CN102621099A - 一种微纳光纤折射率传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤折射率传感器及其制备方法，该传感器包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、微纳光纤环和光谱分析仪，其中微纳光纤环包括双折射微纳光纤耦合区和双折射微纳光纤环；由宽带光源发出的光进入微纳光纤环，形成的两个相反方向传播的光经双折射微纳光纤环产生偏振相位差，经双折射微纳光纤耦合区合波后形成偏振干涉光，最后由光谱分析仪检测输出。本发明中的微纳光纤环是由具有双折射特性的微纳光纤两端部相互交叉或并排靠近形成的。本发明采用具有双折射特性的微纳光纤形成双折射微纳光纤耦合区和双折射微纳光纤环，构成微纳光纤环进行传感，结构具备可调性，且传感灵敏度高、温度稳定性好。

Description

一种微纳光纤折射率传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器设计领域，特别涉及一种微纳光纤折射率传感器及其制备方法。

背景技术

与电子器件一样，微型化、集成化也是光子器件发展的必然趋势。实现在波长或者亚波长尺度对光信号的操控对于构建超紧凑的微纳光子器件和高密集的集成光路具有重要意义。微纳光纤作为一种典型的微纳光波导，具有制备简单的优点，且其良好的直径均匀度和表面光滑度，可用于低损耗光传输，并在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、倏逝波传输和大波导色散等优良特性。目前正被快速的应用于新型光纤传感器研究，具有广阔的发展前景。

光纤折射率传感器，因其低损耗、耐化学腐蚀、抗电磁干扰等优良特点被广泛应用于环境监测、食品安全、医药开发、临床检验等领域。高灵敏度光纤折射率传感器吸引了人们的研究兴趣，利用微纳光纤大的倏逝场效应和易于耦合的特性，许多实现方法被提了出来，其中包括微纳光纤环形谐振腔、微纳光纤耦合器、微纳光纤布拉格光栅和微纳光纤长周期光栅等。然而这些方法的传感灵敏度和温度稳定性目前仍受到很大的局限，例如文献“Fei Xu，Peter Horak，and Gilberto Brambilla.Optical microfiber coil resonator refractometric sensor.Optics Express，2007，15：7888-7893.”中的方法理论获得灵敏度为700nm/RIU(单位折射率)，“Yang Ran，Yan-Nan Tan，Li-Peng Sun，Shuai Gao，Jie Li，LongJin，and Bai-Ou Guan.193nm excimer laser inscribed Bragg gratings in microfibersfor refratctive index sensing.Optics Express，2011，19：18577-18583.”利用193nm准分子激光器在微纳光纤上刻写布拉格光栅制作折射率传感器，这种方法制作工艺较复杂，实测灵敏度仅为165nm/RIU。再如文献“Haifeng Xuan，Wei Jin，andMin Zhang.CO2 laser induced long period gratings in optical microfibers.OpticsExpress 2009，17：21882-21890.”测量的灵敏度达到1900nm/RIU，温度敏感度为-130pm/℃，并且制作方法引入了光纤的表面损伤，结构缺乏韧性。

因此，研究一种不仅具有高灵敏度，且温度稳定性强、结构紧凑的光纤折射率传感器成为一个极具价值的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤折射率传感器，该传感器利用具有双折射特性的微纳光纤独特的双折射及其色散效应以及材料特性，获得现有技术中所无法达到的超高灵敏度、极好的温度稳定性和结构紧凑性。

本发明的另一目的在于，提供一种微纳光纤折射率传感器的制备方法，使之能够以小巧的结构实现更高的折射率传感灵敏度，并能排除温度交叉敏感性，可以实现对外界环境折射率微变量高精度传感测量。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种微纳光纤折射率传感器，包括依次相连的宽带光源、微纳光纤环和光谱分析仪，宽带光源、光谱分析仪均通过标准光纤与微纳光纤环相连；所述微纳光纤环由具有双折射特性的微纳光纤两端部扭转或者对折形成，所述微纳光纤两端相互靠近的部分形成双折射微纳光纤耦合区，中部未靠近的部分形成双折射微纳光纤环；所述具有双折射特性的微纳光纤两端与标准光纤熔接。在本发明中，宽带光源发出的光经标准光纤进入双折射微纳光纤耦合区后，发生偏振态旋转，并在双折射微纳光纤环中形成两个相反方向传播的光束，这两束光在经过双折射微纳光纤环之后产生偏振相位差，经双折射微纳光纤耦合区合波后形成偏振干涉光谱，最后由光谱分析仪检测输出，改变双折射微纳光纤环周围待测物质的折射率，计算干涉光谱的波长漂移量，进而推断出待测物质折射率的变化。

