本发明专利技术属于光纤传感领域，主要涉及灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及制作方法；包括顺次设置的注光区、调制区、传感区、收光区，注光区为纵横排芯光纤，调制区及收光区为渐变折射率光纤，传感区为加工有平底凹槽的渐变折射率光纤，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上；光信号由注光区射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，有效的使纤芯中的传输光模式单一，光束到达凹槽，与覆盖在凹槽表面的金属膜接触发生SPR效应，同时调节凹槽的深度和注光纤芯，可改变SPR入射角，调整曲率传感灵敏度和线性度。本发明专利技术解决了目前光纤SPR曲率传感器灵敏度低，难以调节灵敏度、线性度、多通道及方向识别的问题。向识别的问题。向识别的问题。
【技术实现步骤摘要】
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法
[0001]本专利技术属于光纤传感器领域，具体涉及灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法。
技术介绍
[0002]已提出的光纤SPR曲率传感器是阶跃折射率多模纤芯型或光纤包层型,在阶跃折射率多模光纤纤芯表面或光纤包层的表面镀制传感金属膜，光源光进入阶跃折射率多模光纤纤芯或光纤包层中，传输的多个高阶模式与金属膜接触发生SPR，接收光谱产生SPR共振谷；光纤弯曲时，传输光各个模式与金属膜夹角发生改变(但是各个模式与金膜初始夹角不一样，改变量大小也不一样)，SPR共振谷波长发生移动(各个模式移动量综合叠加导致)，共振波长移动量可解调出曲率值。有研究人员通过刻蚀阶跃折射率多模光纤，在纤芯上镀传感膜作为弯曲传感区构造光纤SPR曲率传感器，灵敏度为1.50nm/m
‑1(SU Y,WEI Y,ZHANG Y,et al.Surface
‑
Plasmon
‑
Resonance
‑
Based Optical Fiber Curvature Sensor with Temperature Compensation by Means of Dual Modulation Method[J].Sensors(Basel),2018,18(8).)。还有在阶跃多模光纤的纤芯上侧表面镀制传感半膜，实现曲率及弯曲方向的检测(WEI Y,HU J,LIU C,et al.Fiber semi
‑
film SPR curvature sensor with the function of directional recognition[J].Results in Optics,2020,1.)，灵敏度为0.71nm/m
‑1。有研究人员还采用不对称结构的D型多模光纤，实现了光纤SPR多通道曲率传感和弯曲方向识别，(WEI Y,LIU C,LIU C,et al.Multichannel Directional Recognition SPR Curvature Sensor Based on D
‑
Type Double
‑
Clad Multimode Fiber[J].IEEE Sensors Journal,2022,22(22):21719
‑
26.)灵敏度为0.61nm/m
‑1。有研究人员构造了异质芯结构的光纤SPR曲率传感器(LIU C,HU J,WEI Y,et al.Fiber cladding SPR bending sensor characterized by two parameters[J].Chinese Physics B,2020,29(12).)，波长灵敏度最高为0.76nm/m
‑1。有研究人员提出在单模光纤包层表面镀制传感膜，并利用弯曲将纤芯中的光耦合进光纤包层，实现光纤包层型SPR曲率传感(WEI Y,LIU C,LIU C,et al.Single
‑
mode fiber curvature sensor based on SPR[J].Appl Opt,2022,61(15):4620
‑
6.)，灵敏度最高为0.26nm/m
‑1。
[0003]已提出的光纤SPR曲率传感器是对阶跃折射率多模光纤纤芯或光纤包层全注光，传输光在阶跃折射率多模纤芯中或包层中传输，会激发不同模式的传输光，发生SPR的模式众多，不同模式的SPR入射角不一样，SPR共振谷波长也不同，而最终整体SPR共振谷是由各模式产生的共振谷叠加而成，导致共振谷较宽。光纤弯曲时各模式的传输光与传感膜接触的SPR入射角都发生改变，进而使共振谷对应的波长改变，但不同模式与传感膜接触的SPR入射角不同；弯曲时，对于不同模式，相同角度量改变，SPR共振谷移动量不同，SPR共振谷整体随弯曲移动是各模式SPR共振谷移动叠加的综合结果，使得目前光纤SPR曲率传感器灵敏度较低。同时，由于不同的SPR入射角具有不同的灵敏度，但只知道各传输模式与传感膜之间全反射角的变化趋势，不能将模式单一，也不能控制传输光与传感膜之间的全反射角，进
而不能调节灵敏度。基于此，有必要开发一种曲率灵敏度高，并能调节曲率灵敏度的新型光纤SPR曲率传感器。
技术实现思路
[0004]鉴于此，本专利技术的目的在于提供传输光模式单一，灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法。
[0005]灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，从左至右依次包括注光区，调制区，传感区，收光区，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上，注光区右端与调制区左端正对熔接。
