一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT(Carbon Nanotube)的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖折射率傳感器一種重要的光纖傳感器，常見(jiàn)的一些改善傳感器靈敏度的方法是對(duì)光纖進(jìn)行一些特殊的溶解或化學(xué)處理使其對(duì)外界環(huán)境的折射率更加敏感，但是這些方法在提高折射率靈敏度的同時(shí)降低了光纖本身的柔韌性，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到一些限制。同時(shí)大多數(shù)折射率傳感器會(huì)隨著外界折射率的增加波長(zhǎng)進(jìn)行漂移，而強(qiáng)度不會(huì)因此發(fā)生有規(guī)律或明顯的起伏。這樣的傳感器容易受到FSR(Free Spectral Rang)的限制，并且不能夠在比較寬的折射率范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。近些年來(lái)，越來(lái)越多的人們?cè)诠饫w表面沉積一層薄膜來(lái)提高傳感器的傳感特性。這類傳感器具有成本低、容易制作、使結(jié)構(gòu)的折射率的測(cè)量范圍隨著外界環(huán)境的改變而改變等優(yōu)點(diǎn)。

全光纖邁克爾遜干涉儀是一種重要的光纖干涉儀，其結(jié)構(gòu)分兩種，一種是在一段單模光纖中間熔接出一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以激發(fā)出包層模，同時(shí)光纖的端面可以鍍高反射率的銀，可將激發(fā)出的包層模反射回到纖芯中與纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉，或者可將光纖端面熔接出一些特殊結(jié)構(gòu)，可以激發(fā)更高級(jí)次的包層模。第二種結(jié)構(gòu)是將一段單模光纖與特種光纖熔接在一起，利用單模光纖與特種光纖的纖芯直徑不匹配的原理激發(fā)出包層模。該結(jié)構(gòu)折射率靈敏度很高，可進(jìn)行波長(zhǎng)和強(qiáng)度的雙解調(diào)。

CNT是一種對(duì)光有高的吸收率并且具有高的折射率的黑色的材料，另一方面CNT 對(duì)于硅材料具有很好的兼容性可以在硅表面形成薄膜。重要的是基于它的傳感原理，可以使原本結(jié)構(gòu)的折射率的測(cè)量范圍增大，并且隨著外界折射率改變干涉波譜的強(qiáng)度改變得到提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器。該裝置成本低，便于制作，可以使原本結(jié)構(gòu)的折射率的測(cè)量范圍增大，并且隨著外界折射率改變干涉波譜的強(qiáng)度改變得到提高。

本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，其特征在于：由單模光纖(1)、細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)、CNT沉積層(4)組成；單模光纖(1)與細(xì)芯光纖(2)相連，微弧頂端包層(3)與細(xì)芯光纖(2)相連，CNT沉積層(4)包裹細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)的表面。

所述的一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，其特征在于：?jiǎn)文９饫w(1)、細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)均可采用G.652單模光纖，細(xì)芯光纖(2)的纖芯和包層直徑分別為4μm和124.5μm，細(xì)芯光纖(2)的長(zhǎng)度L為2mm，微弧頂端包層(3)的長(zhǎng)度l 為45.08μm。

所述的一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，其特征在于： CNT沉積層(5)采用CNT均勻的沉積在光纖的表面。

本實(shí)用新型的工作原理為：依據(jù)邁克爾遜干涉儀的干涉公式為：

其中E₁和E₂分別是基模和激發(fā)的包層模的大小，Δn＝n₁-n₂是包層模的纖芯的有效折射率差，l₁是L的二倍，λ是工作波長(zhǎng)，是初始相位。外界環(huán)境的折射率的改變影響了包層模式的有效折射率，從而導(dǎo)致相位的改變。

這可以解釋基于細(xì)芯光纖的邁克爾遜結(jié)構(gòu)隨著外界環(huán)境折射率的改變波長(zhǎng)和強(qiáng)度都發(fā)生了明顯的改變。經(jīng)過(guò)CNTs修飾過(guò)后的邁克爾遜結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于CNTs是一種高折射率和高光吸收率的材料，那么高折射率特性使得包層模式的有效折射率發(fā)生變化，這將影響細(xì)芯光纖表面的包層模式的倏逝波的強(qiáng)度，導(dǎo)致干涉波峰和波谷的波長(zhǎng)和消光比的改變。當(dāng)外界環(huán)境的折射率發(fā)生改變時(shí)，端面修飾了CNTs的細(xì)芯光纖也發(fā)生改變，包層模式倏逝波反射強(qiáng)度可使用公式：

