一种液体折射率特性研究方法技术

一种基于马赫‑曾德滤波和长周期光纤光栅的液体折射率特性研究方法，其特征在于，包括步骤1：利用飞秒激光器、三维位移平台、宽带光源和光谱分析仪等器件搭建了红外飞秒激光制作长周期光纤光栅的加工系统；步骤2：利用搭建的飞秒激光加工系统完成谐振波长为1548.5nm的长周期光纤光栅的制作；步骤3：利用光纤熔接机通过纤芯错位熔接的方式完成光纤马赫曾德干涉仪的制作；步骤4：将马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅连接在一起，对LPFG的透射光谱进行滤波；步骤5：利用马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅组成的系统完成对液体折射率特性研究。

A method for studying refractive index characteristics of liquids

A study on the method of Maher liquid refractive Ceng De filter and long period fiber grating rate based on the characteristic, characterized by including the step 1: build the infrared femtosecond laser fabrication of long period fiber grating processing system using femtosecond laser, 3D displacement platform, a broadband light source and a spectrum analyzer device; step 2: make resonance the wavelength of long period fiber grating 1548.5nm femtosecond laser processing system; step 3: making use of the optical fiber splicer through fiber core offset splicing method of fiber Maher Ceng De interferometer; step 4: the Maher Ceng De interferometer and long period fiber gratings are connected together, the filter transmission spectrum of LPFG step 5: system; long period fiber grating interferometer and composition by Maher Ceng De completed the research on the characteristics of liquid refractive index.

