專利名稱：一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，可以在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域用于檢測(cè)抗體-抗原、化學(xué)試劑濃度、污水PH等多種物質(zhì)及特性。

背景技術(shù)：
光纖傳感器是一種新型的傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小，質(zhì)量輕，抗電磁干擾，靈敏度高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，特別是全光纖型的傳感器，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。按照光纖傳感器中是否基于光柵結(jié)構(gòu)，光纖傳感器可以分為光纖光柵傳感器和非光柵型光纖傳感器。
光纖光柵傳感器是已經(jīng)成為廣泛使用的傳感器，它分為兩種，一種基于光纖布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)，是一種窄帶的反射型的傳感器；另一種基于長(zhǎng)周期光纖光柵(Long-Period Fiber Grating，LPG)，是一種透射型的帶阻傳感器。這兩種傳感器可以運(yùn)用于應(yīng)力，彎曲，等領(lǐng)域，同時(shí)也具有較高的信噪比。但其溫度穩(wěn)定性較低，因此存在溫度干擾，特別是長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，對(duì)溫度更為敏感，其溫度響應(yīng)大約為0.1～0.3nm/℃，這大大降低了傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度。另外，普通光纖光柵在大于300℃的環(huán)境下就開(kāi)始退火，因此不利于在高溫環(huán)境下工作。
而非光柵型的光纖干涉儀傳感器，由于其簡(jiǎn)單的制作工藝，低廉的成本以及較高的溫度穩(wěn)定性，已經(jīng)吸引越來(lái)越多的學(xué)者，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。這類傳感器設(shè)計(jì)思想是構(gòu)造一個(gè)光纖型模式干涉儀，由此激發(fā)傳輸光的高階包層模式，并使高階包層模和芯模之間具有穩(wěn)定的光程差并最后進(jìn)行干涉，從而形成對(duì)外界待測(cè)量敏感的干涉儀傳感器。但現(xiàn)有的光纖型模式干涉儀都存在制作工藝復(fù)雜，原材料特殊，機(jī)械強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種制作簡(jiǎn)單、高機(jī)械強(qiáng)度、低溫度敏感性的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器。該傳感器利用光纖熔接處的細(xì)芯光纖來(lái)激發(fā)高階模式，并作為模式耦合器，從而形成對(duì)外界待測(cè)物質(zhì)敏感的干涉儀傳感器。
本實(shí)用新型包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行器；寬帶光源通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I口光連接，光譜分析儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的III口光連接，細(xì)芯單模光纖的一端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II口光連接，細(xì)芯單模光纖的另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm。
與環(huán)行器的II口光連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。
本實(shí)用新型細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器工作原理為光在單模光纖中是單模傳輸?shù)模淮嬖谛緦觽鬏數(shù)幕?。?dāng)光傳入細(xì)芯光纖后，由于纖芯大小不同，導(dǎo)致光無(wú)法再單模傳輸，高階包層模式被激發(fā)。由于不同的高階包層模式在光纖內(nèi)傳輸時(shí)有效折射率不一樣，因此，不同模式的光經(jīng)細(xì)芯光纖端面反射膜的反射后，到達(dá)單模光纖時(shí)，和芯層傳輸?shù)幕０l(fā)生干涉，從而形成局部的相長(zhǎng)干涉和相消干涉。對(duì)某個(gè)具體透射谷的相消干涉條件可以表達(dá)為 其中，λD是相消干涉波長(zhǎng)，neffco是芯層的有效折射率，neffcl，j是第j階包層模的有效折射率，next是外界物質(zhì)的折射率，L是細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度，k是整數(shù)。
細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的干涉圖樣反應(yīng)了傳感特性。因?yàn)樾纬傻木植肯嚅L(zhǎng)干涉和相消干涉取決于細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度和激發(fā)出的高階模式，當(dāng)外界折射率改變時(shí)，高階模式的特性將隨之改變，從而影響傳感器的干涉圖樣。此傳感器對(duì)外界折射率的響應(yīng)可以表示為 其中，Δneff是芯層模式和基模的有效折射率差。作為傳感器，溫度穩(wěn)定性是一個(gè)重要參數(shù)，本實(shí)用新型提出的細(xì)芯光纖模式干涉儀的溫度性應(yīng)可以表示為 本實(shí)用新型的傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，不像光纖光柵傳感器需要包括激光器在內(nèi)的一整套光柵刻寫(xiě)系統(tǒng)，僅僅需要一套光纖熔接設(shè)備和兩種不同芯徑的單模光纖。鑒于本實(shí)用新型具有很高的折射率敏感性和溫度穩(wěn)定性，因此可以在此傳感器上鍍上生物敏感膜，pH敏感高分子膜等物質(zhì)，來(lái)檢測(cè)特定的生物分子或者水溶液pH值等。