基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量或者測試裝置技術領域，具體涉及到一種入射光根據所測試的材 料性質而改變的裝置。
【背景技術】
[0002] 光纖折射率傳感器因其具有抗電磁干擾、耐化學腐蝕、體積小、重量輕、功耗小、可 實現遠程和分布式傳感等優(yōu)良特性，被廣泛應用于石油化工、醫(yī)學診斷、醫(yī)藥開發(fā)、食品安 全等領域。目前，許多基于光纖的折射率傳感器結構已被提出，例如：基于光纖布拉格光柵 的折射率傳感器、基于長周期光纖光柵的折射率傳感器、基于光纖表面等離子體的折射率 傳感器、基于多模干涉的折射率傳感器等。大部分光纖折射率傳感器的傳感機理是基于光 纖周圍的倏逝場與周圍介質相互作用來實現折射率傳感。
[0003] 由于微納光纖具有倏逝場強、損耗低、柔韌性好、機械強度大等優(yōu)良的光學和機械 特性，為光纖折射率傳感器向高靈敏度、微型化、集成化方向發(fā)展，提供了嶄新的研究思路。 研究人員已提出了許多基于微納光纖的折射率傳感器結構，其中包括基于微納光纖布拉格 光柵的折射率傳感器、基于微納光纖長周期光柵的折射率傳感器、基于微納光纖耦合器的 折射率傳感器等。但是，損耗大、制作難度高、穩(wěn)定性不理想等問題，在很大程度上制約了基 于微納光纖倏逝場特性的光纖折射率傳感器的發(fā)展及應用。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現有光纖折射率傳感器的缺點，提供一種結 構簡單、靈敏度高、體積微小的適于測量氣體折射率的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感 器。
[0005] 解決上述技術問題所采用的技術方案：在底板的中部設置有介質柱，介質柱側壁 軸向加工有8~10個矩形槽a，錐形微納光纖的腰區(qū)纏繞在介質柱上纏繞2圈，錐形微納光 纖兩錐區(qū)末端用膠固定在底板上。
[0006] 本發(fā)明的錐形微納光纖3的錐區(qū)長度1丨為30mm~50mm、腰區(qū)直徑為1~5 μ m、 腰區(qū)長度12為10~20mm〇
[0007] 本發(fā)明的介質柱2為聚四氟乙烯柱、直徑為20 μπι~2mm。
[0008] 本發(fā)明矩形槽a的寬度為3. 14 μ m~0. 314mm、深度為1~100 μ m。
[0009] 本發(fā)明的膠4為紫外膠。
[0010] 本發(fā)明具有制作簡單，輸出不受光源功率浮動影響，穩(wěn)定性好，容易實現遠程和分 布式傳感等優(yōu)點，適合測量氣體折射率。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0012] 圖2是錐形微納光纖3的結構示意圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明實施例2的折射率傳感效應簡圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于下述的實施方 式。
[0015] 實施例1
[0016] 在圖1、2中，本實施例的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器由底板1、介質柱2、 錐形微納光纖3連接構成，在底板1的中部設置有介質柱2,介質柱2和底板1 一次模壓成 型，底板1和介質柱2的材料為聚四氟乙烯，由杜邦公司生產的特氟龍i)AF1600,介質柱2直 徑為1mm，在介質柱2側壁軸向均勾分布有9個矩形槽a，矩形槽a的寬度為0. 1mm、深度為 50 μ m，矩形槽a用于減小光在微光纖環(huán)諧振腔中的傳輸損耗，增加倏逝場與周圍被檢測物 質的接觸面積，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質柱2上，纏繞圈數為2圈，錐形微納光纖 3的腰區(qū)直徑為3 μ m、腰區(qū)長度12為15mm、錐區(qū)長度1丨為40mm，錐形微納光纖3的兩端拉 緊并用膠4固定在底板1上，膠4選用紫外膠。
[0017] 錐形微納光纖3-端接寬帶光源、另一端接光譜分析儀，寬帶光源發(fā)出的光經錐 形微納光纖3的一端進入由具有較強倏逝場特性的錐形微納光纖纏繞在低折射率的介質 柱上構成的微光纖環(huán)諧振腔，光在微光纖環(huán)諧振腔中傳播時，一方面，是沿著光纖的長度方 向傳播，另一方面，是相鄰微光纖環(huán)間的倏逝場耦合，光在微光纖環(huán)諧振腔中傳播和耦合過 程可以用如下的耦合波方程來描述：
