專利名稱：一種微納光纖折射率傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖折射率傳感器設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種微納光纖折射率傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
與電子器件一樣，微型化、集成化也是光子器件發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)在波長或者亞波長尺度對光信號的操控對于構(gòu)建超緊湊的微納光子器件和高密集的集成光路具有重要意義。微納光纖作為一種典型的微納光波導(dǎo)，具有制備簡單的優(yōu)點，且其良好的直徑均勻度和表面光滑度，可用于低損耗光傳輸，并在可見和近紅外光學傳輸中表現(xiàn)出強光場約束、倏逝波傳輸和大波導(dǎo)色散等優(yōu)良特性。目前正被快速的應(yīng)用于新型光纖傳感器研究，具有廣闊的發(fā)展前景。光纖折射率傳感器，因其低損耗、耐化學腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)良特點被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)藥開發(fā)、臨床檢驗等領(lǐng)域。高靈敏度光纖折射率傳感器吸引了人們的研究興趣，利用微納光纖大的倏逝場效應(yīng)和易于耦合的特性，許多實現(xiàn)方法被提了出來，其中包括微納光纖環(huán)形諧振腔、微納光纖稱合器、微納光纖布拉格光柵和微納光纖長周期光柵等。然而這些方法的傳感靈敏度和溫度穩(wěn)定性目前仍受到很大的局限，例如文獻“Fei Xu, Peter Horak, and Gilberto Brambi I la. Optical microfiber coilresonator refractometric sensor. Optics Express, 2007,15 :7888-7893.，，中的方法理論獲得靈敏度為 700nm/RIU(單位折射率)，“Yang Ran, Yan-Nan Tan, Li-Peng Sun,Shuai Gao, Jie Li, LongJin, and Bai-Ou Guan. 193nm excimer laser inscribed Bragggratings in microfibersfor refratctive index sensing. Optics Express,2011,19 18577-18583. ”利用193nm準分子激光器在微納光纖上刻寫布拉格光柵制作折射率傳感器，這種方法制作工藝較復(fù)雜，實測靈敏度僅為165nm/RIU。再如文獻“Haifeng Xuan, WeiJin,andMin Zhang. C02 laser induced long period gratings in optical microfibers.OpticsExpress 2009,17 :21882-21890. ” 測量的靈敏度達到 1900nm/RIU,溫度敏感度為-130pm/°C,并且制作方法引入了光纖的表面損傷,結(jié)構(gòu)缺乏韌性。因此，研究一種不僅具有高靈敏度，且溫度穩(wěn)定性強、結(jié)構(gòu)緊湊的光纖折射率傳感器成為一個極具價值的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種微納光纖折射率傳感器，該傳感器利用具有雙折射特性的微納光纖獨特的雙折射及其色散效應(yīng)以及材料特性，獲得現(xiàn)有技術(shù)中所無法達到的超高靈敏度、極好的溫度穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種微納光纖折射率傳感器的制備方法，使之能夠以小巧的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的折射率傳感靈敏度，并能排除溫度交叉敏感性，可以實現(xiàn)對外界環(huán)境折射率微變量高精度傳感測量。
本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種微納光纖折射率傳感器，包括依次相連的寬帶光源、微納光纖環(huán)和光譜分析儀，寬帶光源、光譜分析儀均通過標準光纖與微納光纖環(huán)相連；所述微納光纖環(huán)由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭轉(zhuǎn)或者對折形成，所述微納光纖兩端相互靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區(qū)，中部未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)；所述具有雙折射特性的微納光纖兩端與標準光纖熔接。在本發(fā)明中，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)標準光纖進入雙折射微納光纖耦合區(qū)后，發(fā)生偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)，并在雙折射微納光纖環(huán)中形成兩個相反方向傳播的光束，這兩束光在經(jīng)過雙折射微納光纖環(huán)之后產(chǎn)生偏振相位差，經(jīng)雙折射微納光纖耦合區(qū)合波后形成偏振干涉光譜，最后由光譜分析儀檢測輸出，改變雙折射微納光纖環(huán)周圍待測物質(zhì)的折射率，計算干涉光譜的波長漂移量，進而推斷出待測物質(zhì)折射率的變化。