一种单端反射式长周期光纤光栅传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种单端反射式长周期光纤光栅传感器，属于光纤光栅传感技术领域。包括长周期光纤光栅段、光纤段和尾端段，从左到右依次为长周期光纤光栅段、光纤段和尾端段，长周期光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜，光纤光栅段由内至外依次为光纤光栅段纤芯和光纤光栅段金属膜，光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。本实用新型专利技术公开的单端反射式镀膜长周期光纤光栅传感器，具有探头式结构，结构简单、体积小、灵敏度高，并对温度、折射率、液位等外界物理量敏感，可广泛应用于生物、化学、物理、土木、医疗等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤光栅传感
，涉及一种反射式长周期光纤光栅传感器，具体涉及一种单端反射式长周期光纤光栅传感器。
技术介绍
长周期光纤光栅(LPFG)周期为几十至几百微米，是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉，而不产生反射。实验证明长周期光纤光栅的传输特性会因外界应力、温度等因素的变化而改变，而且较光纤布拉格光栅(FBG)的反应更加敏感，是一种理想的传感元件。其应用领域非常广泛，在光纤传感和光纤通讯领域具有良好的应用前景。但是，也恰是由于LPFG的透射特性，使其作为传感元件时，不能作为反射式探针结构，而解调设备光谱仪价格昂贵、体积庞大，造成在实际应用时有着诸多的局限。《光学学报》2011年发表了《基于双峰谐振效应的镀金属长周期光纤光栅液体浓度传感器》，作者：顾铮先，张江涛，提出的基于双峰谐振效应长周期光纤光栅，仍然是透射型光纤光栅传感器，不易于实现探头结构的传感；《光电工程》2009年07期发表了《金属涂层SPR的单端面LPFG折射率传感器》，作者：赵敏福，张桂菊，马狄峰；提出的反射式长周期光纤光栅，其不足之处在于，1)该文献中描述到在光栅上镀上各种不同厚度的薄金属膜来激发表面等离子体波，用这种镀金属膜光纤光栅传感器来测量液体的折射率，并研究它的反射谐振谱的特性；实际应用中，影响反射式的长周期光纤光栅传感器的敏感特性的因素较多，该文献仅从SPR效应的角度进行了研究工作，虽然为测量折射率提供了参考，但是想达到精确的测量性能还需要考虑很多其他因素；2)该文献采用宽带光源及光谱仪进行测量，宽带光源及光谱仪价格昂贵，体积庞大，在实际推广使用中成本较高，使用不便，且占用较多人力资源；3)该文献中的传感器结构为整体式结构，由于在使用过程中，端部容易受外界碰触而损坏，而整体式结构无法灵活更换传感探头，使用起来不够便利；同时若探头损坏则整个传感器损坏，成本增加；另一方面整体式结构的光栅传感器，由于无法和其他特殊性质的光纤配合使用，比如，非零色散光纤，微弯不敏感特性的光纤、超低损耗单模光纤等，满足不了各种不同的需求，因此应用范围选择性小，从而致使传感结构推广应用受限。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题针对现有透射型长周期光纤光栅监测不便、所需仪器昂贵庞大的问题，本专利技术提出一种单端反射式长周期光纤光栅传感器。它能够实时监测，并对温度、折射率、液位等外界物理量敏感，可广泛应用于生物、化学、物理、土木、医疗等领域。2.技术方案为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅段、光纤段和尾端段，从左到右依次为长周期光纤光栅段、光纤段和尾端段，长周期光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜。由于耦合到光纤包层高阶模的光能量到达光纤端面反射后，被LPG重新耦合回到芯层传播，与通过纤芯的前向光波发生干涉，而这种自干涉效应对外界环境也尤为敏感，本专利技术在长周期光纤光栅上利用干涉效应，是比较难以想到的，如果不做成单端反射式结构，也无法出现自干涉效应，这两者综合考虑，需要同时考虑产生SPR效应的镀膜厚度及产生自干涉效应的光栅到端面的距离即腔长长度，因此是存在难度的。综合考虑了SPR效应和干涉效应对外界环境的敏感特性，将两者结合起来后，用于本专利技术的传感器原理中，与现有技术中单纯使用SPR效应的长周期光纤光栅的传感器相比，提高传感器的敏感特性。优选地，所述的光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。也可以选择其他金属膜(如金、银)。钯金膜具有高反射率，不易氧化，极易与光纤附着粘合。优选地，光纤光栅段由内至外依次为光纤光栅段纤芯和光纤光栅段金属膜。优选地，尾端段由内至外依次为尾端段纤芯和尾端段金属膜，尾端段的端面有尾端段端面金属膜。优选地，光纤光栅段纤芯与光纤段纤芯为整体纤芯，选择用单模光纤；尾端段纤芯也是单模光纤，因为多模光纤不具有同样的传感特性，为保证传感器的传感特性良好，因此采用单模光纤。