光纖傳感器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有光波導(dǎo)的光纖傳感器，光波導(dǎo)具有至少一第一芯和圍繞該第一芯的包層，其中第一芯實(shí)質(zhì)上在光波導(dǎo)的整個(gè)長度上延伸。本發(fā)明也涉及此傳感器的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]從US7，813，599 B22得知用以裝備具有三個(gè)芯的光波導(dǎo)。這些芯的每一個(gè)應(yīng)具有多個(gè)布拉格光柵(Bragg gratings) 0親合到芯的光的部分被反射在光纖光柵上，并且其部分被傳送。被反射波長及/或被反射波長范圍依靠由布拉格光柵組成的光柵。
[0003]當(dāng)布拉格光柵產(chǎn)生時(shí)，光柵常數(shù)依次被確定，并且在其產(chǎn)生之后，常數(shù)是在機(jī)械張力或溫度的影響下改變。如果光波導(dǎo)具有曲率，三個(gè)芯包括不同的曲率半徑，且因此每個(gè)芯具有不同的機(jī)械張力。舉例來說，接近曲率中心的芯被壓縮，并且遠(yuǎn)離曲率中心的芯被拉伸。因此，空間中的光波導(dǎo)的形式通過確定由布拉格光柵反射的波長來確定。
[0004]然而，此已知的傳感器具有需要將光耦合到和耦合出三個(gè)心的昂貴光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。由于三個(gè)芯必須個(gè)別讀出，分別被反射波長的光譜測(cè)量設(shè)備上獲得的需求被增加。如果光波導(dǎo)的形是隨時(shí)間改變，來自所有芯的被反射光譜的測(cè)量也必須被同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在此公知傳感器的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的目的是提供一種光纖傳感器，其是容易制造，并且可以毫不費(fèi)力地進(jìn)行操作。
[0006]這個(gè)目的是根據(jù)本發(fā)明通過根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器和權(quán)利要求13的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)的。
[0007]光纖傳感器具有至少一光波導(dǎo)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，光纖傳感器具有精確地一個(gè)光波導(dǎo)。光波導(dǎo)可以具有實(shí)質(zhì)上圓柱形外輪廓，并以它的縱向沿一個(gè)工具延伸，例如沿著內(nèi)窺鏡或沿著導(dǎo)管來延伸。如果內(nèi)窺鏡或?qū)Ч懿痪哂芯€性形式，工具的確切形式可以在空間中通過確定光纖傳感器的曲率來檢測(cè)。如果絕對(duì)坐標(biāo)或一個(gè)點(diǎn)的位置是已知的，工具的所有部件及/或部分的絕對(duì)位置也可以被確定。另外，工具可以通過比較工具的實(shí)際形式與沉積圖像數(shù)據(jù)來操縱。圖像數(shù)據(jù)可以例如包含地層剖面，其結(jié)果是鉆孔的過程及/或鉆孔工具的位置可被確定。圖像數(shù)據(jù)可以例如是人或動(dòng)物本體的血管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以便能夠確定在本體中導(dǎo)管的位置。
[0008]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，光纖傳感器可以是玻璃或塑料板的部件。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，光纖傳感器可以是容器或?qū)Ч艿牟考员隳軌虼_定此導(dǎo)管的形式及/或光纖傳感器附近的可預(yù)置分子的濃度。
[0009]光波導(dǎo)具有至少一第一芯，其實(shí)質(zhì)上在光波導(dǎo)的整個(gè)長度上延伸。第一芯通過包層來圍繞，包層具有低于至少一芯的折射系數(shù)。因此，耦合到芯的光可以通過在沿光波導(dǎo)的縱向延伸的心和包層之間的邊界的全反射來導(dǎo)引。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，芯和包層可以由石英玻璃構(gòu)成，其中芯的折射系數(shù)不同于通過使用鍺或磷摻雜的包層的折射系數(shù)。
