CN102323239A - 一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器。包括光源、单模光纤环行器或单模光纤耦合器、光纤锥、非对称双芯光纤、反射镜和光电检测装置；光源与单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第一端口相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第二端口通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第三端口与光电检测装置相连，反射镜位于非对称双芯光纤的另一端。本发明利用非对称双芯光纤中边芯的基模有效折射率对外界折射率变化敏感，而内芯的基模有效折射率对外界折射率变化不敏感的特性，构成基于非对称双芯光纤的集成式Michelson干涉仪，实现对折射率的高精度测量。

Description

一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感，具体涉及一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器。

背景技术

折射率是液体的一个基本物理性能参数，作为物质的重要光学属性之一，在光学领域中具有极其重要的地位。折射率的测量在化工、生物、制药和食品等领域具有非常广泛的应用，很多物理或化学参数如混合物中某中某种物质的含量等都可以通过测量折射率来获得。传统的测量折射率的方法为测角法，分为测最小偏向角和临界角两种方法。但是这两种方法需要采样测量，测量时间长，一般不易实现在线检测和远程监测。

光纤传感技术具有体积小、抗腐蚀、容易实现在线测量和远程监测等优点，在液体折射率测量领域获得越来越多的应用。

基于光强调制的光纤液体折射率传感器具有结构简单、成本低的优点。目前已经存在的强度调制型光纤折射率传感器包括：基于螺旋形波导弯曲损耗的光纤折射率传感器和基于反射式强度调制的光纤折射率传感器。但是强度调制的光纤折射率传感器的传感信号直接与接收光强有关，因此容易受外界环境的干扰。光纤光栅作为波长调制型传感器，从本质上排除了光强起伏引起的干扰，具有很高的可靠性和稳定性。尤其是长周期光纤光栅(LPG)，由于其对周围介质折射率变化敏感，因而被广泛用于液体折射率的测量。但是长周期光纤光栅不仅对折射率敏感，对环境温度的变化也非常敏感，温度稳定性较差。表面等离子谐振(SPR)也被用于液体折射率的测量。但是通常基于SPR的折射率传感器需要将光纤包层去除，在纤芯表面镀上敏感膜，制作复杂，而且不同的被测物质，通常需要镀不同的敏感膜。

基于干涉结构的光纤传感器具有结构简单、灵敏度高和制作方便等优点。但是传统的基于干涉结构的光纤折射率传感器的两个干涉臂(传感臂和参考臂)是彼此独立的，集成度不高，而且需要对两臂的光程进程匹配。最近提出的对光纤拉锥或利用飞秒激光器在光纤芯上制作微孔的方法可以将传感器集成到一根光纤中。但是基于光纤锥的折射率传感器的干涉是发生在纤芯模和多个包层模之间，为多模干涉，干涉谱中不同的干涉峰对折射率的敏感度不一致；而基于微孔的结构需要价格昂贵的飞秒激光器，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量灵敏度高，***的稳定性好，制作方便、成本低的基于非对称双芯光纤的折射率传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、单模光纤环行器或单模光纤耦合器、光纤锥、非对称双芯光纤、反射镜和光电检测装置；光源与单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第一端口相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第二端口通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第三端口与光电检测装置相连，反射镜位于非对称双芯光纤的另一端；所述的非对称双芯光纤包括内芯和边芯，两个纤芯的基模有效折射率对外界环境折射率变化的响应不同。

本发明还可以包括：

1、所述的非对称双芯光纤的内芯与包层-空气界面的距离大于10μm，边芯与包层-空气界面的距离小于1μm；内芯与边芯的直径可以是相同的，也可以是不同的；内芯与边芯的折射率可以是相同的，也可以是不同的。

2、所述的反射镜是切割良好的光纤端面或者是镀于光纤端面的金属膜。

3、所述的光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；所述光纤锥把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的内芯和边芯中，或者是将内芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中。