优选的，所述具有双折射特性的微纳光纤具体是：将包层具有矩形或类矩形的二重对称结构的光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后微纳光纤横截面的最长边尺寸不高于10μm。或者将熊猫光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后的微纳光纤截面直径尺寸不高于10μm。

优选的，所述双折射微纳光纤耦合区是双绞线或平行结构。由具有双折射特性的微纳光纤两端部扭转形成的，则其光纤耦合区为双绞线结构，由具有双折射特性的微纳光纤两端部对折形成的，则其光纤耦合区为平行结构。

优选的，所述双折射微纳光纤耦合区长度可调。因此可以根据需要改变传感器的光谱特性。

优选的，所述双折射微纳光纤环尺寸可调。因此可以根据需要改变传感器的光谱特性。

更进一步的，所述双折射微纳光纤环的直径为1mm-10cm.

优选的，所述具有双折射特性的微纳光纤包括光纤纤芯和将所述光纤纤芯包围的光纤包层，其中光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。

本发明还给出了一种上述微纳光纤折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作具有双折射特性的微纳光纤，该微纳光纤的两端分别熔接有标准光纤；

(2)将步骤(1)所述的微纳光纤两端部相互交叉或并排靠近，形成一个环，交叉或靠近的部分形成双折射微纳光纤耦合区，未交叉或靠近的部分形成双折射微纳光纤环，双折射微纳光纤耦合区和双折射微纳光纤环一起构成微纳光纤环；，

(3)步骤(2)得到的微纳光纤环通过其两端熔接的标准光纤分别与宽带光源和光谱分析仪连接组成闭合光路，从而构成微纳光纤环折射率传感器。

优选的，所述步骤(2)中，微钠光纤环是采用如下步骤制作的：将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤两端部相互交叉，然后将与其两端熔接好的标准光纤分别固定于旋转器上，调节旋转器的位置使交叉部分呈一个小于90度的角度，同向旋转旋转器，那么从交叉点以后的具有双折射特性的微纳光纤就被扭转形成双绞线结构，扭转交叉部位形成双折射微纳光纤耦合区，未交叉部分形成双折射微纳光纤环。

更进一步的，所述标准光纤固定在旋转器上时，调节旋转器的位置使交叉部分呈45度。

优选的，所述步骤(2)中，微钠光纤环是采用如下步骤制作的：将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤对折，使两端部相互靠近，通过范德瓦耳斯力、静电力和扭转力，在相互靠近的部分形成平行结构的双折射微纳光纤耦合区，在未靠近的部分形成双折射微纳光纤环。

优选的，所述步骤(2)中微纳光纤绕成一个环，环的位置为具有双折射特性的微纳光纤的腰部均匀区。

在使用时，将微纳光纤环置于待测物质中，由于物质的折射率变化引起器件的干涉谱图发生漂移，测量其波长漂移量从而可探知物质折射率的变化。将微纳光纤环置于电阻炉内测量其温度特性，由于物质的热膨胀引起双折射变化，干涉谱图发生漂移，测量其波长漂移量随温度的变化从而得知该传感器的温度稳定特性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出了一种温度不敏感、折射率灵敏度高的微纳光纤折射率传感器，采用二重对称结构的具有双折射特性的微纳光纤，利用其独特的双折射色散特性及材料特性，实现了超高灵敏度的折射率传感，本发明突破了现有方案对灵敏性的限制，其灵敏度可达24373nm/RIU或以上。

2、本发明与传统光学折射率传感器相比，具有体积小、重量轻、可与光纤***兼容、可远距离监测等优点。

3、本发明与其它光纤型折射率传感器相比，具有尺寸更小、结构简单、便于集成、反应速度快等优点。

4、本发明与现有微纳光纤型折射率传感技术相比，具有更高的灵敏度，且温度稳定性好，其温度稳定性可优于0.005nm/℃，有效避免了温度交叉敏感特性。

5、本发明中的双折射微纳光纤耦合区具备灵活可调性，能够改变传感器的光谱特性。

6、本发明中的双折射微纳光纤环尺寸具备可调性，能够改变传感器的光谱特性。

7、本发明具备用于滤波器的潜质。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1进行折射率测量时的结构示意图；

图3是本发明实施例1进行温度测量时的结构示意图；

图4是应用本发明的传感器进行折射率溶液的测量数据与理论计算曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种微纳光纤折射率传感器，包括依次相连的宽带光源1、微纳光纤环和光谱分析仪4，宽带光源1、光谱分析仪4均通过标准光纤10与微纳光纤环相连。在本实施例中，所述微纳光纤环由具有双折射特性的微纳光纤两端部扭对折形成，所述微纳光纤两端相互靠近的部分形成双折射微纳光纤耦合区2，中部未靠近的部分形成双折射微纳光纤环3；所述具有双折射特性的微纳光纤两端与标准光纤10熔接。在本发明中，宽带光源1发出的光经标准光纤10进入双折射微纳光纤耦合区2后，发生偏振态旋转，并在双折射微纳光纤环3中形成两个相反方向传播的光束，这两束光在经过双折射微纳光纤环3之后产生偏振相位差，经双折射微纳光纤耦合区2合波后形成偏振干涉光谱，最后由光谱分析仪4检测输出，改变双折射微纳光纤环3周围待测物质的折射率，计算干涉光谱的波长漂移量，进而推断出待测物质折射率的变化。

