CN105954231A - 一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种用于外界环境折射率、气体浓度等传感测量的基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器。传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层某一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。本发明利用孔助双芯光纤作为传感探头部分，由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯易于裸露出来，加工成本低，制作工艺简单，且空气孔的隔离使裸露的纤芯表面不受破坏，表面光滑，器件插损小，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

Description

一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种用于外界环境折射率、气体浓度等传感测量的基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器。

背景技术

光纤传感器结构简单、重量轻、尺寸小、轻巧柔软。用一根光纤可以测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数；结合时分复用和波分复用技术，非常适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面实现多点监测。光纤传感器因其所具有的诸多优点而成为结构监测和光纤技术研究的热点。

随着光纤技术的不断发展，各种新型结构光纤也不断涌现。为了解决降低光纤光缆的制造成本和开发高密集度大芯数光缆这两大难题，S.Inao于1979年提出了多芯光纤的概念。多芯光纤传感器由于体积小、结构紧凑，构成材料一致，热膨胀系数相同，对温度表现出来的响应是一样的，因而可以避免了温度与其他物理量的交叉敏感问题，具有自温度补偿等诸多的优点。所以利用多芯光纤作为传感元件的研究引起了人们的广泛关注。

双芯光纤是结构最简单的多芯光纤。利用双芯光纤可以实现定向耦合器、复用/解复用器、双芯光纤分波/合波器、滤波器、传感器等。普通意义的双芯光纤,它是由两个平行的纤芯和包围这两个纤芯的公共包层组成的无空气孔辅助的实心光纤。若想让一个纤芯裸露出来，则需要利用化学腐蚀或激光微加工技术，制作时需要精确控制腐蚀时间或激光能量，纤芯容易受到损坏。加工过的纤芯表面质量很难保证，插损较大，很难再进行表面2次处理。

本发明是用一种孔助双芯光纤基于模式耦合机理实现物理量的测量。由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯很容易裸露出来。因而纤芯表面不受影响，器件插损小，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模式耦合的孔助双芯光纤传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层某一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。

所述的孔助双芯光纤两个纤芯均为单模，且折射率相同，偏心纤芯的直径大于中心纤芯直径；两个纤芯间距离小于20微米，空气孔直径30-50微米。

所述的光源一侧单模光纤和双芯光纤的连接是利用单模光纤纤芯与双芯光纤位于包层中心的纤芯直接对准进行焊接实现的。

所述的探测器一侧单模光纤和双芯光纤的连接，是单模光纤纤芯与双芯光纤位于包层中心的纤芯直接对准进行焊接实现，或者是单模光纤纤芯与双芯光纤偏心纤芯对准进行焊接实现。

所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用化学腐蚀的方法将其裸露于外界。

所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用激光微加工技术将其裸露于外界。

所述的偏心纤芯进行表面化学修饰。

所述的将偏心纤芯裸露于外界的方法构成微流通道器件。

本发明的有益效果在于：

1、利用孔助双芯光纤作为传感探头部分，由于孔助双芯光纤具有大尺寸空气孔，偏心纤芯易于裸露出来，加工成本低，制作工艺简单，且空气孔的隔离使裸露的纤芯表面不受破坏，表面光滑，器件插损小，对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。

2、利用孔助双芯光纤可以很方便的构成微流通道，器件集成度高。

附图说明

图1是孔助双芯光纤结构图；

图2a是化学腐蚀后偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图2b是利用激光微加工技术将偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图2c是利用激光微加工技术将偏心纤芯露出的双芯光纤横截面图；

图3是基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器示意图；

图4是基于模式耦合机理的孔助双芯光纤折射率传感器示意图；

图5是探测器一侧单模光纤与双芯光纤偏心纤芯进行焊接示意图；

图6是具有微流通道的传感器示意图；

图7a是计算的双芯光纤能量分布图；

图7b是计算的双芯光纤两个纤芯中能量随传输距离的变化。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明提供了一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤包层的某一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。当两个纤芯距离较近且尺寸适当时，两个纤芯中的模式可以相互匹配，一个纤芯中传输的光可以被耦合到另一个纤芯。当外界环境变化时，耦合比将发生改变，相应的光谱也将改变，利用这一特点可以实现外界物理量的测量。由于偏心空气孔的存在，可以利用腐蚀或激光微加工技术很方便的将纤芯裸露出来，进而实现折射率传感及微流控芯片。对裸露的偏心纤芯进行表面化学修饰和物理改变也非常方便。该传感器制作简单，易于与单模光纤互联，灵敏度高，且因两个纤芯在一个波导中，器件集成度高，具有温度补偿能力。该器件在溶液或气体浓度、弯曲等传感方面都将有广泛的应用。