4、所述的光源可以是宽谱光源，也可以为可调谐窄带光源；所述的光电检测装置可以是光谱分析仪，也可以是光功率计。

本发明利用非对称双芯光纤中边芯的基模有效折射率对外界折射率变化敏感，而内芯的基模有效折射率对外界折射率变化不敏感的特性，构成基于非对称双芯光纤的集成式Michelson干涉仪，实现对折射率的高精度测量。

本发明是基于光纤干涉原理，利用非对称双芯光纤中不同位置的光纤芯的基模有效折射率对环境折射率变化的响应不同，通过监测宽谱光干涉峰的波长漂移或可调谐窄谱光的干涉强度的变化来测量折射率的变化。下面以使用宽谱光源进行测量为例，具体给出本发明专利的工作原理。

如图2所示的非对称双芯光纤，由内芯、边芯和包层组成。设非对称双芯光纤的长度为L，内芯和边芯的折射率分别为n₁和n₂，双芯光纤周围的环境折射率为n。那么根据干涉原理，干涉谱中的干涉峰对应两个纤芯的光程差等于峰值所在处波长的整数倍，即对于某个干涉峰，有

(n₁-n₂)L＝mλ                (1)

其中m为整数，λ是干涉峰所在处对应的波长。

由于非对称双芯光纤的内芯周围包层的厚度大于10μm，可以近似认为其纤芯基模的有效折射率不受外界环境折射率变化的影响；而边芯距离光纤界面的距离小于1μm，其纤芯基模的有效折射率会随着外界环境折射率变化的而变化。设果双芯光纤周围环境的折射率变化δn会引起双芯光纤中边芯的有效折射率产生Δn的变化，那么双芯光纤的内芯与边芯之间的光程差变为：(n₁-n₂)L+ΔnL。

由于两路干涉臂的光程差发生变化，透射光谱中干涉峰的位置会发生偏移，设偏移量为Δλ。通常外界环境折射率的改变量较小，所引起的光纤芯光程差的变化不会超过一个波长，那么对于新的干涉峰所对应的波长λ+Δλ，有

(n₁-n₂)L+ΔnL＝m(λ+Δλ)            (2)

结合公式(1)和公式(2)，得到

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{\mathrm{\λ}\·\mathrm{\Δn}}{n_1-n_2}---\left(3\right)$

从公式(3)可以看出，对于确定的干涉峰和确定的非对称双芯光纤，透射谱中干涉峰的位置移动只与折射率变化有关。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的折射率传感器是基于光纤干涉原理，既可以利用宽谱光监测干涉峰位置的变化，又可以利用可调谐窄谱光监测干涉光强的变化来测量折射率的变化，测量灵敏度高。

(2)本发明的折射率传感器，利用非对称双芯光纤将传感臂与参考臂集成在一根光纤中，结构紧凑，可以有效降低外界环境温度的扰动对测量结果的影响，提高了***的稳定性。

(3)本发明的折射率传感器，不需要复杂的光栅写入设备，也不需要腐蚀或抛磨，制作方便，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例一中的基于非对称双芯光纤的折射率传感器的结构示意图。

图2是一种非对称双芯光纤的端面结构示意图。

图3是本发明实施例二中的基于非对称双芯光纤的折射率传感器的结构示意图。

图4是利用实施例二中的光纤折射率传感器测得的不同浓度酒***溶液的光谱。

具体实施方式

以下结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例一：结合图1，本发明的一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，由光源1、单模光纤环行器2、光纤锥3、非对称双芯光纤4，位于非对称双芯光纤端面的反射镜5和光电检测装置6组成；光源1与光纤环行器2的端口21相连，光纤环行器2的端口22与非对称双芯光纤4通过光纤锥3相连，光纤环行器2的端口23与光电检测装置6相连。

结合图2，非对称双芯光纤4包括位于包层43中的内芯41和边芯42；内芯41与包层-空气界面的距离大于10μm，边芯42与包层-空气界面的距离小于1μm；内芯41与边芯42的折射率不同，分别为n₁和n₂。光源1为宽谱光源，光电检测装置6为光谱分析仪，反射镜5为切割良好的光纤端面。光纤环行器的端口22与非对称双芯光纤4之间的光纤锥3是通过熔融拉锥的方式制作的。

