一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种基于聚乙烯醇(PVA，polyvinyl alcohol)湿敏材料的细芯(TCF，thin core fiber)迈克尔逊干涉仪(MI，the michelson interferometer)的折射率传感器装置，其特征在于：由普通光纤(SMF，single mode fiber)(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接并在细芯(2)表面与微弧区域(3)表面涂敷PVA薄膜(4)构成全光纤的迈克尔逊干涉仪(结构示意图，如图1所示)。PVA作为外界环境与折射率的转换器，当外界环境的湿度变化时，PVA薄膜(4)吸收水分子改变折射率，影响了包层模式的有效折射率，从而导致相位的改变，可以进行波长解调又可以进行强度解调。具有结构简单、成本低、灵敏度较高、结构微小，可以应用于实际工程中。

Refractive index sensor of a fine core Michelson interferometer based on PVA humidity sensitive material

The aim of the invention is to provide a kind of based on polyvinyl alcohol (PVA, polyvinyl alcohol) thin core humidity sensitive material (TCF, thin core fiber Michelson interferometer (MI), the Michelson interferometer) refractive index sensor device, which is characterized in that: by ordinary fiber (SMF, single mode fiber) (1), a piece of thin core fiber (2), (3) micro arc region and PVA film (4); single mode fiber (1), thin core fiber (2), by Region (3) and connected in the thin core (2) and (3) surface area of micro arc coating PVA film (4) composed of all fiber Michelson interferometer (schematic structure, as shown in Figure 1). PVA as the external environment and the refractive index of the converter, when the humidity changes in the external environment, PVA (4) films absorb water molecules change the refractive index, the effect of effective index of cladding mode rate, which leads to the phase change, for wavelength demodulation can intensity demodulation. The utility model has the advantages of simple structure, low cost, high sensitivity and small structure, and can be applied in practical engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器
本专利技术提供一种基于聚乙烯醇(PVA，polyvinylalcohol)湿敏材料的细芯(TCF，thincorefiber)迈克尔逊干涉仪(MI，themichelsoninterferometer)的折射率传感器，属于光纤传感

