[发明专利]一种微纳光纤折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种基于亚波长直径微纳光纤光栅的高灵敏度折射率传感器。

背景技术

折射率传感在气体和水溶液样品测量以及大飞机符合材料固化监测中都有重要的意义，折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。长周期光纤光栅(LPG)对周围介质折射率变化具有很高的灵敏度，但是LPG多谐振峰和传输峰带宽大限制了折射率测量的准确性，有报道通过蚀刻光纤布拉格光栅(FBG)利用倏逝场光波导来测量介质的折射率，可达到很高的灵敏度，但这种方法在蚀刻增加灵敏度的同时降低了传感器的机械强度。

基于倏逝场光波导的传感器在过去的几年里已经得到了广泛的研究，并且在传感应用中发挥着重大的作用。亚波长直径微纳光纤是指光纤直径小于传输波长在微米或纳米量级的光纤，微纳光纤表现出一些不同于普通光纤的光学特性。亚波长直径微纳光纤大比例倏逝波传输的光学特性，使得微纳光纤对附近及表面介质的变化非常敏感，具有极高的灵敏度。

本发明结合微纳光纤倏逝场传输的光学特性和FBG强波长选择特性，提出一种基于微纳光纤光栅的高灵敏度折射率传感器。该传感器具有结构简单、灵敏度高、体积小等优点，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、灵敏度高的微纳光纤折射率传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种微纳光纤折射率传感器，其特征在于，传感单元为直径小于传输波长的亚波长直径微纳光纤，所述微纳光纤上刻写均匀布拉格光栅，光源经过环形器连接所述传感单元，环形器的另一端连接光谱分析仪。

优选的，所述微纳光纤的纤芯半径为0.3～1μm。

进一步优选的，所述布拉格光栅采用相位掩模法刻写。

本发明的测量原理如下：

根据光纤布拉格光栅的耦合方程，光纤光栅的布拉格反射波长λ_B，表示为：

λ_B＝2n_effΛ    (1)

其中n_eff为光纤光栅传导模的有效折射率，数值与光纤光栅区域的几何结构、纤芯材料及包层材料的折射率等相关，Λ为光栅周期常数。

光纤布拉格光栅并不直接暴露在周围介质中，其本身对外界折射率的变化并不具有灵敏性。亚波长直径微纳光纤没有芯包结构，光纤仅由纤芯部分组成，包层即为外部介质，利用微纳光纤倏逝场传输的光学特性，微纳光纤直径一定，传输模以一定的比例以倏逝场的形式在光纤外的介质中传输，因此对外部介质的折射率变化非常灵敏。

本发明中将微纳光纤的倏逝场特性和光栅的波长选择特性结合起来，把刻写有布拉格光栅的微纳光纤作为折射率传感器的传感单元。将传感单元暴露或者浸入到被测溶液中，如图1所示原理图，当溶液的折射率发生变化时，就会改变传导模的有效折射率，进而引起光栅中心波长的漂移，通过监测波长的改变实现折射率的高灵敏度测量。

当外界被测溶液的折射率增大时，传导模的有效折射率随之增加，从而引起布拉格光栅的中心波长向长波长方面漂移。微纳光纤的直径越小，纤芯外倏逝场的比例越大，对外界溶液的折射率变化就越灵敏，因而减小微纳光纤的直径可以极大的提高折射率传感器的灵敏度。

本发明在已有通过蚀刻光纤布拉格光栅来实现折射率测量的传感器基础上进行改进，是结合微纳光纤倏逝场的特性和光栅的强波长选择特性的一种波长调制型光学传感器，不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、准确性高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明所用传感器原理图。

图2为本发明所用传感器装置。

图3为纤芯半径为1μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。

图4为纤芯半径为0.6μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。

图5为纤芯半径为0.3μm微纳光纤光栅传感器中心波长随外界被测溶液折射率变化关系曲线。

其中，1、宽谱光源输入，2、光栅反射谱，3、光栅透射谱，4、微纳光纤，5、光栅周期性结构，6、微纳光纤倏逝场，7、宽谱光源(ASE)，8、传感单元，9、光谱分析仪(OSA)，10、被测溶液，11、环形器。

具体实施方式