[0010]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，光波導(dǎo)可以由高分子材料構(gòu)成，其中芯和包層之間的折射系數(shù)的所需比率式通過不同組合物、不同交聯(lián)或摻雜來獲得。
[0011]幾何定義的邊界可以在芯和包層之間形成。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，芯可以連續(xù)改變到包層，從而導(dǎo)致作為光波導(dǎo)的函數(shù)的有效芯直徑及/或入射角。
[0012]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可選的保護(hù)涂層可以被施加到包層的外部，所述涂層防止散射光的穿透及/或增加光波導(dǎo)的機(jī)械負(fù)載能力及/或促進(jìn)附著及/或嵌入于工具或在工具中。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在提出的是，傳感器具有其至少一第二芯，其由包層至少部分地圍繞，并且第二芯的縱向延伸是小于光波導(dǎo)的整個(gè)縱向延伸。
[0014]此第二芯應(yīng)具有至少一布拉格光柵(Bragg grating)。當(dāng)光纖傳感器操作時(shí)，光被耦合到第一芯并且通過光波導(dǎo)的縱向延伸。被導(dǎo)引在第一芯的光學(xué)性能的部分可以通過在第二芯被引入的可預(yù)置地點(diǎn)的瞬逝耦合進(jìn)入到第二芯。由于在第二芯和在圍繞所述芯的包層中的不同反射系數(shù)，光的部份接著被導(dǎo)引在第二芯?？深A(yù)置波長范圍在布拉格光柵上被反射。被反射光可以依次進(jìn)入到第一芯且在光波導(dǎo)的端點(diǎn)處被檢測(cè)。
[0015]為了在光波導(dǎo)的數(shù)個(gè)位置處測(cè)量曲率及/或溫度及/或影響機(jī)械張力，有可能引入數(shù)個(gè)第二芯，其各自具有分配布拉格光柵到光波導(dǎo)的包層。然而，光波導(dǎo)可以簡(jiǎn)單地接觸光譜儀和光源，由于光波導(dǎo)僅在其端部具有相對(duì)小數(shù)量的第一芯。如果光波導(dǎo)僅具有單一第一芯，接觸可以使用從光信息傳輸?shù)囊阎O(shè)備和方法的一般已知方式來產(chǎn)生。這使得信號(hào)讀出和產(chǎn)生特別簡(jiǎn)單和可靠。
[0016]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一芯可以配置在光波導(dǎo)的對(duì)稱軸上。如果光波導(dǎo)具有旋轉(zhuǎn)圓筒狀橫截面，第一芯可以配置以同心方式相對(duì)于被圍繞包層進(jìn)行配置。此實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)是，第一核形成在光波導(dǎo)的中性纖維，且從而保持主要地不受機(jī)械影響。
[0017]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二芯的縱向延伸可以具有至少一第一縱向部分、至少一第二縱向部分和至少一第三縱向部分。在此事例中，第一縱向部分是適用于允許第二芯與第一芯之間的光耦合，第三縱向部分是適用于在離第一芯的一個(gè)距離被導(dǎo)引在包層并且接收至少一布拉格光柵，其中第二縱向部分互相連接第一縱向部分和第三縱向部分。此實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)是，傳感器的響應(yīng)特性可以通過第三縱向部分離光波導(dǎo)的對(duì)稱軸的一個(gè)距離來調(diào)整，及，光纖傳感器可以檢測(cè)具有高精確度的小形變或覆蓋具有它測(cè)量范圍的形變的大范圍。由于第三縱向部分也可以從第一芯到?jīng)]有光可以進(jìn)入到第二芯的這樣程度來間隔，未受干擾的測(cè)量時(shí)可以被采用。于此相比，第二芯的第一縱向部分是想要允許芯之間光的限定傳輸。一方面，這涉及耦合到第一芯的輻射，并且另一方面，輻射是通過布拉格光柵反射并且輻射可以可靠地到達(dá)第一芯且從而游光譜儀讀出。
[0018]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，至少一第二芯可以通過藉由激光處理光波導(dǎo)的包層的材料來產(chǎn)生。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，短脈沖激光可以用于此目的，即，激光發(fā)射個(gè)別脈沖或具有小于一皮秒或小于100飛秒的持續(xù)時(shí)間的脈沖串。包層中的材料改進(jìn)的深度可以通過可以產(chǎn)生不同的焦點(diǎn)位置的聚焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。連續(xù)第二芯可以從通過由側(cè)向移位或相對(duì)移動(dòng)光波導(dǎo)和激光的光波導(dǎo)的的包層的激光所暴露的個(gè)別點(diǎn)來產(chǎn)生。
