一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器

本发明涉及光纤传感器，尤其涉及一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器。

背景技术：

1、近年来，类似于游标卡尺的光学游标效应因突出的增敏能力，成为了研究热点。光纤游标传感器通常是由两个自由光谱范围(fsr)相似的干涉仪或谐振腔串联或并联组合形成，其输出光谱为具有周期性包络的游标谱。通过解调包络响应，传感器的灵敏度得以放大。目前，通过将两个fsr相似的光纤干涉仪串联或并联，可以设计和制备一些高灵敏的分离式游标传感器，并且针对两个fsr相似的光纤干涉仪紧密连接的集成式游标传感器已进行了一系列相关研究。但是，考虑到器件的集成度和灵敏度，基于游标效应的高灵敏光纤传感技术依然存在一些局限性。文献1:hu j,smietana m,wang t,et al.dual mach-zehnderinterferometer based on side-hole fiber for high-sensitivity refractive indexsensing[j].ieee photonics journal,2019,11(6):1-13.中公开了一种基于双侧孔光纤的双mzis的高灵敏度ri传感方法，提出一种集成式游标传感器，通过将两个fsr相似的马赫增德尔干涉仪(mzi)紧密连接而成，它的折射率(ri)灵敏度为4,4000nm/riu。通过借助飞秒激光微加工和微流体填充技术来调控双侧孔光纤的纤芯和两个空气孔内光束的传播，进而获得游标效应。文献2：li j w,zhang m,wan m g,et al.ultrasensitive refractiveindex sensor based on enhanced vernier effect through cascaded fiber core-offset pairs[j].optics express,2020,28(3):4145-4155.公开了一种基于增强游标效应的高灵敏ri传感方法，通过级联一个法布里波罗干涉仪(fpi)和一个mzi，设计一个高灵敏度的分离式游标传感结构，它的ri灵敏度为-8,7261nm/riu。上述现有通过飞秒激光微加工技术和微流体填充技术来获得集成式游标传感器的方案，具有以下问题：首先，利用飞秒激光微加工技术对光纤进行侧抛和打孔等处理操作复杂，需要专业的操作人员，以及高昂的仪器设备。然后，微流体填充在微结构光纤内部，涉及到复杂的纤内微流体填充技术。此外，微流体填充到光纤内部后，再进行放电熔接时，不可避免地导致流体的挥发，进而很难实现流体在光纤内部的精准和有效填充。

2、文献2中介绍的级联fpi和mzi来获得增强游标效应的方法，具有较高ri灵敏度和制备简单的优势。然而，将两个干涉仪串联组成的分离式装置不便于该传感探头的集成化和单点测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于借助光学游标效应这种增敏原理，新设计和制备一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，具有高灵敏度。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，主要由第一单模光纤1、第一多模光纤2、空心光纤3、细芯光纤4、第二多模光纤5和第二单模光纤6依次熔接；输入至第一单模光纤1的一束光传输至第一多模光纤2得到分离光，分离光传输至横向错位的空心光纤3时，得到三束平行光；第一束平行光8沿空心光纤3的包层和细芯光纤4的包层传输，第二束平行光7沿错位腔内的待测溶液传输，第三束平行光9沿空心光纤3的空气孔和细芯光纤4的纤芯传输；三束平行光传输至第二多模光纤5内发生耦合，并传输至第二单模光纤6。

4、所述空心光纤3、细芯光纤4间对齐熔接。所述对齐熔接的熔接参数为放电时间830ms、放电强度42。

5、所述第一多模光纤2、空心光纤3间以及细芯光纤4、第二多模光纤5间均为错位熔接，错位量为40-50μm。所述错位熔接的熔接参数为放电时间850ms、放电强度60。

6、所述第一束平行光强度为i1，第二束平行光强度为i2，第三束平行光强度为i3；第一束平行光8和第二束平行光7相互干涉形成传感mzi10，其输出光强为imzi1；第三束平行光9和第一束平行光8相互干涉形成参考mzi11，其输出强度为imzi2；

7、

8、

9、其中，代表着第一束平行光8和第二束平行光7光路传播后累计的相位差；代表着第三束平行光9和第一束平行光8光路传播后累计的相位差；和的计算公式如下：

10、

11、

12、其中，λ代表入射光的波长，lthcf代表空心光纤3的长度，ltcf代表细芯光纤4的长度；nclad代表空心光纤3包层的ri、ns代表待测溶液的ri、nair代表空气的ri、ncore代表细芯光纤4纤芯的ri；当和两个相位差满足(2m+1)π，m为整数，出现干涉谷；