所述具有双折射特性的微纳光纤具体是：将包层具有矩形或类矩形的二重对称结构的光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后经过光纤横截面中心的最长边和最短边的长度比值为1.05～5.0，拉锥后微纳光纤横截面的最长边尺寸不高于10μm，一般尺寸可为10nm～5μm。

本实施例中，所述双折射微纳光纤耦合区2是由具有双折射特性的微纳光纤两端部对折形成的，因此其光纤耦合区为平行结构。

所述双折射微纳光纤耦合区2长度可调。因此可以根据需要改变传感器的光谱特性。

所述双折射微纳光纤环3尺寸可调。因此可以根据需要改变传感器的光谱特性。所述双折射微纳光纤环3的直径为1mm-10cm.

所述具有双折射特性的微纳光纤包括光纤纤芯和将所述光纤纤芯包围的光纤包层，其中光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。

本实施例还给出了一种上述微纳光纤折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作具有双折射特性的微纳光纤，该微纳光纤的两端分别熔接有标准光纤；

(2)将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤对折，使两端部相互靠近，形成一个环，通过范德瓦耳斯力、静电力和扭转力，在相互靠近的部分形成平行结构的双折射微纳光纤耦合区，在未靠近的部分形成双折射微纳光纤环，双折射微纳光纤耦合区和双折射微纳光纤环一起构成微纳光纤环；

(3)步骤(2)得到的微纳光纤环通过其两端熔接的标准光纤分别与宽带光源和光谱分析仪连接组成闭合光路，从而构成微纳光纤环折射率传感器。

所述步骤(2)中微纳光纤绕成一个环，环的位置为具有双折射特性的微纳光纤的腰部均匀区。

本发明的原理是：由于微纳光纤的具有双折射效应，双折射微纳光纤环中传输光波的两个偏振态产生光程差，经双折射微纳光纤耦合区合波后形成偏振干涉光谱。

在上述光纤环形镜中，由于双折射效应引起的两路光的相位差Φ，表示为：Φ＝(2π/λ)BL。其中，λ是光波长，B＝n_i-n_j是微纳光纤双折射，n_i、n_j分别是波导两个偏振模式的有效折射率，L是微纳光纤环的长度。在理论上，为不失一般性，在耦合区的输入和输出场可表示为E_3x，y＝k_1x，y E_1x，y+k_2x，yE_2x，y和E_4x，y＝k_2x，yE_1x，y+k_1x，yE_2x，y，其中k_1x，y和k_2x，y是耦合区x和y偏振态的耦合系数，那么输出能量P′_2x，y的表示式为：

$P_{2x,y}^{\′}={(k_{1x,y}^2+k_{2x,y}^2)}^2{P}_{1x,y}-{\sin }^2{2\mathrm{\θ}\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}[{(k_{1x,y}^2+k_{2x,y}^2)}^2{P}_{1x,y}-{(k_{1x}{k}_{1y}-k_{2x}{k}_{2y})}^2{P}_{1y,x}]$

其中P_1x，y为输入能量。因而透射谱T＝P′_2x，y/P_1x，y可以由参数k_1x，y、k_2x，y、θ和相位差φ表示出来。光谱与外部折射率的关系可以表示为：

$S=\mathrm{d\λ}/\mathrm{dn}=(\mathrm{\λ}\·\∂B/\∂n)/(B-\mathrm{\λ}\∂B/\∂\mathrm{\λ}).$

在进行折射率测量时，如图2所示，将微纳光纤环置于待测物质7中，微纳光纤环通过光纤封装装置5进行封装，然后对待测物质进行水浴加热，6表示水，由于物质的折射率变化引起器件的干涉谱图发生漂移，测量其波长漂移量从而可探知物质折射率的变化。

在进行温度测量时，如图3所示，将微纳光纤环置于电阻炉8中，微纳光纤环通过光纤封装装置9进行封装，电阻炉根据实验要求进行发热，由于物质的热膨胀引起双折射变化，干涉谱图发生漂移，测量其波长漂移量随温度的变化从而得知该传感器的温度稳定特性。

