[发明专利]基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感检测技术领域。具体讲，涉及基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法及传感器。

背景技术

普通光纤布拉格光栅传感器(FBG)是通过外界物质参量(如温度、应力、振动等)对光纤光栅谐振波长的影响获得传感信息的一种波长调制型光纤传感器，现有的FBG传感器件对温度、应力、应变、振动的变化量都比较敏感，但是对包围在光纤光栅周围物质的折射率、酸碱度、浓度等变量却缺乏敏感性，因此，在生物、化学、环境等领域的应用受到限制。而长周期光纤光栅(LPFG)传感器则是通过纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合共振，使部分能量耦合到包层中传输，这些共振模在包层中传输并衰减形成透射谱中的多个衰减峰，当光栅周围的待测物质特性发生变化时，衰减峰的波长随之产生漂移。研究结果表明，对不同的物理参量，这些谐振峰的变化敏感度有所不同，因此可以实现高精度、多参量的传感检测。

目前国内外大部分长周期光纤光栅传感器都是在单模光纤中写入光栅，受光纤结构限制，芯模能量中用于传感信息的模式能量效率不高，因此传感器的敏感度较低。人们为了提高光纤光栅传感器的敏感度做过许多改进，如对光纤光栅的包层进行蚀刻减薄、采用高折射率的有机聚合物薄膜覆盖LPFG表面、采用纳米材料覆盖在LPFG表面等，这些方法各有所长，但都无法改变光纤结构对敏感度限制的本质。也有部分人开展少模光纤布拉格光栅(FM-FBG)传感器的研究，但由于结构设计简单，少模光纤光栅的制备工艺还不完善，耦合效率依然不高，传感灵敏度提高不明显。

发明内容

为克服技术的不足，实现对外界环境物质高精度、高灵敏度的传感测量，并突破现有的传感灵敏度。为此，本发明采取的技术方案是，基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的传感器，包括模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换少模长周期光纤光栅，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化。

基于碳纳米材料少模长周期光纤光栅的测量方法，将模式转换少模长周期光纤光栅和蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过少模长周期光纤光栅FM-LPFG传感器，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来传感外界物质折射率的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立折射率变化对波长变化量的关系，实现对外界待测物质的传感测量。

蚀刻减薄涂覆碳纳米纤维的少模长周期光纤光栅传感器的制作方法是，第一步：首先采用飞秒激光器将周期为Λ₂，范围在300～600μm之间，的长周期光纤光栅写入少模光纤中；

第二步：将少模光纤两端固定在匀速转动的两个旋转轴之间，使其刚好和HF酸溶液表面相接触，在液体表面张力的作用下使酸液裹覆在光纤包层上，旋转光纤使腐蚀掉落的SiO₂及时脱离光纤表面，均衡光纤的刻蚀速度，保证刻蚀后的光纤光栅包层厚度均匀一致，之后需要对包层腐蚀后的FM-LPFG做NaOH溶液处理，防止残留的HF酸进一步腐蚀包层；

第三步：采用外加磁场诱导Fe₃O₄/碳纳米纤维排列整齐，规则地沉积在蚀刻后的少模光纤光栅上。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

相比于现有的技术，本研究将从两个方面提高并突破现有的传感灵敏度。

(1)通过提高模式耦合效率来提高传感灵敏度：本发明设计了一个级联的少模长周期光纤光栅器件，先利用周期为Λ₁为430μm的FM-LPFG将入射光的能量从基模转换到LP02模上，器件的理论转换效率可以达到90％，LP02模的光进入周期为Λ₂、并进行了蚀刻和碳纳米纤维涂覆的传感器之后，其能量直接与包层模上形成共振耦合模，在传感器周围被测物质的影响下，共振耦合模的波长发生变化，直接反映在透射光谱中的衰减峰波长变化上。由于模式耦合和转换效率的提高，长周期光纤光栅的透射光谱衰减峰的峰值凹陷更深，对被测物质物理量的改变更加敏感，再加上两个光纤模块纤芯尺寸相同，避免了连接耦合损耗，也进一步提高了器件的传感灵敏度。