[实用新型]基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器

说明书

技术领域

本实用新型提出了基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

双锥形微纳光纤是光纤结构拉伸到直径只有光波长大小的结构。这种双锥微纳结构光波导通过的时候，会在光纤外面与外界产生感应的倏逝波，倏逝波可以与外界的媒质相互作用。

双锥形微纳光纤浸没在液体中可以产生拉曼非线性的倏逝波，发出的光量子经过拉曼散射，其中的斯托克斯光量子会向着能量更低的光量子转化并在微纳光纤中传播，于是发出的光量子就会因为拉曼散射而消耗并转化为斯托克斯光波导模式，因为微纳光纤的直径非常小，只可以一个模式在纤芯里传播，如果外界环境中的媒介发生变化，则微纳光纤中的斯托克斯的光波导模式会产生变化。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，通过将一定功率的脉冲激光输入到微纳光纤中，利用拉曼散射的原理，在微纳光纤的纤芯传播斯托克斯模式的光，微纳光纤表面传播的倏逝波与外界的媒介接触，使得光纤纤芯内传播的斯托克斯光波模式产生频移，不同的媒介对纤芯内的斯托克斯光产生不同的影响，光谱的成分也有很多不同之处，利用该特性，可以检测甲苯一乙醇混合溶液的光谱特性，为物质的检测提供了一种新的方法。

本实用新型通过以下技术方案实现：基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：由微型激光器(1)、磷酸氧钛钾晶体(2)、红外滤波片(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、单模滤波器(6)、微纳光纤(7)、水槽(8)、光谱分析仪(9)、透镜(10)和显微物镜(11)组成，微型激光器(1)出光口通过透镜(10)准直后依次经过磷酸氧钛钾晶体(2)二倍频、红外滤波片(3)过滤红外光线、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)，显微物镜 (11)收集偏振分光镜(5)的出射光，显微物镜(11)出光口与单模滤波器(6)左端连接，单模滤波器(6)右端与微纳光纤(7)左端连接，微纳光纤(7)浸没到水槽(8)中并且右端与光谱分析仪(9)连接。

所述的微纳光纤(7)型号为28号通讯光纤，通过电脑控制同步电机拉制而成。

所述的单模滤波器(6)是一个拉锥长度超过1厘米直径为40um的双锥形光纤。

所述的单模滤波器(6)与微纳光纤(7)的距离不超过20cm。

所述微纳光纤(7)长度为6cm，直径为700nm。

所述微型激光器(1)泵浦波长为532nm。

本实用新型的工作原理是：入射光在经过磷酸氧钛钾晶体(2)实现二倍频，经过红外滤波片(3)过滤掉红外波，经过偏振分光镜(5)后，为了让光纤中传播的模式为HE₁₁，于是就加入一个单模滤波器(6)。当调制好的光通过微纳光纤(7)后产生倏逝波与水槽(8) 中的液体相互作用后，检测经过微纳光纤出来的斯托克斯光谱，对于输出光的脉冲常数可以表示为：

γ＝g_S1P_critL (1)

其中γ≈23，g_S1代表拉曼增益，L代表微纳光纤(7)的长度，P_crit代表从微纳光纤出射的斯托克斯光能量，在本次实验中g_S1＝1.04m^-1·W^-1。

泵浦源产生的频率会产生一级斯托克斯模式光，一级的斯托克斯模式会产生拉曼频移出现二级斯托克斯模式光，以此类推，公式可以表示为：

ω_S1＝ω_P-Δω_Stokes，ω_S2＝ω_S1-Δω_Stokes、ω_S3＝ω_S2-Δω_Stokes，… (2)

其中ω_P代表泵浦源角频率，ω_S1、ω_S2、ω_S3分别代表一级、二级、三级斯托克斯模式角频率，代表拉曼频移，在本实验中，泵浦源的波长为1.06um，工作频率500Hz，脉冲最大半宽度为 510ps。

考虑前两个斯托克斯模式，可以得出耦合波方程，可以表示为：