[发明专利]一种基于U型拉锥单模‑多模‑单模光纤结构的折射率传感器

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U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的折射率传感器，对研制高灵敏度的光纤折射率传感器及其在小型空间的应用有着重要的意义和价值，在化学和生物传感领域有广泛的发展前景。

背景技术

折射率传感在化学和生物医疗等多个领域都十分重要，而随着科技的发展，对折射率传感器的性能，尤其是在小型化、高灵敏度方面，提出了更高的要求。光纤折射率传感器体积小、抗电磁干扰能力强，成为了研究热点。目前常用的光纤结构包括马赫曾德尔干涉结构、法珀干涉结构、布拉格光栅、长周期光栅、表面等离子体和单模－多模－单模(SMS)光纤结构等。其中，单模－多模－单模光纤结构具有灵敏度高、结构紧凑、制作简单、成本低等优点，得到了广泛关注。在折射率传感中，要求传输光和外界介质充分作用，因此一般采用氢氟酸腐蚀的方法去除掉多模光纤的包层，以保证纤芯模和外界介质接触。但该方法操作危险，且腐蚀后的光纤表面不光滑，容易产生损耗。为了避免使用氢氟酸，有研究人员提出了一种拉锥单模－多模－单模(STMS)光纤结构进行折射率传感。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。由于多模光纤拉锥后，锥区包层消失，倏逝场能量增强，可充分和外界介质作用，从而提高了灵敏度。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，增大了器件体积。因此，迫切需要研制一种体积小、制作工艺简单、灵敏度高的新型光纤折射率传感器以满足应用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的折射率传感器，具有灵敏度高、体积小、制备简单、以及成本低等特性。本发明还提供了所述基于U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的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U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的折射率传感器，包括放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，简称ASE)宽谱光源、U型拉锥单模－多模－单模光纤探头以及光谱分析仪。所述的U型拉锥单模－多模－单模光纤探头包括输入/输出单模光纤、弯曲成U型的拉锥多模光纤及固定板；

所述的ASE宽谱光源、U型拉锥单模－多模－单模光纤探头和光谱分析仪构成一个小型光纤折射率传感器，输入单模光纤、多模光纤和输出单模光纤熔接为一体，拉锥后再弯曲为U型整体放置于固定板由UV胶进行固定，构成U型拉锥单模－多模－单模光纤探头。ASE宽谱光源输出光到U型拉锥单模－多模－单模光纤探头，在输入单模光纤和弯曲的拉锥多模光纤熔接点，激发出一系列高阶模在弯曲的拉锥多模光纤中传输，且部分光以倏逝场的形式存在。在输出单模光纤和弯曲的拉锥多模光纤熔接点，高阶模之间会发生多模干涉，形成多模干涉峰，并重新耦合到单模光纤中，传输到光谱分析仪中，得到携带多模干涉信息的传输光谱。以倏逝场的形式存在的光可以和外界介质发生相互作用，导致多模干涉峰的波谷位置随外界介质折射率变化而漂移。通过测量光谱分析仪中的传输光谱的干涉峰波谷位置即可实现对外界介质折射率的传感。

所述的ASE宽谱光源的波长范围为1200-1700nm，和传感器所用光纤的工作波长一致。

所述的SMS样品是在两段单模光纤中间熔接一段阶跃型折射率多模光纤而成。多模光纤长度能够形成多模干涉，产生自映像现象，如选择多模光纤43mm长。数值孔径为0.22，纤芯直径为105μm，包层直径为125μm。

所述的U型拉锥单模－多模－单模光纤探头的多模光纤拉锥后直径约为30μm。

所述的U型拉锥单模－多模－单模光纤探头的弯曲半径约为2mm。

所述的U型拉锥单模－多模－单模光纤探头的固定板材质为石英，大小为10×5×1mm³，便于封装。

所述的U型拉锥单模－多模－单模光纤探头采用UV胶固定，防止振动、形变等因素对测量产生影响。

所述的外界介质为折射率范围在1.3-1.4内的液体溶液。

所述的U型拉锥单模-多模-单模光纤探头完全浸入外界介质，并和该介质直接接触。

另外，本发明提供一种基于U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的折射率传感器，按照以下工作方法实现外界介质折射率的测量：

利用基于U型拉锥单模－多模－单模光纤结构的折射率传感器中的多模干涉受外界介质折射率影响的特性，通过测量传输光谱中干涉峰波长漂移量来得到外界介质的折射率。