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為不同細(xì)芯光纖長(zhǎng)度的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器的干涉圖； 圖3為本實(shí)用新型的溫度響應(yīng)特性圖； 圖4為本實(shí)用新型對(duì)外界折射率的響應(yīng)特性圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明 如圖1所示，一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器包括細(xì)芯單模光纖5、反射膜6、寬帶光源1、光譜分析儀2和環(huán)行器4；寬帶光源1通過(guò)第一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-1與環(huán)行器6的I口光連接，光譜分析儀5通過(guò)第二標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-2與環(huán)行器6的III口光連接，細(xì)芯單模光纖2(如，Nufern 460-HP，芯徑約3μm，截止波長(zhǎng)450nm)一端通過(guò)第三標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-3(如，Corning SMF-28，芯徑約8μm)與環(huán)行器4的II口光連接，另一端設(shè)置厚度為200μm的反射膜3。
連接一起的第三標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3-3和細(xì)芯單模光纖5同軸設(shè)置，兩者之間采用熔接技術(shù)連接，反射膜是由濺射機(jī)濺射所形成。寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入環(huán)行器4的I口后，由II口出射，經(jīng)細(xì)芯單模光纖末端的反射膜反射后進(jìn)入環(huán)行器4的II口，并由III口出射，光譜分析儀2接收并分析此干涉信號(hào)。
因?yàn)樵搨鞲衅髦屑?xì)芯光纖的長(zhǎng)度將會(huì)影響干涉圖樣，在傳感器的制作過(guò)程中，接入不同長(zhǎng)度的細(xì)芯光纖，其干涉特性如圖2所示，其中，(a)細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為1cm、(b)細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為2cm、(c)細(xì)芯單模光纖長(zhǎng)度為3cm。因此可以通過(guò)改變細(xì)芯單模光纖的長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)特殊傳輸波長(zhǎng)和帶寬的傳感器。
溫度響應(yīng)特性是傳感器很重要的一個(gè)指標(biāo)，直接關(guān)系到其工作的穩(wěn)定性。本實(shí)用新型使用一個(gè)可編程的控溫爐測(cè)試了接入1cm長(zhǎng)細(xì)芯單模光纖的傳感器樣本的溫度穩(wěn)定性。如圖3所示，相消干涉波長(zhǎng)的位置隨著溫度的上升向長(zhǎng)波方向漂移，而且兩者呈現(xiàn)一個(gè)良好的線性關(guān)系。其溫度穩(wěn)定性為9.8pm/℃，相比于FBG和LPG傳感器，本實(shí)用新型具有非常良好的溫度穩(wěn)定性。
為了證明本實(shí)用新型可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)檢測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳感領(lǐng)域，為此研究了該傳感器對(duì)外界折射率的響應(yīng)特性。利用該傳感器對(duì)不同濃度的蔗糖溶液進(jìn)行了折射率測(cè)試，質(zhì)量百分比分別為(1.381、5.123、8.425、11.817、14.821、18.033、21.136、24.242、26.901、29.577、32.432、35.065)；對(duì)應(yīng)的折射率為(1.3346、1.3400、1.3448、1.3500、1.3547、1.3599、1.3651、1.3704、1.3750、1.3798、1.3850、1.3899)。結(jié)果如圖4所示，該傳感器的折射率靈敏度高達(dá)105nm/R.I.U，且具有較好的線性關(guān)系。
因此這種具有高靈敏度和溫度穩(wěn)定性的細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器在傳感領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行器，其特征在于寬帶光源通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I口光連接，光譜分析儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的III口光連接，細(xì)芯單模光纖一端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II口光連接，另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm；與環(huán)行器的II口光連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種細(xì)芯光纖模式干涉儀傳感器，現(xiàn)有的光纖型模式干涉儀都存在制作工藝復(fù)雜，原材料特殊，機(jī)械強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。本實(shí)用新型包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、細(xì)芯單模光纖、反射膜、寬帶光源、光譜分析儀和環(huán)行器；寬帶光源通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的I口光連接，光譜分析儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的III口光連接，細(xì)芯單模光纖一端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與環(huán)行器的II口光連接，另一端設(shè)置厚度為d的反射膜，其中100μm≤d≤200μm。連接一起的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯單模光纖同軸設(shè)置。本實(shí)用新型的傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)G01N21/41GK201575791SQ200920201738
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者張阿平, 顧波波, 夏天豪, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)