[发明专利]光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种折射率传感器设计领域，特别涉及一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法。

背景技术

折射率是液体重要的物理参数，折射率的测量在环境监测、食品、化学等领域中是十分重要的。液体的折射率通常与其浓度、成分、物质含量等参量相关，因此可以通过测量折射率的变化掌握其物理和化学性质。倾斜光纤光栅是一种新型的光纤传感器件，由于光栅倾角的引入，使得前向传输的纤芯模有效激发出后向传输的包层模，这些包层模具有不同的有效折射率，对环境折射率变化非常敏感，可实现高灵敏度折射率测量。与此同时，由于纤芯模对环境折射率不敏感，可提供稳定独立的环境温度变化信息，实现折射率测量过程中温变自校准功能。然而已报到的基于光纤光栅的折射率测量器件大多数是通过自身透射谱进行波长解调，这些方法不但操作复杂(透射谱工作方式)，而且需要昂贵的解调仪器(波长解调方式)。上述问题不仅提高了系统成本，而且不易实现系统小型化和集成化。

为了实现测量处理过程更加方便(尤其是对分析剂量为微升或亚微升的生物医学试剂)，探针式的折射率传感器是非常好的选择，这就要求倾斜光纤光栅必须基于反射谱解调。为实现反射式测量，已报道的各类光纤传感探针均基于光纤内部结构的改造，总体思路是通过引入包层-纤芯后向耦合结构，使倾斜光纤光栅激发的包层模再次后向耦合进入光纤纤芯。这些方法包括：基于倾斜光纤光栅的错位熔接方法、纤芯直径不匹配法、长周期光栅与双包层光纤耦合法等。然而这些基于光纤内部结构改造的探针式折射率测量方法耦合到的包层模光谱相对较窄，这限制了折射率的测量范围，尤其是对于低折射率(接近1.33)的生物医学试剂的测量，其灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量精度更高的光纤纤间倏逝场耦合折射率计，能够同时实现温度的测量，并且可以消除折射率和温度的交叉敏感问题。

本发明的另一目的在于，提供一种上述折射率计的检测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种光纤纤间倏逝场耦合折射率计，包括光源、光纤传感器探针以及光纤耦合器/环形器，还包括第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集及处理模块；

所述光纤传感器探针包括平行布置且紧密相贴的刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤，光源通过光纤耦合器/环形器与刻有倾斜光纤光栅的光纤连接，光源发射的光通过光纤耦合器/环形器入射到倾斜光纤光栅，刻有倾斜光纤光栅的光纤通过光纤耦合器/环形器与第二光电探测器输入端连接，光源入射到倾斜光纤光栅中被反射的光通过光纤耦合器/环形器传输给第二光电探测器；D型光纤通过单模光纤连接第一光电探测器的输入端，其中刻有倾斜光纤光栅的光纤和光纤耦合器/环形器连接的一端与D型光纤和第一光电探测器连接的一端在同一侧；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接数据采集及处理模块。

优选的，所述刻有倾斜光纤光栅的光纤与光纤耦合器/环形器连接的一端以及D型光纤与第一光电探测器连接的一端均封装于毛细管内，另一端均外露用于检测。

更进一步的，D型光纤通过其侧平面紧贴刻有倾斜光纤光栅的光纤，D型光纤封装于毛细管内的一端与单模光纤熔接，通过单模光纤连接第一光电探测器，另一端端点处通过紫外固化胶与刻有倾斜光纤光栅的光纤平行固定。

优选的，所述倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm；所述D型光纤为双包层结构，长度为20mm，包层直径约为114μm。

优选的，所述光源输出光谱为1480至1580nm，所述光源输出光谱的范围与倾斜光纤光栅包层模光谱匹配。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现，包括如下步骤：

S1、光纤传感探针插入微量生物溶液中，使光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤和D型光纤耦合区完全浸于待测生物溶液中；

S2、光源输出入射光，入射光经过光纤耦合器/环形器后进入到光纤传感探针中刻有倾斜光纤光栅的光纤，入射光经过倾斜光纤光栅后，包层模通过倏逝场反向耦合至D型光纤，纤芯模被倾斜光纤光栅直接沿着纤芯原路反射回去；

S3、耦合到D型光纤的倏逝场光信号输入到第一光电探测器中，刻有倾斜光纤光栅的光纤自身纤芯反射回去的光信号经光纤耦合器/环形器后输入到第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器分别将接收到的光信号转换成电信号；