细芯光纤模式干涉仪传感器制造技术

本发明专利技术属于涉及一种细芯光纤模式干涉仪传感器，现有的光纤型模式干涉仪都存在制作工艺复杂，原材料特殊，机械强度较低等缺点。本发明专利技术包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器；宽带光源通过标准单模光纤与环行器的Ｉ口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的ＩＩＩ口光连接，细芯单模光纤一端通过标准单模光纤与环行器的ＩＩ口光连接，另一端设置厚度为ｄ的反射膜，其中１００μｍ≤ｄ≤２００μｍ。连接一起的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。本发明专利技术的传感器制作工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种细芯光纤模式干涉仪传感器，可以在生物医学、化学检测、环境监测等领域用于检测抗体-抗原、化学试剂浓度、污水ra等多 种物质及特性。
技术介绍
光纤传感器是一种新型的传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小，质量轻， 抗电磁干扰，灵敏度高，耐腐蚀等优点，特别是全光纤型的传感器，便于与光纤传输系统组 成遥测网络，在恶劣、危险的环境下工作。按照光纤传感器中是否基于光栅结构，光纤传感 器可以分为光纤光栅传感器和非光栅型光纤传感器。 光纤光栅传感器是已经成为广泛使用的传感器，它分为两种，一种基于光纤布拉 格光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，是一种窄带的反射型的传感器；另一种基于长周 期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating, LPG)，是一种透射型的带阻传感器。这两种传 感器可以运用于应力，弯曲，等领域，同时也具有较高的信噪比。但其温度稳定性较低，因此 存在温度干扰，特别是长周期光纤光栅传感器，对温度更为敏感，其温度响应大约为0. 1 0. 3nm广C，这大大降低了传感器的稳定性和灵敏度。另外，普通光纤光栅在大于30(TC的环 境下就开始退火，因此不利于在高温环境下工作。 而非光栅型的光纤干涉仪传感器，由于其简单的制作工艺，低廉的成本以及较高 的温度稳定性，已经吸引越来越多的学者，成为当前学术界研究的热点。这类传感器设计思 想是构造一个光纤型模式干涉仪，由此激发传输光的高阶包层模式，并使高阶包层模和芯 模之间具有稳定的光程差并最后进行干涉，从而形成对外界待测量敏感的干涉仪传感器。 但现有的光纤型模式干涉仪都存在制作工艺复杂，原材料特殊，机械强度较低等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出了一种制作简单、高机械强度、低温度 敏感性的细芯光纤模式干涉仪传感器。该传感器利用光纤熔接处的细芯光纤来激发高阶模 式，并作为模式耦合器，从而形成对外界待测物质敏感的干涉仪传感器。 本专利技术包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行 器；宽带光源通过标准单模光纤与环行器的I 口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与 环行器的III 口光连接，细芯单模光纤的一端通过标准单模光纤与环行器的II 口光连接， 细芯单模光纤的另一端设置厚度为d的反射膜，其中100 ii m《d《200 ii m。 与环行器的II 口光连接的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。 本专利技术细芯光纤模式干涉仪传感器工作原理为光在单模光纤中是单模传输的， 只存在芯层传输的基模。当光传入细芯光纤后，由于纤芯大小不同，导致光无法再单模传 输，高阶包层模式被激发。由于不同的高阶包层模式在光纤内传输时有效折射率不一样，因 此，不同模式的光经细芯光纤端面反射膜的反射后，到达单模光纤时，和芯层传输的基模发生干涉，从而形成局部的相长干涉和相消干涉。对某个具体透射谷的相消干涉条件可以表 达为2兀[《(义)—《(义,加)]麥=(2A: + l);r ( 1 )乂D 其中，A。是相消干涉波长，rwr是芯层的有效折射率，r^fd'J是第j阶包层模的有效折射率，nrat是外界物质的折射率，L是细芯光纤的长度，k是整数。 细芯光纤模式干涉仪传感器的干涉图样反应了传感特性。因为形成的局部相长干涉和相消干涉取决于细芯光纤的长度和激发出的高阶模式，当外界折射率改变时，高阶模式的特性将随之改变，从而影响传感器的干涉图样。