光纤光栅段纤芯与光纤段纤芯是一个整体切断的，而尾端段纤芯是另外一段光纤连接上的，尾端段纤芯如果选择微弯不敏感的光纤，则会对微弯不敏感，从而能够避免微弯对反射谱的影响；如果尾端段纤芯选择其他特殊性质的光纤，如弯曲不敏感光纤、超低损耗单模光纤等，则可以起到特殊的作用，这样有利于制作工艺上的灵活性，且能够满足实践应用中的不同需求。优选地，光纤光栅段金属膜的厚度为50-100nm，尾端段金属膜、尾端段端面金属膜的厚度为700-1000nm左右。光纤光栅段金属膜的厚度选择薄，是为了激发SPR效应，、尾端段端面金属膜的厚度厚，是为了有良好的反射效果。优选地，所述光纤光栅段的长度为4-6cm，光纤段的长度为1-2cm，尾端段的长度为1-6cm。光纤光栅段的长度是固定的，光纤段的长度是为了制作起来方便熔接，尾端段的长度选择是有利于反射，且产生较好的干涉效应，并保证最后制作的探头大小，如果长度太长，将会没有自干涉效应。一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器的制作工艺，其步骤为：A、将长周期光纤光栅的一端切平，形成长周期光纤光栅段和光纤段；B、长周期光纤光栅段内部是光纤光栅段纤芯，在长周期光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；光纤光栅段金属膜的厚度为50-100nm；C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜，该单模光纤为尾端段；尾端段金属膜和尾端段端面金属膜的厚度为700-1000nm；D、将光纤段与尾端段熔接，构成一种单端反射式镀膜长周期光纤光栅传感探头。优选地，长周期光纤光栅段的长度为4-6cm，光纤段的长度为1-2cm，尾端段纤芯长度1-6cm。优选地，光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜的镀膜材料均为钯金。本专利技术的传感器将单端反射自干涉效应应用在镀金属膜LPG结构中，综合利用SPR效应及自干涉效应对外界环境折射率灵敏响应的优势，构建具有高灵敏度的单端反射式镀膜结构长周期光栅(Single reflection Coating LPG，简称SCLPG)。本专利技术的基于单端反射式镀膜长周期光纤光栅传感器具有探头式结构，相比于普通的透射式长周期光纤光栅结构紧凑，且具有更高的传感灵敏度，能够实时监测，并对温度、折射率、液位等外界物理量敏感，可广泛应用于生物、化学、物理、土木、医疗等领域。3.有益效果(1)本专利技术的光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。也可以选择其他金属膜(如金、银)，钯金膜具有高反射率，不易氧化，极易与光纤附着粘合，镀膜工艺简单，同时也能够提高传感器的反射特性，进而提高传感器的灵敏度；(2)本专利技术的长周期光纤光栅段内部是光纤光栅段纤芯，在长周期光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应，等离子体共振效应对表面环境具有很高的灵敏度，通过这种敏感性，对光纤所在位置的外部环境(如温度，湿度，液位等)进行监测，以应用于不同的领域，解决各种各样的问题；(3)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，其特征在于，从左到右依次为长周期光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，长周期光纤光栅段(1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9)。

【技术特征摘要】
1.一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，其特征在于，从左到右依次为长周期光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，长周期光纤光栅段(1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9)。2.根据权利要求1所述的一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述的光纤光栅段金属膜(7)、尾端段金属膜(8)和尾端段端面金属膜(9)均为钯金膜。3.根据权利要求1所述的一种基于单端反射式长周期光纤光栅传感器，其特征在于，光纤光栅段(1)由内至外依次为光纤光栅段纤芯(4)和光纤光栅段金属膜(7)。4.根据权利要求3所述的一种基于单端反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦，胡兴柳，刘加萍，方挺，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34