其中a＝4πk/λ是CNT層的吸收系數(shù)，n_clad和n_am分別是包層和外界環(huán)境的折射率。r_x，y是在不同層干涉的反射系數(shù)。相應(yīng)的四層分別是光纖纖芯，包層，CNT薄膜還有外界環(huán)境。從公式中可以看出外界環(huán)境折射率的改變影響了R的變化。當(dāng)外界環(huán)境折射率低于包層的折射率時(shí)，外界環(huán)境折射率的增加將導(dǎo)致R的減小，這意味著有很少的倏逝波的能量被反射回纖芯與纖芯的基模發(fā)生干涉，從而最終導(dǎo)致消光比的減小。其中R的變化將比未修飾CNT的傳感器的R的變化更大，因?yàn)閷?duì)于未修飾CNT的傳感來(lái)說(shuō)，包層模式的強(qiáng)度只是依賴于光纖包層與外界環(huán)境之間的菲涅爾反射。CNT薄膜將提高包層模式的反射強(qiáng)度，因此隨著外界環(huán)境折射率的變化，干涉波峰和波谷的強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生更大的變化。

本實(shí)用新型的有益效果是：在實(shí)驗(yàn)中使用了一種簡(jiǎn)單有效的沉積方法將CNTs沉積在光纖的端面?；谒膫鞲性?，可以使原本結(jié)構(gòu)的折射率的測(cè)量范圍增大，并且隨著外界折射率改變干涉波譜的強(qiáng)度改變得到提高。這樣沉積了CNTs的細(xì)芯光纖結(jié)構(gòu)克服了FSR 的限制。同時(shí)根據(jù)高折射率的CNT將增加包層的有效折射率，那么外界環(huán)境折射率的增加引起的包層模與纖芯模的有效折射率差將減小，從而該傳感器波長(zhǎng)的漂移量與未修飾CNT的傳感器相比將會(huì)減少。適量控制CNT的修飾厚度將會(huì)增加傳感器強(qiáng)度的漂移量，可以盡量減小對(duì)波長(zhǎng)的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)的構(gòu)折射率傳感器示意圖

圖2是本實(shí)用新型的傳感器修飾CNT前后干涉光譜的變化實(shí)驗(yàn)圖

圖3是本實(shí)用新型的傳感器隨著外界環(huán)境折射率的變化干涉光譜的變化圖

圖4是本實(shí)用新型的外界環(huán)境折射率與干涉峰波長(zhǎng)的擬合圖

圖5是本實(shí)用新型的外界環(huán)境折射率與干涉峰強(qiáng)度的擬合圖

具體實(shí)施方式

光纖折射率傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置：

一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器的系統(tǒng)包括一個(gè)帶寬光源，光纖耦合器和光譜儀。實(shí)驗(yàn)時(shí)將Piranha溶液處理后結(jié)構(gòu)連接到光譜儀和光源上。通過(guò)光沉積方法，在沉積在光纖端面的過(guò)程中，寬帶光源原本輸出能量為95dB，將其調(diào)節(jié)到 120dB，約為20mW的能量，在這種情況下將結(jié)構(gòu)的端面伸入到CNT溶液中持續(xù)20min，光熱量可以緩慢的增加溫度，使CNT均勻的沉積在光纖的表面上，然后將結(jié)構(gòu)浸入水中沖洗兩小時(shí)，將未穩(wěn)定沉積的CNT沖洗掉。在整個(gè)沉積的過(guò)程使用光譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)控制CNT 的厚度，以確保修飾后的結(jié)構(gòu)具有良好的干涉譜。

下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：

參見(jiàn)附圖1，一種基于細(xì)芯光纖修飾CNT的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，其特征在于：由單模光纖(1)、細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)、CNT沉積層(4)組成；單模光纖(1)與細(xì)芯光纖(2)相連，微弧頂端包層(3)與細(xì)芯光纖(2)相連，CNT沉積層(4)包裹細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)的表面。單模光纖(1)、細(xì)芯光纖(2)、微弧頂端包層(3)均可采用G.652單模光纖，細(xì)芯光纖(2)的纖芯和包層直徑分別為4μm和124.5μm，細(xì)芯光纖(2)的長(zhǎng)度L為2mm，微弧頂端包層(3)的長(zhǎng)度l為45.08μm。CNT沉積層(4)采用CNT均勻的沉積在光纖的表面。

圖2顯示了修飾前后細(xì)芯光纖結(jié)構(gòu)在空氣中的反射譜?？梢钥闯鲂揎椇蟮慕Y(jié)構(gòu)的反射譜向長(zhǎng)波方向漂移。CNT的高折射率引起了包層模式的有效折射率的改變，從而引起干涉波譜發(fā)生紅移。將修飾好的傳感器進(jìn)行折射率的測(cè)量。

圖3顯示了隨著外界折射率的變化反射波譜的變化。未修飾的基于細(xì)芯光纖的折射率傳感器折射率范圍為1.33RIU(Refractive Index)-1.38RIU，波長(zhǎng)解調(diào)后的靈敏度為 228.85nm/RIU，強(qiáng)度解調(diào)后的靈敏度為-158.75dB/RIU。對(duì)沉積CNT的傳感器的反射譜進(jìn)行解調(diào)發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)漂移與未修飾的沒(méi)有明顯的變化，但是強(qiáng)度漂移增加解調(diào)后的折射率靈敏度為 -183.67dB/RIU，

圖4顯示了外界折射率伴隨波長(zhǎng)的改變。

圖5顯示了外界折射率伴隨強(qiáng)度的改變。