一種基于單模-多模-單模光纖錐頭(smst)的小型光纖折射率傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器，對光纖折射率傳感器在小型空間的應用、提高光纖折射率傳感器的靈敏度及測量精度有著重要的意義和價值，將服務(wù)于未來各個的折射率領(lǐng)域，特別是化學和生物傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于多個領(lǐng)域。目前大多數(shù)的物理量都可以通過光纖來感知，如光強度位移、溫度、壓力、轉(zhuǎn)動、聲音、拉力、磁場、電場、輻射、流體、液位、化學分析和振動等。相比于傳統(tǒng)的傳感器，光纖傳感器具有很多優(yōu)點，如抗電磁干擾、抗腐蝕、小尺寸、高靈敏度并且可實現(xiàn)遠程傳感。全光纖干涉儀由于具有易加工、高靈敏度和結(jié)構(gòu)緊湊等特點，近期得到了深入研究，包括基于雙花生型結(jié)構(gòu)、錐形光纖和纖芯直徑失配等方案的模式干涉儀。2006年，研究人員提出一種基于單模-多模-單模(SMS)光纖的傳感器，該傳感器通過多模光纖纖芯區(qū)域的多模干涉實現(xiàn)。同時，由于錐形光纖具有大消逝場、強約束、快速響應等優(yōu)點，基于錐形光纖的器件得到廣泛研究，并在提升器件性能和減小器件尺寸方面表現(xiàn)出潛在優(yōu)勢。之后便有人提出了一種單模-錐形多模-單模(STMS)光纖傳感器，STMS光纖傳感器由一個輸入單模光纖、一個錐形多模光纖和一個輸出單模光纖組成。在錐形多模光纖中，纖芯中部分LPOm模與包層中的高階模會在錐形區(qū)開始的位置發(fā)生耦合，從而增加多模光纖包層中消逝波的能量。但是，為了獲得較大的折射率變化，需要將較長一段多模光纖置于周圍介質(zhì)中。因此，器件尺寸通常長達幾厘米。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提出一種基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器，具有小型化、加工方便、線性響應、高靈敏度、易于與其他光纖組件連接以及低成本等特性。本發(fā)明還提供了所述基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器的基本原理和工作方式。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:
[0005]—種基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器，包括超連續(xù)寬帶(SC)光源、環(huán)形器、單模-多模-單模光纖錐頭以及光譜分析儀；所述的單模-多模-單模光纖錐頭包括輸入/輸出單模光纖、帶有周期性光柵結(jié)構(gòu)的多模光纖錐頭和鍍在錐頭端面作為反射鏡的金膜以及光纖包層；
[0006]所述的超連續(xù)寬帶(SC)光源、環(huán)形器、單模-多模-單模光纖錐頭和光譜分析儀構(gòu)成一個小型光纖折射率傳感器，輸入/輸出單模光纖、帶有周期性光柵結(jié)構(gòu)的多模光纖錐頭、鍍在錐頭端面作為反射鏡的金膜和光纖包層集成于一體，構(gòu)成單模-多模-單模光纖錐頭；超連續(xù)寬帶(SC)光源發(fā)出的波長在450nm — 1800nm的光通過光纖進入環(huán)形器后，經(jīng)光纖到達帶有周期性光柵結(jié)構(gòu)的單模-多模-單模光纖錐頭；在多模光纖錐頭的纖芯中，部分LPOm模會與光纖包層中的高階模在錐形區(qū)開始的位置發(fā)生耦合并在周期性光柵結(jié)構(gòu)和金膜處發(fā)生反射；反射回來的光通過光纖傳輸?shù)江h(huán)形器中，并從光纖中傳輸?shù)焦庾V分析儀中，從而通過光譜分析儀中測得外部介質(zhì)折射率。
[0007]其中，所述的SMS樣品是由一段42mm長，數(shù)值孔徑為0.22，纖芯半徑為105μπι的階躍型折射率多模光纖制成。
[0008]其中，所述的單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的直徑約為3 μ m0
[0009]其中，所述的多模光纖錐頭的尖端被聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)切平。
[0010]其中，所述的多模光纖錐頭被聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)刻蝕成周期性光柵結(jié)構(gòu)。
[0011]其中，所述的單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的錐頭端面鍍有40_金膜，以提高反射率。