優(yōu)選的，所述具有雙折射特性的微納光纖具體是將包層具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)的光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后微納光纖橫截面的最長邊尺寸不高于10 μ m。或者將熊貓光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后的微納光纖截面直徑尺寸不高于10 μ m。優(yōu)選的，所述雙折射微納光纖耦合區(qū)是雙絞線或平行結(jié)構(gòu)。由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭轉(zhuǎn)形成的，則其光纖耦合區(qū)為雙絞線結(jié)構(gòu)，由具有雙折射特性的微納光纖兩端部對折形成的，則其光纖耦合區(qū)為平行結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述雙折射微納光纖耦合區(qū)長度可調(diào)。因此可以根據(jù)需要改變傳感器的光譜特性。優(yōu)選的，所述雙折射微納光纖環(huán)尺寸可調(diào)。因此可以根據(jù)需要改變傳感器的光譜特性。更進一步的,所述雙折射微納光纖環(huán)的直徑為Imm-IOcm.優(yōu)選的，所述具有雙折射特性的微納光纖包括光纖纖芯和將所述光纖纖芯包圍的光纖包層，其中光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。本發(fā)明還給出了一種上述微納光纖折射率傳感器的制備方法，包括以下步驟(I)制作具有雙折射特性的微納光纖，該微納光纖的兩端分別熔接有標準光纖；(2)將步驟(I)所述的微納光纖兩端部相互交叉或并排靠近，形成一個環(huán)，交叉或靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區(qū)，未交叉或靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)，雙折射微納光纖稱合區(qū)和雙折射微納光纖環(huán)一起構(gòu)成微納光纖環(huán)；，(3)步驟(2)得到的微納光纖環(huán)通過其兩端熔接的標準光纖分別與寬帶光源和光譜分析儀連接組成閉合光路，從而構(gòu)成微納光纖環(huán)折射率傳感器。優(yōu)選的，所述步驟(2)中，微鈉光纖環(huán)是采用如下步驟制作的將步驟(I)所述的具有雙折射特性的微納光纖兩端部相互交叉，然后將與其兩端熔接好的標準光纖分別固定于旋轉(zhuǎn)器上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)器的位置使交叉部分呈一個小于90度的角度，同向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)器，那么從交叉點以后的具有雙折射特性的微納光纖就被扭轉(zhuǎn)形成雙絞線結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)交叉部位形成雙折射微納光纖稱合區(qū)，未交叉部分形成雙折射微納光纖環(huán)。更進一步的，所述標準光纖固定在旋轉(zhuǎn)器上時，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)器的位置使交叉部分呈 45度。優(yōu)選的，所述步驟(2)中，微鈉光纖環(huán)是采用如下步驟制作的將步驟⑴所述的具有雙折射特性的微納光纖對折，使兩端部相互靠近，通過范德瓦耳斯力、靜電力和扭轉(zhuǎn)力，在相互靠近的部分形成平行結(jié)構(gòu)的雙折射微納光纖耦合區(qū)，在未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)。 優(yōu)選的，所述步驟(2)中微納光纖繞成一個環(huán)，環(huán)的位置為具有雙折射特性的微納光纖的腰部均勻區(qū)。在使用時，將微納光纖環(huán)置于待測物質(zhì)中，由于物質(zhì)的折射率變化引起器件的干涉譜圖發(fā)生漂移，測量其波長漂移量從而可探知物質(zhì)折射率的變化。將微納光纖環(huán)置于電阻爐內(nèi)測量其溫度特性，由于物質(zhì)的熱膨脹引起雙折射變化，干涉譜圖發(fā)生漂移，測量其波長漂移量隨溫度的變化從而得知該傳感器的溫度穩(wěn)定特性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果I、本發(fā)明提出了一種溫度不敏感、折射率靈敏度高的微納光纖折射率傳感器，采用二重對稱結(jié)構(gòu)的具有雙折射特性的微納光纖，利用其獨特的雙折射色散特性及材料特性，實現(xiàn)了超高靈敏度的折射率傳感，本發(fā)明突破了現(xiàn)有方案對靈敏性的限制，其靈敏度可達24373nm/RIU或以上。2、本發(fā)明與傳統(tǒng)光學折射率傳感器相比，具有體積小、重量輕、可與光纖系統(tǒng)兼容、可遠距離監(jiān)測等優(yōu)點。3、本發(fā)明與其它光纖型折射率傳感器相比，具有尺寸更小、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成、反應(yīng)速度快等優(yōu)點。4、本發(fā)明與現(xiàn)有微納光纖型折射率傳感技術(shù)相比，具有更高的靈敏度，且溫度穩(wěn)定性好，其溫度穩(wěn)定性可優(yōu)于O. 005nm/°C，有效避免了溫度交叉敏感特性。5、本發(fā)明中的雙折射微納光纖耦合區(qū)具備靈活可調(diào)性，能夠改變傳感器的光譜特性。6、本發(fā)明中的雙折射微納光纖環(huán)尺寸具備可調(diào)性，能夠改變傳感器的光譜特性。7、本發(fā)明具備用于濾波器的潛質(zhì)。