【技术实现步骤摘要】
一种液体折射率特性研究方法
本专利技术涉及光纤传感器领域，尤其涉及基于马赫-曾德滤波和长周期光纤光栅的液体折射率特性方向的研究方法。
技术介绍
光纤传感器具有质量轻、体积小、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点。目前利用光纤传感测量液体折射率的方法有法布里珀罗干涉法[2]、马赫-曾德干涉法(MZI)、迈克尔逊干涉法和长周期光纤光栅(Longperiodfibergrating，LPFG)等。传统的长周期光纤光栅制作方法如紫外曝光掩模板法、高频CO2激光逐点写入法和腐蚀刻槽等在光纤载氢处理、高温稳定性、机械强度和灵敏度等方面都具有不同程度的缺陷。飞秒激光制作的LPFG，具有高灵敏度和耐高温等优势。利用飞秒激光制作LPFG与全光纤型MZI的制作是近年来国内外研究的热点。2011年LiB等人采用紫外飞秒激光逐点刻写方法实现了谐振波长为1476nm，栅区长度为25mm的LPFG制备，并将LPFG用于液体折射率传感测试，观察到随着折射率的增加，LPFG的透射波长发生蓝移。2012年苗飞等人利用飞秒激光制作出栅区长度为40mm的LPFG并对该LPFG的高温传感特性进行了研究。2013年张琪等人利用单模光纤和长周期光纤光栅制作了锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤型全光纤MZI；2014年杨凯等人利用单模光纤采用锥腰扩大熔接技术制作了同轴式液封MZI。2015年AhmedF等人利用飞秒激光首次在无掺杂的纯硅光纤中制作了光栅长度为26.97mm的LPFG，并对LPFG的高温和折射率特性进行分析，发现随着折射率的增加谐振波长发生蓝移。2016年卞继城等人在保偏光纤中通过电弧放电和熔接推挤的方式制作了MZI温度传感器，温度灵敏度为0.0998nm/℃。综上所述，研究纤芯错位熔接法制作MZI和飞秒制备高折射率灵敏度、短栅区的LPFG具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于马赫-曾德滤波和长周期光纤光栅的液体折射率特性研究方法，其特征在于，包括步骤1：利用飞秒激光器、三维位移平台、宽带光源和光谱分析仪等器件搭建了红外飞秒激光制作长周期光纤光栅的加工系统；步骤2：利用搭建的飞秒激光加工系统完成谐振波长为1548.5nm的长周期光纤光栅的制作；步骤3：利用光纤熔接机通过纤芯错位熔接的方式完成光纤马赫曾德干涉仪的制作；步骤4：将马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅连接在一起，对LPFG的透射光谱进行滤波；步骤5：利用马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅组成的系统完成对液体折射率特性研究。优选地，所述步骤1中的激光器中心波长800nm、脉冲宽度120fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器；采用的显微物镜的放大倍数为100倍、数值孔径为0.70；光谱分析仪的工作波长范围1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.02nm。优选地，所述步骤2中的长周期光纤光栅的周期为400，占空比为0.5，谐振强度为7dB，半高宽为6.3nm。优选地，所述步骤3中的光纤熔接机的放电时间为2500ms，预熔时间为180ms；马赫曾德干涉仪的干涉光谱对比度为10dB。优选地，所述步骤4中的长周期光纤光栅经马赫曾德干涉滤波器滤波后的谐振波的半高宽为5.6nm。优选地，所述步骤5中的测量系统分别对酒精、蔗糖和NaCl溶液的折射率特性进行测试，三种溶液的折射率灵敏度分别为01.78nm/RIU、132.67nm/RIU和138.80nm/RIU。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了根据本专利技术的基于光纤纤芯错位熔接法制作的MZI的结构示意图；图2示出了飞秒激光制作LPFG加工系统图；图3示出了长周期光纤光栅结构图；(a)LPFG栅区刻写轨迹示意图；(b)LPFG栅区显微结构图；图4示出了基于飞秒激光制作的LPFG透射光谱图；图5示出了基于纤芯错位熔接制备的MZI；(a)光纤1和光纤2纤芯错位熔接显微图；(b)光纤2和光纤3纤芯错位熔接显微图；(c)MZI透射干涉光谱；图6示出了基于MZI滤波的LPFG测量折射率实验系统图；图7示出了MZI与LPFG连接后的透射光谱；(a)MZI连接LPFG前后的光谱图；(b)LPFG谐振波长附近的透射光谱；图8示出了LPFG的酒精溶液折射率特性曲线；(a)不同折射率下的LPFG的透射光谱；(b)LPFG的谐振波长与折射率的拟合曲线；图9示出了LPFG的NaCl溶液折射率特性曲线；(a)不同折射率下的LPFG的透射光谱；(b)LPFG的谐振波长与折射率的拟合曲线；图10示出了LPFG的蔗糖溶液折射率特性曲线；(a)不同折射率下的LPFG的透射光谱；(b)LPFG的谐振波长与折射率的拟合曲线。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本专利技术设计并搭建了基于800nm红外飞秒激光制作LPFG的加工系统，制作了栅区长度为3.2mm的LPFG；通过光纤纤芯错位熔接的方式制作了全光纤结构的MZI，与长周期光纤光栅连接对LPFG的谐振波长进行滤波。利用基于MZI滤波的LPFG分别对酒精溶液、NaCl溶液和蔗糖溶液的折射率传感特性进行分析。实验发现随着折射率增加，长周期光纤光栅的透射波长向长波方向移动，具有较高的折射率灵敏度。具体步骤如下：1理论分析图1是基于光纤纤芯错位熔接法制作的MZI的结构示意图。该MZI是利用熔接机通过光纤纤芯错位熔接的方法制作两个纤芯失配衰减器，光纤1纤芯中的光经过第一个纤芯失配衰减器后进入到光纤2中，一部分在光纤纤芯中传播，另一部分进入到包层中传输。光纤2的纤芯和包层中传输的光通过第二个光纤纤芯失配衰减器后，会有一部分光耦合到光纤3的纤芯中传输。由于光纤2的纤芯模和包层模的相位差异产生不同的干涉光强，对应透射光谱上不同的峰值，形成干涉光谱。马赫-曾德干涉仪的传输光强为：式中：I1和I2分别表示为光纤2的纤芯模和包层模耦合到光纤3纤芯中的光强；λ为光纤中传输光的波长；L表示光纤2的长度；和为光纤2纤芯模和第j模包层模的有效折射率。纤芯模和j阶包层模的相位差为：其中，Δneff为纤芯模和第j包层模的有效折射率差。当相位差满足时，干涉光强最弱，其中k为整数，此时透射光谱中波谷对应的波长为：根据耦合模理论，LPFG是光纤中前向传输的纤芯模和前向传输的包层模之间的耦合，其透射谱中的谐振波长满足以下相位匹配条件:其中，λLP为LPFG透射谱的谐振波长，和分别是纤芯基模和j阶包层模的有效折射率，Λ为光栅周期。由于外界折射率的变化会导致有效折射率的变化，引起长周期光纤光栅的透射谱上谐振波长的漂移，因此LPFG可用于液体折射率传感测试。2长周期光纤光栅与马赫-曾德干涉仪制备2.1长周期光纤光栅制备基于飞秒激光直写法制作长周期光纤光栅的系统组成如图2所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于马赫‑曾德滤波和长周期光纤光栅的液体折射率特性研究方法，其特征在于，包括步骤1：利用飞秒激光器、三维位移平台、宽带光源和光谱分析仪等器件搭建了红外飞秒激光制作长周期光纤光栅的加工系统；步骤2：利用搭建的飞秒激光加工系统完成谐振波长为1548.5nm的长周期光纤光栅的制作；步骤3：利用光纤熔接机通过纤芯错位熔接的方式完成光纤马赫曾德干涉仪的制作；步骤4：将马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅连接在一起，对LPFG的透射光谱进行滤波；步骤5：利用马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅组成的系统完成对液体折射率特性研究。

【技术特征摘要】
2016.11.02 CN 20161094514581.一种基于马赫-曾德滤波和长周期光纤光栅的液体折射率特性研究方法，其特征在于，包括步骤1：利用飞秒激光器、三维位移平台、宽带光源和光谱分析仪等器件搭建了红外飞秒激光制作长周期光纤光栅的加工系统；步骤2：利用搭建的飞秒激光加工系统完成谐振波长为1548.5nm的长周期光纤光栅的制作；步骤3：利用光纤熔接机通过纤芯错位熔接的方式完成光纤马赫曾德干涉仪的制作；步骤4：将马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅连接在一起，对LPFG的透射光谱进行滤波；步骤5：利用马赫曾德干涉仪与长周期光纤光栅组成的系统完成对液体折射率特性研究。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的激光器中心波长800nm、脉冲宽度120fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器；采用的...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，李达，何巍，闫光，刘锋，董明利，娄小平，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11