图4表示实验测量得到出射光谱的波谷位置对应的波长与折射率的关系，以及待测溶液温度和折射率之间的关系。在本实例中，将微纳光纤环置于酒精溶液当中，通过调整温度以改变溶液的折射率，在图4中，圆圈表示实例测量数据点，实线表示数值拟合曲线，可见测量值能很好地与理论值相符合；在测量中，波长随着折射率增大而增大，在酒精溶液附近即折射率1.357左右，实验获得的灵敏度为24373nm/RIU。又将微纳光纤环置于电阻炉中，改变温度，标定其温度稳定性，试验获得的温度灵敏度为0.005nm/℃。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：所述具有双折射特性的微纳光纤具体是：将熊猫光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后的微纳光纤截面直径尺寸不高于10μm。所述双折射微纳光纤耦合区2是双绞线结构。因其是由具有双折射特性的微纳光纤两端部扭转形成的，所以其光纤耦合区为双绞线结构。具体制备方法，包括以下步骤：

(1)制作具有双折射特性的微纳光纤，该微纳光纤的两端分别熔接有标准光纤；

(2)将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤两端部相互交叉，然后将与其两端熔接好的标准光纤分别固定于旋转器上，调节旋转器的位置使交叉部分呈一个小于90度的角度，然后同向旋转旋转器，那么从交叉点以后的双折射微纳光纤就被扭转形成双绞线结构，扭转交叉部位形成双折射微纳光纤耦合区，未交叉部分形成双折射微纳光纤环；

(3)步骤(2)得到的微纳光纤环通过其两端熔接的标准光纤分别与宽带光源和光谱分析仪连接组成闭合光路，从而构成微纳光纤环折射率传感器。

为达到较好的效果，本实施例中，所述标准光纤固定在旋转器上时，调节旋转器的位置使交叉部分呈45度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微纳光纤折射率传感器，其特征在于，包括依次相连的宽带光源、微纳光纤环和光谱分析仪，宽带光源、光谱分析仪均通过标准光纤与微纳光纤环相连；所述微纳光纤环由具有双折射特性的微纳光纤两端部扭转或者对折形成，所述微纳光纤两端相互靠近的部分形成双折射微纳光纤耦合区，中部未靠近的部分形成双折射微纳光纤环；所述具有双折射特性的微纳光纤两端与标准光纤熔接。

2.根据权利要求1所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述具有双折射特性的微纳光纤包括光纤纤芯和将所述光纤纤芯包围的光纤包层，其中光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。

3.根据权利要求2所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述具有双折射特性的微纳光纤是：将包层具有矩形或类矩形的二重对称结构的光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后微纳光纤横截面的最长边尺寸不高于10μm；或者将熊猫光纤进行熔融拉锥加工得到，拉锥后的微纳光纤截面直径尺寸不高于10μm。

4.根据权利要求1所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述双折射微纳光纤耦合区是双绞线或平行结构。

5.根据权利要求2所述的微纳光纤折射率传感器，其特征在于，所述双折射微纳光纤耦合区长度可调；所述双折射微纳光纤环尺寸可调，直径为1mm-10cm。

6.一种微纳光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作具有双折射特性的微纳光纤，该微纳光纤的两端分别熔接有标准光纤；

(2)将步骤(1)所述的微纳光纤两端部相互交叉或并排靠近，形成一个环，交叉或靠近的部分形成双折射微纳光纤耦合区，未交叉或靠近的部分形成双折射微纳光纤环，双折射微纳光纤耦合区和双折射微纳光纤环一起构成微纳光纤环；

(3)步骤(2)得到的微纳光纤环通过其两端熔接的标准光纤分别与宽带光源和光谱分析仪连接组成闭合光路，从而构成微纳光纤环折射率传感器。

7.根据权利要求6所述的微纳光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，微钠光纤环是采用如下步骤制作的：将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤两端部相互交叉，然后将与其两端熔接好的标准光纤分别固定于旋转器上，调节旋转器的位置使交叉部分呈一个小于90度的角度，同向旋转旋转器，那么从交叉点以后的具有双折射特性的微纳光纤就被扭转形成双绞线结构，扭转交叉部位形成双折射微纳光纤耦合区，未交叉部分形成双折射微纳光纤环。

8.根据权利要求7所述的微纳光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述标准光纤固定在旋转器上时，调节旋转器的位置使交叉部分呈45度。

9.根据权利要求6所述的微纳光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，微钠光纤环是采用如下步骤制作的：将步骤(1)所述的具有双折射特性的微纳光纤对折，使两端部相互靠近，通过范德瓦耳斯力、静电力和扭转力，在相互靠近的部分形成平行结构的双折射微纳光纤耦合区，在未靠近的部分形成双折射微纳光纤环。

10.根据权利要求6所述的微纳光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中微纳光纤绕成一个环，环的位置为具有双折射特性的微纳光纤的腰部均匀区。

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