技术介绍
光纤折射率传感器作为光纤传感器的一种已经吸引了广泛的注意，由于它具有结构微小，灵敏度高，容易制造等优势。近些年来，光纤折射率传感器基于SPR(SurfacePlasmonResonance)，包层腐蚀，细锥结构，光纤光栅等已经被提出，在这些不同的结构类型中基于细芯光纤的传感器占了一部分，例如在细芯光纤上刻蚀腐蚀细芯光纤等。尽管这些方法都一定程度的提高了折射率的灵敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纤光栅的结构存在温度交叉灵敏度温度，基于错位的结构柔韧性很差，还有一些需要化学腐蚀的处理过程，都增加了制作过程中的困难。为解决以上问题一类新型的高折射率传感器被提出，这种传感器具有成本低、容易制作，对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调等优点。一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器可以实现纤芯模与包层模的模式干涉，并且该传感器不存在二级的干涉谱，不需要电脑进行数据的过滤。当使用该传感器对外界环境折射率进行测量时，每当改变外界折射率时都会使干涉条纹发生漂移，反射谱的波长和强度也会相应发生改变，通过对反射谱的波长或强度进行解调，可以实现折射率的测量，外界温度从25℃增加到90℃，反射谱的波长和强度没有明显变化，因此该传感器是温度不敏感的折射率传感器。为了获得较大的测量范围，提高随着外界折射率改变干涉波谱的强度，近几年来，许多基于PVA湿敏材料的湿度传感器已经被提出。2011年Zhao等人提出一种基于单模+多模+单模结构，涂敷了PVA，湿度灵敏度在50％RH-89％RH(refractoryhypertension)范围内灵敏度为0.16nm/％RH；2012Liang等人提出一种基于腐蚀的高双折射率环镜结构，该结构涂敷了PVA湿敏材料，在湿度范围为20％RH-80％RH范围内灵敏度达到了0.98nm/％RH，响应时间小于6s；2012年WeichangWong等人提出一种基于PCF(photoniccrystalfib)端面高级次包层模激发的迈克尔逊结构，该结是在端面镀上了PVA，在高湿度区域灵敏度可以达到0.6nm/％RH；2012年Alwis等人提出一种基于LPG(long-periodfibergratings)的迈克尔逊结构，经过涂敷PVA，湿度范围为40％RH-85％RH，灵敏度为0.6nm/％RH；2015年JingyiYang等人将PVA涂敷在TFBG(tiltedfiberbragggrating)的表面，湿度在20％RH-86％RH范围内，灵敏度为～1.80μW/％RH。从这些研究结果可以看出PVA湿敏膜是很好的折射率-外界湿度的转换器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置，通过光纤表面涂敷PVA作为外界环境与折射率的转换器，将所要测量的湿度转化为对折射率的测量，通过折射率的变化量再转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点。本专利技术通过以下方案实现：一个基于迈克尔逊干涉仪的细芯光纤的高灵敏度的折射率传感器由普通光纤(SMF，singlemodefiber)(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成。图1是该迈克尔逊干涉仪的结构示意图(最外层为PVA薄膜)，其中单模光纤(1)、细芯光纤(2)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4.00μm和124.50μm，细芯光纤(2)的长度L约为3.00mm，微弧区域(3)的长度l为45.08μm。接下来是涂敷PVA工作，光纤结构固定在浸涂镀膜机上将去除光学表面的残留有机物并干燥后的光纤端面侵入PVA溶液，使光纤端面形成均匀的湿敏膜。最后，得到一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器结构。本专利技术的工作原理是：当带宽光源发出的光在单模光纤纤芯中的传输的基模到达第一个熔接点时分束并激发出一部分细芯光纤的包层模，微弧的端面激发出更高级次的包层模，当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。在此基础上，在光纤表面涂敷PVA，那么PVA作为外界环境与折射率的转换器。当外界环境比较潮湿的时候，涂敷在光纤端面的PVA会吸收外界环境中的水分子，使湿敏膜膨胀改变它的折射率，影响了包层模式的有效折射率。从而导致相位的改变，这里相位的改变可以写成：其中Δneff是纤芯和包层中有效折射率差，l1是细芯光纤的长度L的2倍，λ是工作波长，是初始相位。当湿度变化时，影响湿敏膜的折射率，从而影响包层模式的有效折射率，使纤芯和包层中有效折射率差Δneff发生改变，从而改变了包层与纤芯之间的相位差φ，干涉条纹发生漂移，通过监测干涉谱的漂移量可以还原待测信号。本专利技术的有益效果是：该迈克尔逊干涉仪通过将一段细芯光纤与单模光纤相连接，并对细芯光纤的端面进行放电使其端面微弧，微弧的端面可以激发更高级次的包层模，该传感器成本低，容易制作，对温度不敏感，在该结构的基础上在光纤表面涂敷PVA，PVA作为外界环境与折射率的转换器，将对湿度的测量转化对折射率的测量。当外界湿度变化从30％RH增加到90％RH，在30％RH～60％RH湿度范围内，波长漂移很小；当湿度范围在60％RH～90％RH之间时波长漂移很大，具有高灵敏度，较好稳定性与重复性。附图说明图1是本专利技术的基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器示意图；图2是本专利技术的结构传感器在不同湿度的情况下反射光谱的变化情况；图3是本专利技术的湿度灵敏度曲线图具体实施方式下面结合附图及实施实例对本专利技术作进一步描述：一个基于迈克尔逊干涉仪的细芯光纤的高灵敏度的折射率传感器通过熔接机(TYPE-81C)将一段细芯光纤与单模光纤熔接在一起，用切割刀切取一段期待的长度，调整熔接机(FSM-100P+)的熔接程序，放电强度设置成标准强度+7bit，放电时间为10,000ms，对细芯光纤的另一端放电使其变成弧形。图1是该迈克尔逊干涉仪的结构示意图(最外层为PVA)，其中细芯光纤的纤芯和包层直径分别为4μm和124.5μm，细芯光纤的长度L约为2mm，微弧区域的长度l为45.08μm。接下来是涂敷PVA工作，为了去除光学表面的残留有机物，将光纤端面侵入浓度为98％浓硫酸与浓度为30％双氧水的混合溶液中(Piranha溶液：体积比为7∶3)持续60min，然后用去离子水充分洗净，再用高纯度的氮气吹干。然后将光纤结构固定在浸涂镀膜机上，下降速度为30mm/s将干燥后的光纤端面侵入9％PVA溶液，缓慢取出，在空气中静置整夜，确保光纤端面的湿敏膜均匀，最后将光纤放在烤箱中加热80℃，1h即可。最后得到一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器结构。光纤折射率传感器的实验装置：带宽光源发出的光经过环行器进入到传感头，然后将传感头内反射的本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术的目的在于提供一种基于聚乙烯醇(PVA，polyvinyl alcohol)湿敏材料的细芯光纤(TCF，thin core fiber)迈克尔逊干涉仪(MI，the michelson interferometer)的折射率传感器装置，其特征在于：由普通光纤(SMF，single mode fiber)(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接并在细芯(2)表面与微弧区域(3)表面涂敷PVA薄膜(4)构成全光纤的迈克尔逊干涉仪。

【技术特征摘要】
1.本发明的目的在于提供一种基于聚乙烯醇(PVA，polyvinylalcohol)湿敏材料的细芯光纤(TCF，thincorefiber)迈克尔逊干涉仪(MI，themichelsoninterferometer)的折射率传感器装置，其特征在于：由普通光纤(SMF，singlemodefiber)(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接并在细芯(2)表面与微弧区域(...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪凯，马启飞，杨介伟，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33