一种基于模式耦合的孔助双芯光纤传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤包层4的一侧有一个大尺寸空气孔3，光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。孔助双芯光纤5的两个纤芯1和2均为单模，两个纤芯折射率相同。为保证两个纤芯模式匹配，偏心纤芯2的尺寸大于中心纤芯1的尺寸。两个纤芯间距离小于20微米，空气孔直径30-50微米。光源一侧单模光纤6和双芯光纤5的连接由单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接实现。探测器一侧单模光纤6和双芯光纤5的连接，可以是单模光纤纤芯与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接，也可以是由单模光纤纤芯与双芯光纤偏心纤芯2对准进行焊接。孔助双芯光纤的偏心纤芯2可以利用化学腐蚀或激光微加工技术在空气孔一侧加工微槽7将纤芯2裸露于外界，外露的偏心纤芯可以进一步进行表面化学修饰。利用化学腐蚀或激光微加工技术可以在空气孔一侧开两个槽8，液体或气体通过两个槽8构成通路，进而构成微流通道器件。基于模式耦合的孔助双芯光纤传感器，其工作原理是当光源从单模光纤5注入，直接耦合进孔助双芯光纤纤芯1。当两个纤芯的模式传播常数相同，两个模式相互匹配。两个纤芯距离较近时，经过一段距离的传输，一个纤芯中的能量将会耦合到另一个纤芯。故当孔助双芯光纤的两个纤芯模式相互匹配时，纤芯1中的能量传输一段距离将会耦合到纤芯2，最后输入到单模纤进入探测器。外界环境变化，探测器接收到的能量也将发生改变，进而实现物理量的传感测量。

实施例1：

结合图1、图2(a)、图3-4和图7，纤芯1和2的直径分别为8.1和12微米，波长1.5微米，一种基于模式耦合的孔助双芯光纤折射率传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心，光纤包层4有一个大尺寸空气孔3，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。为保证模式匹配，纤芯1和2的折射率均为1.444，直径分别为8.1和12微米，芯包折射率差0.005。两个纤芯间距离13微米，空气孔直径46微米。光源一侧单模光纤6的纤芯与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接。探测器一侧单模光纤6的纤芯也是与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接。另用氢氟酸减薄光纤直径(图2(a))，腐蚀包层厚度大于9.5微米，偏芯2即可裸露出来，构成微槽7，腐蚀长度可以是整个双芯光纤长度，也可以是部分长度均可。若把传感单元置于食盐水中，待测液体会接触偏芯，当食盐水的浓度变化时，液体折射率也变化，输出单模纤的能量将发生改变，进而实现折射率传感。图7是在1.5微米时计算的双芯光纤纤芯中的能量耦合图。

实施例2：

结合图1、图2(b)、图5，一种基于模式耦合的孔助双芯光纤折射率传感器，与实施例1不同的是，偏芯2是利用高频CO₂激光在空气孔一侧进行切削裸露出来的(图2(b))。探测器一侧单模光纤6的纤芯是与双芯光纤偏心纤芯2直接对准进行焊接的。

实施例3：

结合图1、图2(c)和图6，一种基于模式耦合的孔助双芯光纤折射率传感器，与实施例1不同的是，利用飞秒激光在空气孔一侧进行两次打孔(图2(c))，将偏心纤芯2裸露出来，形成两个微槽8，进而构成微流通道器件。液体通过两个槽8构成通路，可以实现对液体、气体等传感测量。

实施例4：

结合图1和图3，一种基于模式耦合的孔助双芯光纤弯曲传感器是由光源、单模光纤6、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤5、单模光纤6、探测器依次相连而成。孔助双芯光纤5的一个纤芯1位于包层4的中心，光纤包层4有一个大尺寸空气孔3，另一纤芯2位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。为保证模式匹配，纤芯1和2的折射率均为1.444，直径分别为8.1和12微米，芯包折射率差0.005。两个纤芯间距离13微米，空气孔直径46微米。光源一侧单模光纤6纤芯与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接。探测器一侧单模光纤6的纤芯也是与双芯光纤中心纤芯1直接对准进行焊接。当光纤弯曲时两个纤芯中的光程改变不同，使输出单模纤的能量将发生改变，进而实现弯曲传感。

Claims (8)

1.一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：传感器是由光源、单模光纤、一段具有大直径空气孔的孔助双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成；孔助双芯光纤包层某一侧有一个大尺寸空气孔，光纤的一个纤芯位于包层的中心，另一纤芯位于空气孔内壁且距离前一个纤芯最近的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的孔助双芯光纤两个纤芯均为单模，且折射率相同，偏心纤芯的直径大于中心纤芯直径；两个纤芯间距离小于20微米，空气孔直径30-50微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的光源一侧单模光纤和双芯光纤的连接是利用单模光纤纤芯与双芯光纤位于包层中心的纤芯直接对准进行焊接实现的。

4.根据权利要求1所述的一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的探测器一侧单模光纤和双芯光纤的连接，是单模光纤纤芯与双芯光纤位于包层中心的纤芯直接对准进行焊接实现，或者是单模光纤纤芯与双芯光纤偏心纤芯对准进行焊接实现。

5.根据权利要求1所述的一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用化学腐蚀的方法将其裸露于外界。

6.根据权利要求1所述的一种基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的孔助双芯光纤的偏心纤芯利用激光微加工技术将其裸露于外界。

7.根据权利要求1所述的基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的偏心纤芯进行表面化学修饰。

8.根据权利要求1所述的基于模式耦合机理的孔助双芯光纤传感器，其特征是：所述的将偏心纤芯裸露于外界的方法构成微流通道器件。