CN111257284A - 一种光纤折射率传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤折射率传感器及其制备方法，该传感器从左到右依次为输入单模光纤、多模光纤和拉锥单模光纤光纤与光纤之间通过熔接连接，形成单模‑多模‑拉锥单模光纤结构，其中，拉锥单模光纤是将单模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，与多模光纤熔接，再进行拉锥操作，并提供该传感器的制备方法，本发明的传感器制作成本低、减小了传输损耗、制作简单，提高了传感器的灵敏度。

Description

一种光纤折射率传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制备方法，尤其涉及一种光纤折射率传感器及其制备方法，属于光纤传感器技术领域。
背景技术
光纤传感器因其耐高温、耐腐蚀、结构紧凑、灵敏度高等优势被更多的深入研究。在众多物理量中，折射率作为重要参数，在化学分析、光学研究、生物医学、食品制造与检测等领域有着广泛的应用。到目前为止，已发展出基于光纤迈克尔逊干涉仪、马赫曾德尔干涉仪、光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、Fabry-Perot干涉仪、光纤环形谐振器等多种类型的光纤折射率传感器。目前，光纤传感器存在着制作工艺复杂，制作过程有安全风险以及制作材料成本较高等缺陷。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的旨在提供一种灵敏度高、结构简单、成本低廉的光纤折射率传感器，本发明的第二目的旨在提供该传感器简单、安全的制备方法。
技术方案：本发明的光纤折射率传感器，从左到右依次为输入单模光纤、多模光纤和拉锥单模光纤，光纤与光纤之间通过熔接连接，形成单模-多模-拉锥单模光纤结构，其中，拉锥单模光纤是将单模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，与多模光纤熔接，再进行拉锥操作。
进一步地，输入单模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与多模光纤熔接。
进一步地，多模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与输入单模光纤熔接。
进一步地，输入单模光纤的长度为5-8cm，多模光纤长度为600-1000um。
进一步地，拉锥单模光纤包括传输单模光纤区、第一锥形过渡区、锥腰区、第二锥形过渡区和输出单模光纤区，传输单模光纤区长度为5-7cm，第一锥形过渡区和第二锥形过渡区的长度为3.6-4.2mm，锥腰区长度为800-1000um，输出单模光纤区长度为5-8cm。
本发明的单模-多模-拉锥单模光纤结构，包括将高斯光束进行输入的单模光纤、将输入光束激发出更多高阶模式的多模光纤和进行光束传输及增强倏逝场的拉锥单模光纤，来测量液体的折射率，锥区以提高灵敏度。高斯光源发出的光通过输入光纤进入多模光纤，激发出的高阶模一部分经单模光纤的纤芯传输，一部经单模光纤包层传输，最后经拉锥单模耦合进入单模光纤中。因包层折射率和纤芯折射率的不同，产生相位差，形成干涉。随着外界液体折射率的变化，引起拉锥单模包层有效折射率的变化，干涉谱发生蓝移，达到测定液体折射率的目的。
本发明的多模光纤去除涂覆层，并将两个端面切割平整与输入单模光纤熔接，以此激发输入光纤中输入光的高阶模，从而使得光束向后传输时，分别经单模光纤的包层和纤芯传输，产生相位差。
本发明将单模光纤先去除涂覆层，将光纤两端切割平整，与多模光纤熔接。再对单模光纤进行拉锥操作，增强高阶模式倏逝场，使得拉锥单模光纤对外界折射率的变化更为敏感。
本发明光纤折射率传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)去除两段普通单模光纤和一段多模光纤的涂覆层并对光纤进行清洁处理，再将光纤两端切割平整，对第一段单模光纤和多模光纤进行熔接，制得单模-多模光纤结构；
(2)将已熔接的多模光纤放置于显微镜下，切取所需的长度，再与第二段单模光纤进行熔接；
(3)将熔接好的三段光纤固定，利用氢氧焰加热对第二段单模光纤进行拉锥操作。