圖I是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例I進行折射率測量時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例I進行溫度測量時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是應(yīng)用本發(fā)明的傳感器進行折射率溶液的測量數(shù)據(jù)與理論計算曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，一種微納光纖折射率傳感器，包括依次相連的寬帶光源I、微納光纖環(huán)和光譜分析儀4，寬帶光源I、光譜分析儀4均通過標準光纖10與微納光纖環(huán)相連。在本實施例中，所述微納光纖環(huán)由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭對折形成，所述微納光纖兩端相互靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區(qū)2，中部未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)3 ;所述具有雙折射特性的微納光纖兩端與標準光纖10熔接。在本發(fā)明中，寬帶光源I發(fā)出的光經(jīng)標準光纖10進入雙折射微納光纖耦合區(qū)2后，發(fā)生偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)，并在雙折射微納光纖環(huán)3中形成兩個相反方向傳播的光束,這兩束光在經(jīng)過雙折射微納光纖環(huán)3之后產(chǎn)生偏振相位差，經(jīng)雙折射微納光纖耦合區(qū)2合波后形成偏振干涉光譜，最后由光譜分析儀4檢測輸出，改變雙折射微納光纖環(huán)3周圍待測物質(zhì)的折射率，計算干涉光譜的波長漂移量，進而推斷出待測物質(zhì)折射率的變化。所述具有雙折射特性的微納光纖具體是將包層具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)的光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后經(jīng)過光纖橫截面中心的最長邊和最短邊的長度比值為I. 05 5. 0，拉錐后微納光纖橫截面的最長邊尺寸不高于10 μ m, 一般尺寸可為IOnm 5 μ m0本實施例中，所述雙折射微納光纖耦合區(qū)2是由具有雙折射特性的微納光纖兩端部對折形成的，因此其光纖耦合區(qū)為平行結(jié)構(gòu)。所述雙折射微納光纖耦合區(qū)2長度可調(diào)。因此可以根據(jù)需要改變傳感器的光譜特性。所述雙折射微納光纖環(huán)3尺寸可調(diào)。因此可以根據(jù)需要改變傳感器的光譜特性。所述雙折射微納光纖環(huán)3的直徑為Imm-IOcm.所述具有雙折射特性的微納光纖包括光纖纖芯和將所述光纖纖芯包圍的光纖包層，其中光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。本實施例還給出了一種上述微納光纖折射率傳感器的制備方法，包括以下步驟(I)制作具有雙折射特性的微納光纖，該微納光纖的兩端分別熔接有標準光纖；(2)將步驟⑴所述的具有雙折射特性的微納光纖對折，使兩端部相互靠近，形成一個環(huán)，通過范德瓦耳斯力、靜電力和扭轉(zhuǎn)力，在相互靠近的部分形成平行結(jié)構(gòu)的雙折射微納光纖稱合區(qū)，在未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)，雙折射微納光纖稱合區(qū)和雙折射微納光纖環(huán)一起構(gòu)成微納光纖環(huán)；(3)步驟(2)得到的微納光纖環(huán)通過其兩端熔接的標準光纖分別與寬帶光源和光譜分析儀連接組成閉合光路，從而構(gòu)成微納光纖環(huán)折射率傳感器。所述步驟(2)中微納光纖繞成一個環(huán)，環(huán)的位置為具有雙折射特性的微納光纖的腰部均勻區(qū)。本發(fā)明的原理是由于微納光纖的具有雙折射效應(yīng)，雙折射微納光纖環(huán)中傳輸光波的兩個偏振態(tài)產(chǎn)生光程差，經(jīng)雙折射微納光纖耦合區(qū)合波后形成偏振干涉光譜。在上述光纖環(huán)形鏡中，由于雙折射效應(yīng)引起的兩路光的相位差Φ，表示為Φ =(2π/λ)Β 。其中，λ是光波長，B = Iii-Iij是微納光纖雙折射，I^nj分別是波導(dǎo)兩個偏振模式的有效折射率，L是微納光纖環(huán)的長度。在理論上，為不失一般性，在耦合區(qū)的輸入和輸出場可表示為 E3x, y = klx>y Elx,y+k2x,yE2x,y 和 E4x, y = k2x,yElx,y+klx,yE2x,y，其中 klx,y 和 k2x,y是耦合區(qū)X和I偏振態(tài)的耦合系數(shù)，那么輸出能量P 2x,y的表示式為
權(quán)利要求