[0019]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，也可能通過使用機(jī)光輻射處理材料，以產(chǎn)生至少一心中的至少一布拉格光柵。為了這個(gè)目的，具有不同的折射系數(shù)的空間的容量都被產(chǎn)生在至少一芯中。多個(gè)這種空間的容量的距離限定其確定被反射波長或被反射波長范圍的布拉格光柵的光柵常數(shù)。此光柵常數(shù)是通過溫度變化、芯的拉申或壓縮來改變，且因此可能通過改變被傳輸或被改變的波長來檢測(cè)形變、機(jī)械張力或溫度變化。
[0020]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，傳感器具有多個(gè)第二芯，所有的第二芯具有第三縱向部分且至少在兩個(gè)不同距離及/或相對(duì)于光波導(dǎo)的對(duì)稱軸處進(jìn)行配置。此特征具有影響的是，根據(jù)可預(yù)置形變，更外部的第二芯比更內(nèi)部的芯被更廣泛地拉申或壓縮。因此具有大動(dòng)態(tài)范圍的大形變可以通過接近光波導(dǎo)的對(duì)稱軸的第二芯來測(cè)量。然而，小形變可以以大精確度通過更外部的芯來測(cè)量。
[0021]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，布拉格光柵可以在一個(gè)地點(diǎn)配置在第二芯和第一芯中，即，在光波導(dǎo)的縱向延伸的點(diǎn)處。如果第一芯是位于對(duì)稱軸上，且因此在光波導(dǎo)的中性光纖，在第一芯中的布拉格光柵保持不受機(jī)械形變影響。然而，所有布拉格光柵改變其隨著溫度改變的光柵常數(shù)，，且因此第一芯的布拉格光柵的信號(hào)可以用于補(bǔ)償?shù)诙镜臏y(cè)量信號(hào)的溫度。
[0022]在一些實(shí)施例中，當(dāng)它被以單色機(jī)光輻射引起時(shí)，第一芯可以適用于產(chǎn)生寬帶光。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，這可以被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榈谝恍竞袚诫s物。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，摻雜物可以是鉺及/或鐿。本發(fā)明的此實(shí)施例可具有優(yōu)點(diǎn)，其是多個(gè)不同光柵常數(shù)的布拉格光柵可以通過寬帶或白光來讀出。此寬帶光可以通過感應(yīng)發(fā)射且以第一芯內(nèi)的較大效率來產(chǎn)生。如果強(qiáng)烈的激光光源是用于光學(xué)地栗浦第一芯，在光波導(dǎo)的第一芯中產(chǎn)生的寬帶輻射可以具有高于例如藉由光波導(dǎo)外的超亮度二極管產(chǎn)生的輻射的強(qiáng)度。作為其結(jié)果，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中信號(hào)/噪聲比可以被改進(jìn)。
[0023]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二芯的第一縱向部分可以幾何地部分重疊于第一芯的部件或部分。由于兩個(gè)芯因此幾何地占用相同空間的至少一部分以及耦合的光被導(dǎo)引在第一芯，這會(huì)導(dǎo)致光從第一芯到第二芯的非常有效傳輸從。
[0024]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二芯的第一縱向部分可以具有離第一芯的一個(gè)距離，其小于約3 ym或小于約2.5 ym或小于約2 ym。在此事例中，光可以通過瞬逝親合從第一芯進(jìn)入到第二芯以及從第二心進(jìn)入到第一芯。由于第二芯的第二縱向部分從第一芯漸增地發(fā)散，耦合很快地變?nèi)酰乙虼艘膊辉儆性诘谌v向部分的芯之間的必要耦合。
[0025]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，至少一第二波導(dǎo)的第三縱向部分具有離光波導(dǎo)的側(cè)表面的一個(gè)距離，其小于約10 y