[发明专利]基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器

说明书

本发明涉及一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，包括：作为马赫‑曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里‑珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层。本发明的传感器在RI为1.33的附近获得了100734.25nm/riu的超高灵敏度，且具有良好的线性，而温度灵敏度低至‑91.04pm/℃。

技术领域

本发明涉及折射率传感器技术领域，特别是涉及一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器。

背景技术

用于折射率(RI)测量的干涉型光纤传感器(IFS)已成为环境监测、生化分析、医学诊断等领域的研究热点。已报道的各种类型的干涉型光纤传感器结构包括由光纤锥形、花生对、微纤维、其他特定结构比如使用飞秒激光器刻写或蚀刻在光纤上形成的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和一些混合结构如芯偏移对夹一个刻有光纤光栅(FBG)或一段锥形光纤[12]等。在上述各种构型中，有一个分支是直接测量由腔内样品引起的折射率变化。例如，具有大纤芯偏移对的开放式光纤腔形成的MZI，其两个干涉臂中的一臂位于腔内样品中，另一臂则为夹层光纤包层中的一个包层模。或者利用飞秒激光在光纤芯和包层之间的界面附近刻有微腔或沟槽后放入待测样品。然而，上述干涉型光纤传感器结构的灵敏度提高是有限的。为了提高稳定性和灵敏度，常常进一步的化学蚀刻来平滑腔或沟槽的侧面。相比于基于微纤维的干涉仪，其由于强倏逝场的相互作用而在色散转折点处具有极高的灵敏度(～10⁵nm/RIU)，但它容易受到固定微直径和波长的苛刻条件以及较差的线性、测量范围和机械性能的影响。

游标效应是提高IFS灵敏度的有效途径。近年来，提出了许多基于游标效应的结构用于测量气体压力、温度、应变、折射率等参数。这类传感器的构造均包括两个级联或并联的干涉仪，一个作为传感干涉仪，另一个作为参考干涉仪。传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围相差很小，这样，传感器的叠加光谱就会产生包络。当环境参数变化时，干涉条纹及包络均会移动，其中包络线的移动量远大于传感干涉仪的干涉条纹的移动量。因此，可以通过测量包络线的移动来放大传感器的灵敏度。在理论上，要求参考干涉仪对环境不敏感，而实际上参考干涉仪不可避免地随环境变化而波动，特别是在紧凑型IFS结构中。

然而，目前行业内还没有一种基于游标效应增强级联的光纤芯偏移对结构的超灵敏折射率传感器或者传感方法。

发明内容

针对现有技术存在的行业内还没有一种基于游标效应增强级联的光纤芯偏移对结构的超灵敏折射率传感器或者传感方法的问题，本发明提供一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器。

本申请的具体方案如下：

一种基于级联光纤错位移对增强游标效应超灵敏折射率传感器，包括：作为马赫-曾德尔干涉仪的第一光纤纤芯错位对和作为法布里-珀罗干涉仪的第二光纤纤芯错位对；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对进行级联；所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对的结构相同，均为中间的夹层光纤横向错位固定在两端光纤之间，其中，第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层的一部分对接两端光纤的纤芯，第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的包层对接两端光纤的包层，没有对接两端光纤的包层的纤芯。

优选地，所述第一光纤纤芯错位对的尾端和环形器的第一端口连接，所述第二光纤纤芯错位对和环形器的第二端口连接，形成级联结构。

优选地，所述第一光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为2.5mm，错位量为62.5um。

优选地，所述第二光纤纤芯错位对的夹层光纤的长度为112um，错位量为80um。

优选地，所述第一光纤纤芯错位对和第二光纤纤芯错位对所用到的光纤均为单模光纤。