进一步地，步骤(1)中清洁后用酒精棉将三段光纤擦净，清洁在超声波清洗机中进行。
进一步地，步骤(1)和步骤(2)中熔接的损耗控制在0.02dB之内。
进一步地，步骤(3)中固定为在步进电机上固定。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明仅涉及到两种类型的光纤，制作成本低；对第三部分的单模光纤进行拉锥，增强了倏逝场，让传感器对周围环境的折射率更为敏感，提高了传感器的灵敏度；本发明的传感器的整体结构，总共涉及到三次熔接，即多模光纤与两段单模光纤进行熔接，一是减小了传输损耗，二是制作简单。
附图说明
图1为本发明光纤折射率传感器的纵向剖视图；
图2为本发明光纤折射率传感器的模型图；
图3为本发明光纤折射率传感器***测试图；
图4为本发明光纤折射率传感器对不同液体折射率测得的干涉图谱；
图5为本发明光纤折射率传感器的共振波长与不同液体折射率的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-图2所示，本发明的光纤折射率传感器，从左到右依次为输入单模光纤1、多模光纤2和拉锥单模光纤，光纤与光纤之间通过熔接连接，形成单模-多模-拉锥单模光纤结构，其中，拉锥单模光纤是将单模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，与多模光纤2熔接，再进行拉锥操作。输入单模光纤1去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与多模光纤2熔接。多模光纤2去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与输入单模光纤1熔接。输入单模光纤1的长度为5cm，多模光纤2长度为600um。拉锥单模光纤包括传输单模光纤区3、第一锥形过渡区4、锥腰区6、第二锥形过渡区5和输出单模光纤区7，传输单模光纤区3长度为5cm，第一锥形过渡区4和第二锥形过渡区5的长度为3.6mm，锥腰区6长度为800um，输出单模光纤区7长度约为5cm。
本发明光纤折射率传感器的具体制作步骤如下：
(1)用切割刀切取一定长的普通单模光纤，并用剥线钳去除8cm的涂覆层，并将该部分放置在超声波清洗机中进行清洗，取出并用酒精棉擦净，再用切割刀切取5cm的无涂覆层的光纤，且将两端的切割面切割平整；
(2)用切割到切取一定长度的多模光纤2，并用剥线钳去除2cm左右的涂覆层，并将该部分放置在超声波清洗机中进行清洗，取出并用酒精棉擦净，将去除涂覆层的那一端，用切割刀切割2mm，使得端面平整，将切割完成的多模光纤2与单模光纤进行熔接，损耗控制在0.02dB之内；
(3)将熔接好的单模光纤和多模光纤2放置在显微镜下，在显微镜下找到熔接点，将切割刀固定在光学调节架上，调节夹持光纤的夹子，使其熔接点与固定好的切割刀的刀口对齐，根据显微镜的参数，光学调节架的最小推进量10um，通过调节光学调节架将多模光纤2的长度控制在600um；
(4)用切割刀切取普通单模光纤，并用剥线钳去除18cm的涂覆层，并将该部分放置在超声波清洗机中进行清洗，用酒精棉进行擦净。用切割刀切取14cm的无涂覆层单模光纤，并将其与多模光纤2的另一端面进行熔接，损耗控制在0.02dB；
(5)将熔接好的结构固定在由两个步进电机控制的平台上，需要注意的是，第一个步进电机所固定的光纤结构位置应处在第三部分单模光纤与多模光纤2熔接点后约3-4cm处的地方，第二个步进电机所固定的光纤结构位置应与第一个步进电机相距8-9cm。同时将高斯光源和光谱仪分别接在第一部分的输入单模光纤1处和第三部分输出单模光纤处；
(6)将氢氧焰火焰头移动到两个步进电机中间的位置，也就是在第二个熔接点后约8cm处的位置，同时使氢氧焰的有效作用长度控制在6mm。在氢氧焰加热的同时，步进电机以0.08mm/s的速度匀速向相反方向移动。氢氧火焰头的上火和退火过程也由步进电机控制。约50s后，将两个步进电机的速度降至0.05mm/s，再经过18s后。停止步进电机和氢氧焰的工作，得到锥腰800um，两个锥形过渡区3.6mm，锥区包层直径40um，纤芯直径3.6um；
(7)将制作好的传感器结构从步进电机上取下，进行封装保护。
本发明设计结构简单，通过上述加工步骤的单模-多模-拉锥单模的折射率光纤传感器，按照图3的方式连接进行折射率的测试，具体步骤为：
