[发明专利]一种液体折射率感测方法和液体折射率感测装置

说明书

本发明涉及一种液体折射率感测方法和液体折射率感测装置，该方法包括：使宽带探测光通过液体填充的空心布拉格光纤，空心布拉格光纤包含中空纤芯、包层和保护层，包层具有多个周期结构，该多个周期结构包含由第一介质层和第二介质层形成的多个正常周期结构以及由第一介质层和缺陷层形成的带缺陷周期结构，缺陷层的折射率≥第一介质层的折射率＞第二介质层的折射率；获得宽带探测光通过空心布拉格光纤的传输光谱，进而获得由空心布拉格光纤中缺陷模与纤芯模相互耦合产生的谐振波长；利用该谐振波长作为特征波长，并基于特征波长与待测液体折射率的线性关系实现待测液体的折射率感测。本发明能保持高灵敏度，同时获得较大的液体折射率动态测量范围。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种液体折射率感测方法和液体折射率感测装置。

背景技术

液体折射率测量在环境水质监测、工业过程控制、海洋科学研究、食品安全检测和生物医学诊断等与国计民生密切相关的诸多方面都具有重要的应用价值，因此有关液体折射率测量的技术一直备受关注。近年来，光纤传感器技术取得了长足发展，并且因具有抗电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑，以及易于构建长距离和分布式传感网络等优势而在诸多应用领域逐步崭露头角。人们开始将光纤传感技术用于实现液体折射率的远程、实时、在线测量。

各种结构新颖、具有独特传输特性的微结构光纤(包括折射率导引光子晶体光纤和空心光子带隙光纤)，作为光与被测液体相互作用的优良平台，在折射率传感中表现出巨大的应用潜力。利用液体填充纤芯或包层的微结构光纤的传输光谱变化实现了折射率传感器，具有结构与原理简单，易于实现的优点，避免了利用化学或激光微加工法进行独特微结构加工和器件制作，以及镀贵金属层的复杂处理。然而，这些折射率传感器所用微结构光纤的液体填充空气孔较小，使得液体填充时间较长，导致传感响应速度慢，因而不利于折射率的实时检测。显然，大芯径光纤结构能够降低中空纤芯中的流阻，更易于实现被测液体的快速填充，可以有效地解决这个问题。

近年来，基于一维光子带隙(PBG)效应的空心布拉格光纤因具有独特波导结构和优良传输特性，逐步在基于纤芯填充物质的生化检测崭露头角。尤其是，大芯径(通常达几百微米)空心布拉格光纤能够显著降低中空纤芯中的流阻，更易于实现被测液体的快速填充，从而提高响应速度。基于高折射率差包层材料(As2S3和聚醋亚胺)和基于低折射率差包层材料(聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯)的空心布拉格光纤相继被用来实现折射率传感器。虽然都是利用作为特征波长的PBG中心波长随纤芯填充液体折射率改变而产生漂移的传感机理，但是基于这两类材料组合的折射率传感器的输出特性却大不相同。基于高折射率差包层材料的布拉格光纤传感器虽然动态测量范围较大(1.402-1.578)，但是其灵敏度仅为330nm/RIU(K.J.Rowland,S.Afshar V.,A.Stolyarov,Y.Fink,and T.M.Monro,“Braggwaveguides with low-index liquid cores,”Opt.Express,vol.20,no.1,pp.48-62,Jan.2011.)；而基于低折射率差包层材料的布拉格光纤传感器虽然灵敏度高达1400nm/RIU(理论值约为2100nm/RIU)，但是其动态测量范围较小(1.333-1.378)，这主要是由于特征波长与纤芯折射率的线性关系在较大折射率范围内将变差(Qu H,Skorobogatiy M.“Liquid-core low-refrative-index-contrast Bragg fiber sensor”,Appl.Phys.Lett.,2011,98:201114；H.Qu and M.Skorobogatiy,“Resonant bio-and chemical sensors usinglow-refractive-index-contrast liquid-core Bragg fibers,”Sens.Actuators B,161(1),2012,261-268.)。因此，为实现兼顾高灵敏度和大动态测量范围的折射率传感目标，亟需采用一种新的折射率传感机理来改善特征波长与纤芯填充液体折射率之间的线性关系。

发明内容