在工作时，宽谱光源1发出的光经过光纤环行器2到达光纤锥3，并通过光纤锥3耦合入非对称双芯光纤4的两个芯41和42中。两束光分别沿纤芯41和42传输反射镜5反射，两路反射光再次经光纤锥3耦合后在光纤环行器2的端口22处发生干涉，干涉信号经环行器2的端口23被光谱分析仪6检测。如果外界环境的折射率发生变化，边芯42的的基模有效折射率会随之发生改变，而内芯41的基模有效折射率可以认为不变。那么在两个纤芯中传输的光信号的光程差会发生变化，从而引起光谱分析仪6显示的干涉光谱的干涉峰的位置发生移动。因此，通过监测干涉峰的位置就可以方便地实现对外界环境折射率变化的测量。

实施例二：结合图3，本发明的另一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，由光源1、单模光纤耦合器7、光纤锥3、非对称双芯光纤4，位于非对称双芯光纤端面的反射镜5和光电检测装置6组成；光源1与光纤耦合器7的端口71相连，光纤耦合器7的端口72与非对称双芯光纤4通过光纤锥3相连，光纤耦合器7的端口74与光电检测装置6相连，光纤耦合器7的端口73空置。

结合图2，非对称双芯光纤4包括内芯41和边芯42；内芯41与包层-空气界面的距离大于10μm，边芯42与包层-空气界面的距离小于1μm；内芯41与边芯42的折射率不同，分别为n₁和n₂。光源1为宽谱光源，光电检测装置6为光谱分析仪，反射镜5为切割良好的光纤端面。光纤环行器的端口72与非对称双芯光纤4之间的光纤锥3是通过熔融拉锥的方式制作的。

在工作时，宽谱光源1发出的光经过光纤耦合器7到达光纤锥3，并通过光纤锥3耦合入非对称双芯光纤4的两个芯41和42中。两束光分别沿纤芯41和42传输，被反射镜5反射，两路反射光再次经光纤锥3耦合后在光纤耦合器7的端口72处发生干涉，干涉信号经耦合器7的端口74被光谱分析仪6检测。如果外界环境的折射率发生变化，边芯42的的基模有效折射率会随之发生改变，而内芯41的基模有效折射率可以认为不变。那么在两个纤芯中传输的光信号的光程差会发生变化，从而引起光谱分析仪6显示的干涉光谱的干涉峰的位置发生移动。因此，通过监测干涉峰的位置就可以方便地实现对外界环境折射率变化的测量。

图4为利用图3所示结构的光纤折射率传感器测得的不同浓度的酒***溶液的光谱。其中，曲线A为蒸馏水的光谱，曲线B为酒精与蒸馏水的体积比为1/25时的光谱，曲线C为酒精与蒸馏水的体积比为2/25时的光谱。

Claims (5)

1.一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，包括光源、单模光纤环行器或单模光纤耦合器、光纤锥、非对称双芯光纤、反射镜和光电检测装置；其特征是：光源与单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第一端口相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第二端口通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第三端口与光电检测装置相连，反射镜位于非对称双芯光纤的另一端；所述的非对称双芯光纤包括内芯和边芯，两个纤芯的基模有效折射率对外界环境折射率变化的响应不同。

2.根据权利要求1所述的一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，其特征是：所述的非对称双芯光纤的内芯与包层-空气界面的距离大于10μm，边芯与包层-空气界面的距离小于1μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，其特征是：所述的反射镜是切割良好的光纤端面或者是镀于光纤端面的金属膜。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，其特征是：所述的光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；所述光纤锥把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的内芯和边芯中，或者是将内芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中。

5.根据权利要求3所述的一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器，其特征是：所述的光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；所述光纤锥把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的内芯和边芯中，或者是将内芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中。

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