一种液滴型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器制造技术

本实用新型专利技术专利公开了一种液滴型空气腔的光纤马赫

【技术实现步骤摘要】
一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器


[0001]本技术专利涉及一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，属于光纤折射率传感器


技术介绍

[0002]在线型马赫
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曾德尔干涉仪具有体积小、灵敏度高、分辨率高、成本低、抗电磁干扰特性优异等优点，而且无需使用光纤耦合器，用单根光纤就可以实现光束干涉，因此被广泛应用于折射率、温度、湿度、应变、液位的传感测量中。
[0003]对于折射率的测量，需要在传播光场和周围介质之间存在较大的交叠区域。通过减小在线型马赫
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曾德尔干涉仪波导尺寸来增大交叠区域，从而获得更高的灵敏度。在现有的在线型马赫
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曾德尔干涉仪中，干涉发生在纤芯模和激励出的包层模之间，或者是多模光纤的基模和高阶模之间。参与干涉的光束主要是在二氧化硅中传播，它们之间的有效折射率差非常小。因此，往往需要几厘米长的干涉臂来获得足够相位差的干涉光谱，这增加了实际应用中封装的难度，难以得到微米级的马赫
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曾德尔干涉仪。

技术实现思路

[0004]本技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种紧凑型微米级的基于液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，
[0005]本技术的技术方案：
[0006]本技术一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，其从前往后依次包括第一单模光纤 、光子晶体光纤和第二单模光纤，所述光子晶体光纤的包层内有规则排列的空气孔，通过熔接技术于所述光子晶体光纤的后端依次形成塌陷区和光纤拉锥区，所述光纤拉锥区内形成液滴型空气腔和二氧化硅包层，所述二氧化硅包层包覆液滴型空气腔；
[0007]光在第一单模光纤中传输，到达光子晶体光纤的塌陷区时，光由一束分为两束，其中一束光在液滴型空气腔中传输，另一束光在二氧化硅包层中传输，形成倏逝波；两束光在到达第二单模光纤时发生耦合，经第二单模光纤的纤芯传输；两束光耦合发生马赫
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曾德尔干涉，干涉强度可表示为：
[0008]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
[0009]其中，I1和I2分别为第二单模光纤的纤芯模和包层模的传输光的强度，φ为第二单模光纤的包层模与纤芯模的相位差，表示为：
[0010]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
[0011]式中，L表示为液滴型空气腔的长度，λ表示为入射光波长， Δn
eff
表示为第二单模光纤的包层模和纤芯模的有效折射率差，包层模有效折射率随环境折射率变化；由公式1和公式2可知，传输光的光强随相位差的变化而变化；对于m级和m
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2级干涉条纹所对应的波谷
波长可表示为：
[0012]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
[0013]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
[0014]第二单模光纤的包层模和纤芯模的有效折射率差Δn
eff
可表示为：
[0015]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）
[0016]m级干涉条纹波谷的变化量可表示为:
[0017]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0018]式中Δn为包层模有效折射率随环境折射率变化的变化量。
[0019]进一步地，所述传感器的环境折射率范围在1.4
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1.42之间，灵敏度高达3133.3nm/RIU。
[0020]进一步地，所述第一单模光纤接放大自发辐射光源ASE，所述第二单模光纤接光纤传感分析仪OSA的光谱输入端。
[0021]进一步地，所述光纤拉锥区腰椎直径为40
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60微米，液滴型空气腔的长度为200
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350微米，锥区中心空气腔直径为37
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50微米，壁厚1
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8.5微米。
[0022]进一步地，所述液滴型空气腔的介质为空气，所述空气折射率n
O
=1，所述二氧化硅包层介质为二氧化硅，所述二氧化硅折射率n
SiO2
=1.45。
[0023]有益效果
[0024]本技术一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器全光纤化、结构简单、微型化，制作方便。除此之外，本传感器还有一些独特的优点：（1）该光纤马赫
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曾德尔折射率传感器有超短液滴型空气腔31，超紧凑的结构使其适用于微量液体折射率的检测，可以得到高对比度的干涉信号。（2）控制干涉壁厚，灵敏度可以做到很高，达到2803nm/RIU以上。(3)通过测量传感器干涉信号的波谷波长的偏移来测量折射率，在干涉条纹的自由频谱范围内为单调函数，能直接解调，实现实时检测。
附图说明
[0025]图1是本技术一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器的结构示意图；
[0026]图2是图1中的传感器的折射率测量实验示意图；
[0027]图3是液滴型空气腔的腔长208微米，传感器在空气中的透射谱图；
[0028]图4是液滴型空气腔的腔长208微米、壁厚8.1微米的传感器波长与环境折射率关系实验结果图；
[0029]图5是液滴型空气腔的腔长330微米、壁厚1.15微米的传感器波长与环境折射率关系仿真结果图；
[0030]其中：第一单模光纤1
[0031]光子晶体光纤2
[0032]空气孔21
[0033]光纤拉锥区3
[0034]液滴型空气腔31
[0035]二氧化硅包层33
[0036]塌陷区4
[0037]第二单模光纤5。
具体实施方式
[0038]为了更好地理解本技术的技术方案，以下将结合附图及具体实施例对本技术的工作流程及有益效果进行详细说明。
[0039]本技术一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器是基于马赫
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曾德尔干涉和倏逝波原理，形成紧凑型微米级传感器，本传感器可以通过测量传感器干涉信号的波谷波长的偏移来测量折射率，能直接解调，实现实时检测。
[0040]具体地，参见图1，液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器由两根普通单模光纤（SMF）和一根光子晶体光纤2（PCF）组成，其从前往后依次为第一单模光纤1、光子晶体光纤2和第二单模光纤5。第一单模光纤1接放大自发辐射光源（ASE），ASE提供光源；第二单模光纤5接光纤传感分析仪（OSA）的光谱输入端，OSA用于分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液滴型空气腔的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，其特征在于，其从前往后依次包括第一单模光纤（1）、光子晶体光纤（2）和第二单模光纤（5），所述光子晶体光纤（2）的包层内有规则排列的空气孔（21），通过熔接技术于所述光子晶体光纤（2）的后端依次形成塌陷区（4）和光纤拉锥区（3），所述光纤拉锥区（3）内形成液滴型空气腔（31）和二氧化硅包层（33），所述二氧化硅包层（33）包覆液滴型空气腔（31）。2.根据权利要求1所述的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，其特征在于，所述传感器的环境折射率范围在1.4
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1.42之间，灵敏度高达3133.3nm/RIU。3.根据权利要求1所述的光纤马赫
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曾德尔折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤（...

【专利技术属性】
技术研发人员：王婷婷，孙瑾怡，杨凌旭，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：