控制测量液体折射率的环境温度为20℃，将液体折射率滴入传感区域，接通高斯光源，让高斯光束发出的1510nm-1590nm的光经第一单模光纤9传入输入单模光纤1，当光到达多模光纤2时，高斯光束被激发出高阶模，一部分经传输单模传输，一部分经传输单模光纤的纤芯传输。因传感器被待测液体包裹，周围环境的折射率发生变化时，引起传输单模光纤和拉锥单模光纤的包层有效折射率发生变化，逐渐随着待测液体折射率的增大而增大；而外界环境折射率的变化对传输单模光纤和拉锥单模光纤的纤芯有效折射率影响较小，因此包层有效折射率和纤芯有效折射率差值较大，产生光程差，耦合回单模光纤时形成干涉。干涉光经输出单模光纤传输到第二单模光纤12，再传输到光谱分析仪11中，光谱分析仪11得出结果，经USB数据线14传送到电脑，将数据进行处理，得出待测量。测量出一组数据后，对传感区域用去离子水进行清洗，晾干，继续测量下一组数据。其中，因外界环境的折射率的变化对包层有效折射率影响大于对纤芯有效折射率的影响，所以随着外界环境折射率的增大，包层有效折射率也增大，包层和纤芯的有效折射率差值变小，干涉光谱发生蓝移，得到的干涉谱如图4所示。
如图5所示，该传感器在1.325-1.375折射率范围内，灵敏度为552.72nm/RIU，图中的斜率为负，说明随着液体折射率的增加，波谷发生蓝移。

Claims (10)

1.一种光纤折射率传感器，其特征在于：所述传感器从左到右依次为输入单模光纤(1)、多模光纤(2)和拉锥单模光纤，光纤与光纤之间通过熔接连接，形成单模-多模-拉锥单模光纤结构，其中，所述拉锥单模光纤是将单模光纤去除涂覆层，并将两端切割平整，与所述多模光纤(2)熔接，再进行拉锥操作。
2.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于：所述输入单模光纤(1)去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与所述多模光纤(2)熔接。
3.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于：所述多模光纤(2)去除涂覆层，并将两端切割平整，然后与输入单模光纤(1)熔接。
4.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于：所述输入单模光纤(1)的长度为5-8cm，所述多模光纤(2)长度为600-1000um。
5.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于：所述拉锥单模光纤包括传输单模光纤区(3)、第一锥形过渡区(4)、锥腰区(6)、第二锥形过渡区(5)和输出单模光纤区(7)，所述传输单模光纤区(3)长度为5-7cm，所述第一锥形过渡区(4)和第二锥形过渡区(5)的长度为3.6-4.2mm，所述锥腰区(6)长度为800-1000um，所述输出单模光纤区(7)长度为5-8cm。
6.一种权利要求1所述光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)去除两段普通单模光纤和一段多模光纤的涂覆层并对光纤进行清洁处理，再将光纤两端切割平整，对第一段单模光纤和多模光纤进行熔接，制得单模-多模光纤结构；
(2)将已熔接的多模光纤放置于显微镜下，切取所需的长度，再与第二段单模光纤进行熔接；
(3)将熔接好的三段光纤固定，利用氢氧焰加热对第二段单模光纤进行拉锥操作。
7.根据权利要求6所述光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述清洁后用酒精棉将三段光纤擦净。
8.根据权利要求6所述光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述清洁在超声波清洗机中进行。
9.根据权利要求6所述光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中所述熔接的损耗控制在0.02dB之内。
10.根据权利要求6所述光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述固定为在步进电机上固定。
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