[0006]所述注光区为纵横排芯光纤，一共有7根直径均为5μm的石英纤芯，本文纵横排芯光纤指多根石英纤芯并排，其截面呈L形排布，光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯，同一轴线上两个相邻石英纤芯间距为10μm，石英包层直径为125μm。所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度。所述传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。所述收光区为渐变折射率光纤，其塑料涂覆层直径为250μm，长度大于0.5m。
[0007]灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的传感原理：光信号由注光区的单模光束射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，有效的使纤芯中的传输光模式单一，光束到达第一凹槽传感区，与覆盖在凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应，然后继续向前传输，纤芯中的光束汇集于收光区，最终传送至光谱仪处理。当凹槽传感区发生弯曲时，会改变SPR入射角，进而使传感光谱上的SPR共振谷发生移动，构建弯曲量与SPR共振波长之间的关系，实现曲率传感。同时凹槽发生内凹弯曲SPR入射角增大，SPR共振谷向短波长移动；外凸弯曲时，SPR入射角减小，SPR共振谷向长波长移动，利用SPR共振谷的移动方向不同实现弯曲方向识别。
[0008]灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其灵敏度调节原理：一共有两种灵敏度调节方式，其中第一种灵敏度调节方式：所述第一凹槽的深度是可调的，深度调节范围为10
‑
62.5μm，当注光区的注光位置固定(即余弦光束的传输轨迹不变)，凹槽深度逐渐加深时，经调制区调制后的余弦传输光束与凹槽表面传感膜接触发生的SPR入射角随之变大，此时弯曲凹槽传感区，曲率灵敏度变本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于，包括顺次设置的注光区，调制区，传感区，收光区，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上，注光区与调制区正对熔接；所述注光区为纵横排芯光纤，共有7根呈L形排布石英纤芯，其中光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯；所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，塑料涂覆层直径为250μm，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度；所述传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm；所述收光区为渐变折射率光纤，其长度大于0.5m。2.根据权利要求1所述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述传感区的凹槽深度的范围为10
‑
62.5μm，曲率灵敏度随凹槽深度增大而减小，曲率线性度随凹槽深度增大而增大；对注光区不同纤芯注光，以调节传感器灵敏度和线性度，注光纤芯与光纤中心轴线的距离越大，传感区的SPR入射角越小，对应的曲率传感灵敏度越大，而线性度越低。3.一种灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的制作方法，其特征在于：S1取一段渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间的部分涂覆层，擦拭后将光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，用CO2激光器在光纤上刻蚀形成长度为1mm，深度为56μm的平底凹槽；S2将刻蚀有凹槽的渐变折射率光纤放入光纤定长切割系统中，旋转螺旋微分头使切割刀在平面凹槽结构前1000μm处进行切割；S3将定长切割完成后带有凹槽结构的渐变折射率光纤，放入保偏熔接机的光纤夹具中，并在显微镜下调整凹槽的朝向，使凹槽开口朝向竖直向上并固定，再放入保偏熔接机的右端；S4将已切平的纵横排芯光纤放入保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向左，并锁定光纤夹具，再将固定好的纵横排芯光纤及光纤夹具放入保偏熔接机的左端，最后与渐变折射率光纤调制区的左端正对熔接；S5通过等离子溅射仪对凹槽区镀制50nm金膜，用光纤涂覆机光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致。4.一种灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：S1用保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤左侧端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向右，并将光纤夹具锁定，再将固定好纵横排芯光纤的光纤夹具一同放入三维微动台的右端；S2将端面平整、直径为4μm的单模光纤放入三维微动台的左端，调制三...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏勇，石晨，刘纯彪，刘春兰，唐一雄，任谱熹，
申请(专利权)人：重庆三峡学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。