[0019] 式（1)中，A1(S)為介質柱上第一個微納光纖環(huán)在沿光纖長度方向的自然坐標s處 的光場慢變幅近似，A2 (s)為第二個微納光纖環(huán)在沿光纖長度方向的自然坐標s處的光場慢 變幅近似，k為相鄰兩微納光纖環(huán)環(huán)間的耦合系數，i為虛數單位。由于錐形微納光纖是連 續(xù)的，所以第一環(huán)輸出的光與第二環(huán)輸入的光是相等的，因此，存在如下的連續(xù)性條件：
[0022] 式（2)、⑶中，IWf為有效折射率，α為損耗系數，1為介質柱上微納光纖環(huán)的周 長，則微光纖環(huán)諧振腔的光波幅值透射系數T為：
[0024] 所以微光纖環(huán)諧振腔的光波功率透射系數P為：
[0025] P = TXT* (5)
[0026] 式（5)中，T是微光纖環(huán)諧振腔的光波幅值透射系數，壙是T的共輒。
[0027] 當微光纖環(huán)諧振腔周圍的折射率發(fā)生變化時，會引起微光纖環(huán)諧振腔中傳播光波 的有效折射率n rff發(fā)生變化，從而會導致微光纖環(huán)諧振腔的諧振波長發(fā)生移動，采用光譜分 析儀對其諧振波長進行監(jiān)測，從而可知被檢測物質的折射率。
[0028] 實施例2
[0029] 在本實施例中，底板1的中部設置有介質柱2,介質柱2和底板1 一次模壓成型，底 板1和介質柱2的材料為聚四氟乙烯、直徑為20 μ m，在介質柱2 ?壁軸向均勻分布有10個 矩形槽a，矩形槽a的寬度為3. 14 μ m、深度為1 μ m，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質柱2 上，纏繞圈數為2圈，錐形微納光纖3的腰區(qū)直徑為1 μm、腰區(qū)長度12為10mm、錐區(qū)長度I i 為30_。其他零部件及零部件的連接關系與實施例1相同。
[0030] 圖3是本實施例的折射率傳感效應簡圖，設置微光纖環(huán)諧振腔周圍介質的折射率 na分別為1. 000、1. 005、1. 010、1. 015、1. 020,用光譜分析儀監(jiān)測其諧振波長的移動情況。
[0031] 實施例3
[0032] 在本實施例中，底板1的中部設置有介質柱2,介質柱2和底板1 一次模壓成型，底 板1和介質柱2的材料為聚四氟乙烯、直徑為2mm，在介質柱2側壁軸向均勻分布有8個矩 形槽a，矩形槽a的寬度為0. 314_、深度為100 μ m，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質柱2 上，纏繞圈數為2圈，錐形微納光纖3的腰區(qū)直徑為5 μm、腰區(qū)長度12為20mm、錐區(qū)長度I i 為50_。其他零部件及零部件的連接關系與實施例1相同。
【主權項】
1. 一種基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：在底板（1)的中部設置有 介質柱（2)，介質柱（2)側壁軸向加工有8~10個矩形槽（a)，錐形微納光纖（3)的腰區(qū)纏 繞在介質柱（2)上纏繞2圈，錐形微納光纖（3)兩錐區(qū)末端用膠（4)固定在底板（1)上。2. 根據權利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 錐形微納光纖（3)的錐區(qū)長度^為30mm~50mm、腰區(qū)直徑為1~5μm、腰區(qū)長度12為10~ 20mm〇3. 根據權利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 介質柱⑵為聚四氟乙稀柱、直徑為20μπι~2mm。4. 根據權利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述矩 形槽（a)的寬度為3. 14μπι~0·314mm、深度為1~100 μπι。5. 根據權利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 膠⑷為紫外膠。
【專利摘要】一種基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：在底板的中部設置有介質柱，介質柱側壁軸向加工有8～10個矩形槽a，錐形微納光纖的腰區(qū)纏繞在介質柱上，纏繞圈數為2圈，錐形微納光纖兩錐區(qū)末端用膠固定在底板上。本發(fā)明具有制作簡單，輸出不受光源功率浮動影響，穩(wěn)定性好，容易實現遠程和分布式傳感等優(yōu)點，適合測量氣體折射率。
【IPC分類】G01N21/41
【公開號】CN105300926
【申請?zhí)枴緾N201510661030
【發(fā)明人】馬成舉, 馮德全, 文進, 傅海威, 劉穎剛, 王煒
【申請人】西安石油大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月14日