13、

14、

15、fsr代表着两个干涉谷之间的距离，传感mzi和参考mzi的fsr计算公式为：

16、

17、

18、nclad，ns，nair和ncore均已知，且nclad和ncore相等；

19、因此式(4)改写为式(6)改写为式(8)改写为通过调控lthcf和ltcf使得fsrmzi1和fsrmzi2相似，构成游标效应。

20、此时传感mzi和参考mzi的输出光谱谐振波长为：

21、

22、

23、fsr代表着两个干涉谷之间的距离，传感mzi和参考mzi的fsr计算公式为：

24、

25、

26、nclad，ns和nair均已知，通过调整lthcf使得fsrmzi1和fsrmzi2相似，构成游标效应。

27、所述第一多模光纤2和第二多模光纤5的长度为800-1200μm；所述空心光纤3长度范围为180-200μm；细芯光纤4长度范围为670-710μm。

28、进一步的，空心光纤3长度为188μm；所述细芯光纤4长度为687μm。

29、所述第一多模光纤2和第二多模光纤5的纤芯直径为105μm，二者的包层直径为125μm；所述空心光纤3和细芯光纤4的包层直径相同，均为80μm；所述空心光纤3的空气孔直径为40μm；所述细芯光纤4的纤芯直径为7μm。

30、本发明的有益效果：本发明所提出的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其ri灵敏度高达-9,3733nm/riu，且具有制备简单、集成度高和机械强度高的优势。

技术特征：

1.一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，该集成式光纤折射率传感器包括依次熔接的第一单模光纤(1)、第一多模光纤(2)、空心光纤(3)、细芯光纤(4)、第二多模光纤(5)和第二单模光纤(6)；输入至第一单模光纤(1)的一束光传输至第一多模光纤(2)得到分离光，分离光传输至横向错位的空心光纤(3)时，得到三束平行光；第一束平行光(8)沿空心光纤(3)的包层和细芯光纤(4)的包层传输，第二束平行光(7)沿错位腔内的待测溶液传输，第三束平行光(9)沿空心光纤(3)的空气孔和细芯光纤(4)的纤芯传输；三束平行光传输至第二多模光纤(5)内发生耦合干涉，并传输至第二单模光纤(6)。

2.根据权利要求1所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述空心光纤(3)、细芯光纤(4)间对齐熔接。

3.根据权利要求2所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述对齐熔接的熔接参数为放电时间830ms、放电强度42。

4.根据权利要求1或2所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一多模光纤(2)、空心光纤(3)间以及细芯光纤(4)、第二多模光纤(5)间均为错位熔接，错位量为40-50μm。

5.根据权利要求4所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述错位熔接的熔接参数为放电时间850ms、放电强度60。

6.根据权利要求5所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一束平行光强度为i1，第二束平行光强度为i2，第三束平行光强度为i3；第一束平行光(8)和第二束平行光(7)相互干涉形成传感mzi(10)，其输出光强为imzi1；第三束平行光(9)和第一束平行光(8)相互干涉形成参考mzi(11)，其输出强度为imzi2；

7.根据权利要求6所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一多模光纤(2)和第二多模光纤(5)的长度为800-1200μm；

8.根据权利要求7所述的基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一多模光纤(2)和第二多模光纤(5)的纤芯直径为105μm，二者的包层直径为125μm；所述空心光纤(3)和细芯光纤(4)的包层直径相同，均为80μm；所述空心光纤(3)的空气孔直径为40μm；所述细芯光纤(4)的纤芯直径为7μm。

技术总结
本发明属于光纤传感器技术领域，提出一种基于细芯光纤调控游标效应的集成式光纤折射率传感器。主要由第一单模光纤、第一多模光纤、空心光纤、细芯光纤、第二多模光纤和第二单模光纤依次熔接；输入至第一单模光纤的一束光传输至第一多模光纤得到分离光，分离光传输至横向错位的空心光纤时，得到三束平行光；第一束平行光沿空心光纤的包层和细芯光纤的包层传输，第二束平行光沿错位腔内的待测溶液传输，第三束平行光沿空心光纤的空气孔和细芯光纤的纤芯传输；三束平行光传输至第二多模光纤内发生耦合，并传输至第二单模光纤。本发明的传感器RI灵敏度高达‑9,3733nm/RIU，且具有制备简单、集成度高和机械强度高的优势。

技术研发人员：张亚男,李莉柯,韩博,赵勇
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15