1.一種微納光纖折射率傳感器，其特征在于，包括依次相連的寬帶光源、微納光纖環(huán)和光譜分析儀，寬帶光源、光譜分析儀均通過標準光纖與微納光纖環(huán)相連；所述微納光纖環(huán)由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭轉(zhuǎn)或者對折形成，所述微納光纖兩端相互靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區(qū)，中部未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)；所述具有雙折射特性的微納光纖兩端與標準光纖熔接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述具有雙折射特性的微納光纖包括光纖纖芯和將所述光纖纖芯包圍的光纖包層，其中光纖纖芯折射率高于光纖包層折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述具有雙折射特性的微納光纖是將包層具有矩形或類矩形的二重對稱結(jié)構(gòu)的光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后微納光纖橫截面的最長邊尺寸不高于10 μ m ;或者將熊貓光纖進行熔融拉錐加工得至|J，拉錐后的微納光纖截面直徑尺寸不高于10 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述雙折射微納光纖耦合區(qū)是雙絞線或平行結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納光纖折射率傳感器，其特征在于，所述雙折射微納光纖耦合區(qū)長度可調(diào)；所述雙折射微納光纖環(huán)尺寸可調(diào)，直徑為Imm-lOcm。
6.一種微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)制作具有雙折射特性的微納光纖，該微納光纖的兩端分別熔接有標準光纖； (2)將步驟(I)所述的微納光纖兩端部相互交叉或并排靠近，形成一個環(huán)，交叉或靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區(qū)，未交叉或靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)，雙折射微納光纖稱合區(qū)和雙折射微納光纖環(huán)一起構(gòu)成微納光纖環(huán)； (3)步驟(2)得到的微納光纖環(huán)通過其兩端熔接的標準光纖分別與寬帶光源和光譜分析儀連接組成閉合光路，從而構(gòu)成微納光纖環(huán)折射率傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，微鈉光纖環(huán)是采用如下步驟制作的將步驟(I)所述的具有雙折射特性的微納光纖兩端部相互交叉，然后將與其兩端熔接好的標準光纖分別固定于旋轉(zhuǎn)器上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)器的位置使交叉部分呈一個小于90度的角度，同向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)器，那么從交叉點以后的具有雙折射特性的微納光纖就被扭轉(zhuǎn)形成雙絞線結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)交叉部位形成雙折射微納光纖耦合區(qū)，未交叉部分形成雙折射微納光纖環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，所述標準光纖固定在旋轉(zhuǎn)器上時，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)器的位置使交叉部分呈45度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，微鈉光纖環(huán)是采用如下步驟制作的將步驟(I)所述的具有雙折射特性的微納光纖對折，使兩端部相互靠近，通過范德瓦耳斯力、靜電力和扭轉(zhuǎn)力，在相互靠近的部分形成平行結(jié)構(gòu)的雙折射微納光纖稱合區(qū)，在未靠近的部分形成雙折射微納光纖環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微納光纖折射率傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中微納光纖繞成一個環(huán)，環(huán)的位置為具有雙折射特性的微納光纖的腰部均勻區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納光纖折射率傳感器及其制備方法，該傳感器包括沿光傳輸路徑順序連接的寬帶光源、微納光纖環(huán)和光譜分析儀，其中微納光纖環(huán)包括雙折射微納光纖耦合區(qū)和雙折射微納光纖環(huán)；由寬帶光源發(fā)出的光進入微納光纖環(huán)，形成的兩個相反方向傳播的光經(jīng)雙折射微納光纖環(huán)產(chǎn)生偏振相位差，經(jīng)雙折射微納光纖耦合區(qū)合波后形成偏振干涉光，最后由光譜分析儀檢測輸出。本發(fā)明中的微納光纖環(huán)是由具有雙折射特性的微納光纖兩端部相互交叉或并排靠近形成的。本發(fā)明采用具有雙折射特性的微納光纖形成雙折射微納光纖耦合區(qū)和雙折射微納光纖環(huán)，構(gòu)成微納光纖環(huán)進行傳感，結(jié)構(gòu)具備可調(diào)性，且傳感靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好。
文檔編號G01N21/45GK102621099SQ201210081729
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 孫立朋, 李 杰 申請人:暨南大學