[发明专利]一种光纤光栅腐蚀与液体折射率测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤布拉格光栅腐蚀与液体折射率测试装置。该装置具备自动温度调节与补偿功能，可用于制作微纳光纤光栅折射率传感器，并实现对液体折射率和热光系数的准确测量。

背景技术

伴随光纤技术的发展，基于光纤光栅的新型光电子器件被广泛应用于光通信与传感领域，不仅拓展了现代通信器件的功能，而且在传感领域的应用得到了前所未有的发展。基于光纤光栅的传感器由于自身的小型化、多功能化以及易于网络化的特点，在传感检测的各领域发挥了巨大的作用，而且还具有潜在的发展空间。

特别是微纳光纤技术与光纤光栅传感技术的有效结合，使光纤光栅应用与液体折射率的传感检测成为可能。普通的光纤光栅对环境折射率变化并不敏感，但当其外径尺寸减小到几微米甚至纳米尺度时，就成为所谓的微纳光纤光栅，它不仅结合了普通光纤光栅的波长选择特性，还具备光传输时的强倏逝场特性，其反射谱的中心波长与功率对外境环境折射率的变化非常敏感，由于具有体积小、感测量准确、可靠性高等原因，在生化领域被用于物质特性参数如浓度、糖度、折射率、含粒度等量的传感测量，具有其它电学传感器无法比拟的优势。

目前，微纳光纤光栅的制作途径有两种：一种是先制作微纳米直径的光纤，然后采用紫外光相位掩膜法或飞秒激光写入法制作成微纳光栅；另一种就先制作常规尺寸的光纤光栅，然后利用氢氟酸腐蚀光纤光栅至微米直径尺寸。相比之下，前者虽能保持微纳光纤光栅的强机械柔韧性，但需要复杂、昂贵的微纳光纤拉制系统。而后者虽然制作的微纳光纤光栅机械韧性没有前者高，但所需腐蚀装置制作简单，能够有效降低成本。因此，在非特殊需求情况下，腐蚀方法在实验室研究中得到广泛应用，同时提出了多种制作微纳光纤光栅的腐蚀装置与方法，并将微纳光纤光栅用于液体折射率的传感检测，只不过由于加工和测量过程持续时间不是太长而忽略了温度对腐蚀程度和液体折射率测量的影响问题。事实上，无论是腐蚀过程还是测量过程，温度的变化会影响测量的准确度的，不同环境温度条件下，同种腐蚀液的腐蚀速率相差是比较大的，比如温度对20%浓度HF的腐蚀速度的影响达到了0.02μm/min∙℃，而对液体折射率测量的影响可达到10^-3-10^-4 RIU（折射率单位）/℃。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，在腐蚀和测量过程中保持环境温度的恒定、有效的控制腐蚀程度、解决光栅制作过程和液体折射率测量过程中光栅易断问题、实现温度的调节与自动控制，我们设计了此种光纤光栅腐蚀与液体折射率测量装置，将光纤光栅腐蚀装置和液体折射率测量装置集成为一体，具有结构简单、易操作、测量准确和信噪比高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤光栅腐蚀与液体折射率测试装置，包括有支撑架和支撑架上的横杆；横杆上夹持有双层管壁的工作容器；工作容器的一侧上端、下端的管内壁和管外壁上均设有通孔a和通孔b，通孔a和通孔b内设置柱状管a和柱状管b；工作容器的另一侧管外壁的上端、下端设有通孔c和通孔d，通孔c和通孔d内分别设有柱状管c和柱状管d；工作容器的管内壁与管外壁之间的空腔内设有温度传感器，温度传感器与可调恒温水域控制器相连；柱状管c通过保温橡胶管a与可调恒温水域控制器相连，柱状管d通过保温橡胶管b与可调恒温水域控制器相连；工作容器的上管口与下管口分别接橡胶塞a和橡胶塞b；光纤光栅波长检测器与穿过工作容器内管的光纤光栅的一端相连。

一种光纤光栅腐蚀与液体折射率测试装置的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，制作工作容器，工作容器是本发明的核心部分，具体做法是：

首先，将管壁厚度均为3mm，内经分别为20mm和60mm的有机玻璃管裁取两段长度为100mm的内管与外管，将内管置于外管中心，用厚度为3mm的有机玻璃封堵内管口与外管口，用环氧胶密封接口处，并将内管的管口处理光滑；

其次，在制作好的双层管一侧设有穿透内外管壁的通孔a和通孔b，另一侧设有只穿透外管壁的通孔c和通孔d，在封堵双层管两端的有机玻璃片上开设直径孔；

将柱状管a和柱状管b分别插入内外管壁均开的通孔a和通孔b内；将柱状管c和柱状管d分别插入只在外管壁开的通孔c和通孔d内，并用环氧胶密封柱状管a、柱状管b、柱状管c、柱状管d与内外管壁的所有接缝；

最后，用聚酯型热熔胶封堵柱状管a、柱状管b的柱状接口，完成工作容器的制作。

一种光纤光栅的腐蚀和液体折射率的测量方法，包括以下步骤：