧波波 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)