此传感器对外界折射率的响应可以表示为<formula>formula see original document page 4</formula> 其中，Ar^f是芯层模式和基模的有效折射率差。作为传感器，温度稳定性是一个 重要参数，本专利技术提出的细芯光纤模式干涉仪的温度性应可以表示为<formula>formula see original document page 4</formula> 本专利技术的传感器制作工艺简单，不像光纤光栅传感器需要包括激光器在内的一整 套光栅刻写系统，仅仅需要一套光纤熔接设备和两种不同芯径的单模光纤。鉴于本专利技术具 有很高的折射率敏感性和温度稳定性，因此可以在此传感器上镀上生物敏感膜，pH敏感高 分子膜等物质，来检测特定的生物分子或者水溶液pH值等。附图说明 图1是本专利技术的结构示意图； 图2为不同细芯光纤长度的细芯光纤模式干涉仪传感器的干涉图； 图3为本专利技术的温度响应特性图； 图4为本专利技术对外界折射率的响应特性图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术作进一步的说明 如图1所示，细芯光纤模式干涉仪传感器包括细芯单模光纤5、反射膜6、宽带光源 1、光谱分析仪2和环行器4 ;宽带光源1通过第一标准单模光纤3-1与环行器6的I 口光 连接，光谱分析仪5通过第二标准单模光纤3-2与环行器6的III 口光连接，细芯单模光纤 2 (如，Nufern 460-HP，芯径约3 y m，截止波长450nm) —端通过第三标准单模光纤3_3 (如， Corning SMF-28，芯径约8 y m)与环行器4的II 口光连接，另一端设置厚度为200 y m的反 射膜3。 连接一起的第三标准单模光纤3-3和细芯单模光纤5同轴设置，两者之间采用熔 接技术连接，反射膜是由溅射机溅射所形成。宽带光源1发出的光进入环行器4的I 口后， 由II 口出射，经细芯单模光纤末端的反射膜反射后进入环行器4的I1 口，并由III 口出射， 光谱分析仪2接收并分析此干涉信号。 因为该传感器中细芯光纤的长度将会影响干涉图样，在传感器的制作过程中，接 入不同长度的细芯光纤，其干涉特性如图2所示，其中，(a)细芯单模光纤长度为lcm、 (b) 细芯单模光纤长度为2cm、 (c)细芯单模光纤长度为3cm。因此可以通过改变细芯单模光纤 的长度来设计特殊传输波长和带宽的传感器。 温度响应特性是传感器很重要的一个指标，直接关系到其工作的稳定性。本专利技术 使用一个可编程的控温炉测试了接入lcm长细芯单模光纤的传感器样本的温度稳定性。如 图3所示，相消干涉波长的位置随着温度的上升向长波方向漂移，而且两者呈现一个良好 的线性关系。其温度稳定性为9. 8pm广C ，相比于FBG和LPG传感器，本专利技术具有非常良好的 温度稳定性。 为了证明本专利技术可以应用于生物医学，化学检测，环境监测等传感领域，为此研究 了该传感器对外界折射率的响应特性。利用该传感器对不同浓度的蔗糖溶液进行了折射率 测试，质量百分比分别为:(1. 381、5. 123、8. 425、11. 817、14. 821、18. 033、21. 136、24. 242、 26. 901、29. 577、32. 432、35. 065);对应的折射率为(1. 3346、 1. 3400、 1. 3448、 1. 3500、 1. 3547、1. 3599、1. 3651、1. 3704、1. 3750、1. 3798、1. 3850、1. 3899)。结果如图4所示，该传 感器的折射率灵敏度高达105nm/R. I. U，且具有较好的线性关系。 因此这种具有高灵敏度和温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
细芯光纤模式干涉仪传感器，包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器，其特征在于：宽带光源通过标准单模光纤与环行器的Ⅰ口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的Ⅲ口光连接，细芯单模光纤一端通过标准单模光纤与环行器的Ⅱ口光连接，另一端设置厚度为ｄ的反射膜，其中１００μｍ≤ｄ≤２００μｍ；与环行器的Ⅱ口光连接的标准单模光纤和细芯单模光纤同轴设置。

【技术特征摘要】
细芯光纤模式干涉仪传感器，包括标准单模光纤、细芯单模光纤、反射膜、宽带光源、光谱分析仪和环行器，其特征在于宽带光源通过标准单模光纤与环行器的I口光连接，光谱分析仪通过标准单模光纤与环行器的I...

【专利技术属性】
技术研发人员：张阿平，顾波波，夏天豪，何赛灵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]