[发明专利]一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感，具体涉及一种基于非对称双芯光纤的折射率传感器。

背景技术

折射率是液体的一个基本物理性能参数，作为物质的重要光学属性之一，在光学领域中具有极其重要的地位。折射率的测量在化工、生物、制药和食品等领域具有非常广泛的应用，很多物理或化学参数如混合物中某中某种物质的含量等都可以通过测量折射率来获得。传统的测量折射率的方法为测角法，分为测最小偏向角和临界角两种方法。但是这两种方法需要采样测量，测量时间长，一般不易实现在线检测和远程监测。

光纤传感技术具有体积小、抗腐蚀、容易实现在线测量和远程监测等优点，在液体折射率测量领域获得越来越多的应用。

基于光强调制的光纤液体折射率传感器具有结构简单、成本低的优点。目前已经存在的强度调制型光纤折射率传感器包括：基于螺旋形波导弯曲损耗的光纤折射率传感器和基于反射式强度调制的光纤折射率传感器。但是强度调制的光纤折射率传感器的传感信号直接与接收光强有关，因此容易受外界环境的干扰。光纤光栅作为波长调制型传感器，从本质上排除了光强起伏引起的干扰，具有很高的可靠性和稳定性。尤其是长周期光纤光栅(LPG)，由于其对周围介质折射率变化敏感，因而被广泛用于液体折射率的测量。但是长周期光纤光栅不仅对折射率敏感，对环境温度的变化也非常敏感，温度稳定性较差。表面等离子谐振(SPR)也被用于液体折射率的测量。但是通常基于SPR的折射率传感器需要将光纤包层去除，在纤芯表面镀上敏感膜，制作复杂，而且不同的被测物质，通常需要镀不同的敏感膜。

基于干涉结构的光纤传感器具有结构简单、灵敏度高和制作方便等优点。但是传统的基于干涉结构的光纤折射率传感器的两个干涉臂(传感臂和参考臂)是彼此独立的，集成度不高，而且需要对两臂的光程进程匹配。最近提出的对光纤拉锥或利用飞秒激光器在光纤芯上制作微孔的方法可以将传感器集成到一根光纤中。但是基于光纤锥的折射率传感器的干涉是发生在纤芯模和多个包层模之间，为多模干涉，干涉谱中不同的干涉峰对折射率的敏感度不一致；而基于微孔的结构需要价格昂贵的飞秒激光器，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量灵敏度高，系统的稳定性好，制作方便、成本低的基于非对称双芯光纤的折射率传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、单模光纤环行器或单模光纤耦合器、光纤锥、非对称双芯光纤、反射镜和光电检测装置；光源与单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第一端口相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第二端口通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，单模光纤环行器或单模光纤耦合器的第三端口与光电检测装置相连，反射镜位于非对称双芯光纤的另一端；所述的非对称双芯光纤包括内芯和边芯，两个纤芯的基模有效折射率对外界环境折射率变化的响应不同。

本发明还可以包括：

1、所述的非对称双芯光纤的内芯与包层-空气界面的距离大于10μm，边芯与包层-空气界面的距离小于1μm；内芯与边芯的直径可以是相同的，也可以是不同的；内芯与边芯的折射率可以是相同的，也可以是不同的。

2、所述的反射镜是切割良好的光纤端面或者是镀于光纤端面的金属膜。

3、所述的光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点处进行熔融拉锥制作的光纤锥；所述光纤锥把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的内芯和边芯中，或者是将内芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中。

4、所述的光源可以是宽谱光源，也可以为可调谐窄带光源；所述的光电检测装置可以是光谱分析仪，也可以是光功率计。

本发明利用非对称双芯光纤中边芯的基模有效折射率对外界折射率变化敏感，而内芯的基模有效折射率对外界折射率变化不敏感的特性，构成基于非对称双芯光纤的集成式Michelson干涉仪，实现对折射率的高精度测量。

本发明是基于光纤干涉原理，利用非对称双芯光纤中不同位置的光纤芯的基模有效折射率对环境折射率变化的响应不同，通过监测宽谱光干涉峰的波长漂移或可调谐窄谱光的干涉强度的变化来测量折射率的变化。下面以使用宽谱光源进行测量为例，具体给出本发明专利的工作原理。

如图2所示的非对称双芯光纤，由内芯、边芯和包层组成。设非对称双芯光纤的长度为L，内芯和边芯的折射率分别为n₁和n₂，双芯光纤周围的环境折射率为n。那么根据干涉原理，干涉谱中的干涉峰对应两个纤芯的光程差等于峰值所在处波长的整数倍，即对于某个干涉峰，有