[发明专利]基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法

权利要求书

1.基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，其特征在于包括宽带光源（1）、光纤环形器（2）、测量传感头（3）和光谱仪（4）；所述光纤环形器（2）的输入端口与宽带光源（1）通过光纤连接，光纤环形器（2）的第一输出端口与测量传感头（3）通过光纤连接，第二输出端口与光谱仪（4）输入端通过光纤连接；光在测量传感头内部发生多模干涉，并在测量传感头与待测物质的界面上发生菲涅尔反射重新回到测量传感头内部继续传播并发生多模干涉，最终传输到光谱仪（4），通过光谱仪（4）测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经计算得到待测物质的折射率和温度。

2.根据权利要求1所述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，其特征在于所述的测量传感头（3）为端面与轴线相垂直的未去除包层的阶跃型多模光纤尾纤。

3.如权利要求1所述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，其特征在于所述的宽带光源为C波段的宽带光源。

4.如权利要求1～3任一项所述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，其特征在于除了测量传感头（3）外所使用的光纤均为普通单模光纤。

5.利用权利要求1所述光纤折射率与温度传感器的折射率和温度测量方法，其特征在于：将测量传感头插入待测物质中；光经单模光纤进入多模光纤，并在多模光纤端面上激发出多个本征模，多个本征模式的光在多模光纤中发生干涉，并在多模光纤的另一端面与待测物质的界面处发生菲涅尔反射，并再次发生多模干涉，干涉条纹的损耗峰功率随待测物质折射率变化而变化，干涉条纹的损耗峰波长随待测物质的温度变化而变化，通过光谱仪测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经分析计算得到待测物质的折射率和温度。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于所述干涉条纹的损耗峰功率为

I=[I1+I2+2I1I2cos(2πΔnLλ)](nco-nxnco+nx)2]]>

其中I₁，I₂分别为本征模式1和2所分布的光功率，Δn为这两个模式之间的折射率差，L是双倍的多模光纤的长度，λ是光波长，n_co是多模光纤纤芯的折射率，n_x是待测物质的折射率；所述干涉条纹的损耗峰波长为

λmin=d2mLnco]]>

其中d是多模光纤的纤芯直径，L是双倍多模光纤的长度，n_co是多模光纤纤芯的折射率，m是模式的阶数。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于当温度发生变化ΔT时，多模光纤的纤芯直径、长度、纤芯折射率将发生相应的变化，最终将导致干涉条纹损耗峰波长的变化，表示为

λ0min+Δλmin=(d+Δd)2m(L+ΔL)(nco+Δnco)]]>

其中Δd＝k₁ΔT,ΔL＝k₁ΔT,Δn_co＝k₂ΔT，k₁和k₂分别是多模光纤的热膨胀系数和热光系数，λ_0min是初始损耗峰波长，损耗峰波长变化Δλ_min只与温度变化ΔT有关。