[0012]其中，所述的超連續(xù)寬帶(SC)光源輸出端采用斜切的方式以防止光纖組件的背向反射對光源產(chǎn)生影響。
[0013]另外，本發(fā)明提供一種基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器，按照以下工作方法實現(xiàn)外部介質(zhì)折射率的測量:
[0014]利用單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)中的錐形過渡區(qū)和錐頭區(qū)導模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介質(zhì)折射率影響的特性，來實現(xiàn)對外部介質(zhì)折射率的測量，通過檢測輸出信號光，得到輸出信號光的有效折射率，從而計算得到外部介質(zhì)折射率；
[0015]超連續(xù)寬帶(SC)光源發(fā)出的波長在450nm — 1800nm的光通過光纖進入環(huán)形器后，經(jīng)光纖到達單模-多模-單模光纖錐頭；在多模光纖錐頭的纖芯中，部分LPOm模會與光纖包層中的高階模在錐形區(qū)開始的位置發(fā)生耦合，產(chǎn)生多模干涉并在金膜處發(fā)生反射；反射回來的光通過光纖傳輸?shù)江h(huán)形器中，并從光纖中傳輸?shù)焦庾V分析儀中；由于從光纖輸出到光譜分析儀中的光的有效折射率會隨著外部介質(zhì)的折射率變化，而有效折射率與光的波長有關(guān)，從而可以從光譜儀中得到相應的波長信息中得到外部介質(zhì)的折射率。
[0016]本發(fā)明的原理:本發(fā)明通過利用單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)中的錐形過渡區(qū)和錐頭區(qū)導模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介質(zhì)折射率影響的特性，來實現(xiàn)對外部介質(zhì)折射率的測量。超連續(xù)寬帶(SC)光源發(fā)出的波長在450nm — 1800nm的光通過光纖進入環(huán)形器后，經(jīng)光纖到達單模-多模-單模光纖錐頭；在帶有周期性光柵結(jié)構(gòu)的多模光纖錐頭的纖芯中，部分LPOm模會與光纖包層中的高階模在錐形區(qū)開始的位置發(fā)生耦合，產(chǎn)生多模干涉并在周期性光柵結(jié)構(gòu)和金膜處發(fā)生反射；反射回來的光通過光纖傳輸?shù)江h(huán)形器中，并從光纖中傳輸?shù)焦庾V分析儀中；由于從光纖輸出到光譜分析儀中的光的有效折射率會隨著外部介質(zhì)的折射率變化，而有效折射率與光的波長有關(guān)，從而可以從光譜儀中得到相應的波長信息里得到外部介質(zhì)的折射率。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0018](1)、本發(fā)明利用在多模光纖錐頭的端面鍍上金膜，可以使得整個光纖折射率傳感器的尺寸縮小，具有較高空間分辨率且可插入窄孔；
[0019](2)、本發(fā)明利用聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)把多模光纖錐頭的尖端切平，可以提高器件的反射率；
[0020](3)、本發(fā)明利用聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)把多模光纖錐頭刻蝕成周期性光柵結(jié)構(gòu)，可以提尚器件的反射率；
[0021](4)、本發(fā)明利用錐頭多模光纖的芯中LPOm模與光纖包層中的高階模在錐形區(qū)開始的位置發(fā)生耦合產(chǎn)生多模干涉，測量靈敏度較高。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]附圖標記列示如下:1-超連續(xù)寬帶光源，2-環(huán)形器，3-單模-多模-單模光纖錐頭，4-光譜分析儀，5-單模光纖，6-多模光纖錐頭，7-金膜，8-包層，9-光纖，10-光纖，
11-光纖，12-周期性光柵結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0026]如圖1所示，一種基于單模-多模-單模光纖錐頭(SMST)的小型光纖折射率傳感器，包括超連續(xù)寬帶光源1，環(huán)形器2，單模-多模-單模光纖錐頭3，光譜分析儀4。
[0027]所述的SMS樣品是由一段42mm長，數(shù)值孔徑為0.22，纖芯半徑為105 μ m的階躍型折射率多模光纖制成。
[0028]所述的單模-多模-單模光纖