[发明专利]一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器的技术领域，具体涉及一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，对光纤折射率传感器在小型空间的应用、提高光纤折射率传感器的灵敏度及测量精度有着重要的意义和价值，将服务于未来各个的折射率领域，特别是化学和生物传感领域。

背景技术

随着科技的发展，光纤传感技术已经广泛应用于多个领域。目前大多数的物理量都可以通过光纤来感知，如光强度位移、温度、压力、转动、声音、拉力、磁场、电场、辐射、流体、液位、化学分析和振动等。相比于传统的传感器，光纤传感器具有很多优点，如抗电磁干扰、抗腐蚀、小尺寸、高灵敏度并且可实现远程传感。全光纤干涉仪由于具有易加工、高灵敏度和结构紧凑等特点，近期得到了深入研究，包括基于双花生型结构、锥形光纤和纤芯直径失配等方案的模式干涉仪。2006年，研究人员提出一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤的传感器，该传感器通过多模光纤纤芯区域的多模干涉实现。同时，由于锥形光纤具有大消逝场、强约束、快速响应等优点，基于锥形光纤的器件得到广泛研究，并在提升器件性能和减小器件尺寸方面表现出潜在优势。之后便有人提出了一种单模-锥形多模-单模(STMS)光纤传感器，STMS光纤传感器由一个输入单模光纤、一个锥形多模光纤和一个输出单模光纤组成。在锥形多模光纤中，纤芯中部分LP0m模与包层中的高阶模会在锥形区开始的位置发生耦合，从而增加多模光纤包层中消逝波的能量。但是，为了获得较大的折射率变化，需要将较长一段多模光纤置于周围介质中。因此，器件尺寸通常长达几厘米。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，具有小型化、加工方便、线性响应、高灵敏度、易于与其他光纤组件连接以及低成本等特性。本发明还提供了所述基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器的基本原理和工作方式。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，包括超连续宽带(SC)光源、环形器、单模-多模-单模光纤锥头以及光谱分析仪；所述的单模-多模-单模光纤锥头包括输入/输出单模光纤、带有周期性光栅结构的多模光纤锥头和镀在锥头端面作为反射镜的金膜以及光纤包层；

所述的超连续宽带(SC)光源、环形器、单模-多模-单模光纤锥头和光谱分析仪构成一个小型光纤折射率传感器，输入/输出单模光纤、带有周期性光栅结构的多模光纤锥头、镀在锥头端面作为反射镜的金膜和光纤包层集成于一体，构成单模-多模-单模光纤锥头；超连续宽带(SC)光源发出的波长在450nm—1800nm的光通过光纤进入环形器后，经光纤到达带有周期性光栅结构的单模-多模-单模光纤锥头；在多模光纤锥头的纤芯中，部分LP0m模会与光纤包层中的高阶模在锥形区开始的位置发生耦合并在周期性光栅结构和金膜处发生反射；反射回来的光通过光纤传输到环形器中，并从光纤中传输到光谱分析仪中，从而通过光谱分析仪中测得外部介质折射率。

其中，所述的SMS样品是由一段42mm长，数值孔径为0.22，纤芯半径为105μm的阶跃型折射率多模光纤制成。

其中，所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的直径约为3μm。

其中，所述的多模光纤锥头的尖端被聚焦离子束(FIB)系统切平。

其中，所述的多模光纤锥头被聚焦离子束(FIB)系统刻蚀成周期性光栅结构。

其中，所述的单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的锥头端面镀有40mm金膜，以提高反射率。

其中，所述的超连续宽带(SC)光源输出端采用斜切的方式以防止光纤组件的背向反射对光源产生影响。

另外，本发明提供一种基于单模-多模-单模光纤锥头(SMST)的小型光纤折射率传感器，按照以下工作方法实现外部介质折射率的测量：

利用单模-多模-单模光纤锥头(SMST)中的锥形过渡区和锥头区导模(即多模干涉)的有效折射率均受外部介质折射率影响的特性，来实现对外部介质折射率的测量，通过检测输出信号光，得到输出信号光的有效折射率，从而计算得到外部介质折射率；