在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术适用于传感技术领域，提供了一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，激光自第一单模光纤输入，经第一长周期光纤光栅耦合到传感单模光纤中，以纤芯模和包层模形式传播，于第二长周期光纤光栅处发生模式转换，传感单模光纤中的纤芯模和包层模分别耦合到参考单模光纤的包层和纤芯，参考单模光纤输出的光于多模光纤中合光干涉由第二单模光纤输出，通过波长解调获得折射率变化。本发明专利技术由于参考单模光纤的光程补偿提高了检测灵敏度。传感单模光纤和参考单模光纤的温度补偿效应消除了温度干扰。通过激光波长解调提高了检测精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学传感
，特别涉及一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器及包括该传感器的折射率检测装置。
技术介绍
在线双光束干涉型光纤折射率传感器，是一种结构紧凑型的干涉型传感器，它通过纤芯模与包层模干涉产生干涉条纹，利用外界折射率的变化对包层模有效折射率进行调制，最终通过条纹的移动对外界折射率进行解调，可用于生物、医学等领域。现有在线双光束干涉型光纤折射率传感器是直接通过对干涉条纹进行解调来检测，由于双光束干涉条纹为三角函数型，峰值较宽，同时条纹解调时还存在温漂等干扰，因此解调精度低。另外，外界折射率对包层模式有效折射率调制量小，所以灵敏度较低。因此，需要对传统折射率传感器进行结构上的改进，以提高灵敏度、降低温度和应变干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，旨在提高灵敏度和精度，并降低温度和应变干扰。本专利技术是这样实现的，一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，在进行折射率检测时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；激光自所述第一单模光纤输入，通过所述第一长周期光纤光栅耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于所述第二长周期光纤光栅处发生模式转换，将所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，将所述传感单模光纤中的包层模耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述多模光纤中合光干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行激光波长解调，获得待检测物质折射率变化。本专利技术的另一目的在于提供一种折射率检测装置，包括沿着光传输方向依次设置的光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，在所述光纤耦合器的输出端还连接有光谱检测仪，所述光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及在线双光束干涉型光纤折射率传感器组成激光谐振腔。本专利技术提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：第一，参考单模光纤的光程补偿使自由光谱范围大大增大，干涉条纹漂移量增大，检测灵敏度增高。第二，传感单模光纤和参考单模光纤中的包层模和纤芯模进行切换，二者的配合具有温度补偿效应，传感单模光纤和参考单模光纤的温度扰动对光程差的调制量近似抵消，可大幅消除温度、应变的干扰，而第一、第二长周期光纤光栅的温度、应变形成的漂移对干涉条纹影响可以忽略。第三，该传感器采用激光波长解调方式，使干涉峰值大大锐化，解调精度大大提高，进而提高了折射率变化的检测精度。采用上述在线双光束干涉型光纤折射率传感器的折射率检测装置，大幅提高了检测灵敏度，并且有效消除了温度、应变等干扰，提高了该检测装置的可靠性。附图说明图1是本专利技术实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的折射率检测装置的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述：请参考图1，本专利技术实施例提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤1、第一长周期光纤光栅2、传感单模光纤3、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5、多模光纤6及第二单模光纤7，所有光纤以熔接方式依次对接。本实施例中，第一长周期光纤光栅2能使满足衍射条件的波长的光分为两路，一路沿着传感单模光纤的包层，一路沿着传感单模光纤的纤芯，第二长周期光纤光栅4能使满足衍射条件的波长的光进行模式转换。对于在传感单模光纤3的纤芯传播的光，可耦合进参考单模光纤5的包层以包层模形式传播，对于传感单模光纤3的包层中传播的光，可耦合进参考单模光纤5的纤芯以纤芯基模形式传播。最终形成两个传播路径，即：路径1—“纤芯模-包层模”和路径2—“包层模-纤芯模”。在进行折射率检测时，传感单模光纤3处于待检测环境中，其他部件不接触待检物质。激光自第一单模光纤1输入，通过第一长周期光纤光栅2耦合到传感单模光纤3的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于第二长周期光纤光栅4处发生模式转换，将传感单模光纤3中的纤芯模耦合到参考单模光纤5的包层中，转换为包层模继续传播，将传感单模光纤3中的包层模耦合到参考单模光纤5的纤芯中，转换为纤芯模继续传播，两个路径的激光经参考单模光纤5输出后，进入多模光纤6进行合光干涉，并由多模光纤6耦合进第二单模光纤7中，干涉光谱由相应的光谱检测仪检测，通过对该光谱进行波长解调，可以获得传感单模光纤3的包层折射率变化，进而获得检测物质的折射率变化。在本实施例中，经过第二长周期光纤光栅4的切换作用，实现了传感单模光纤3和参考单模光纤5之间的“包层模—纤芯模”以及“纤芯模—包层模”的转换。这两个路径的光束存在光程差，最终干涉形成干涉条纹，条纹的峰值与两束光的光程差相关。当传感单模光纤3置于待测物质环境中，当待测物质折射率改变时，传感单模光纤3的包层的有效折射率发生改变，两束光的光程差发生改变，进而透射峰发生漂移，通过光谱检测仪检测透射峰激光波长的改变可以解调出待测物质折射率的变化。进一步地，将传感单模光纤3的纤芯模及基模的有效折射率记为ncore，包层模具有多个级次成分，然而能量基本集中在低阶模上，可忽略高阶成分，其有效折射率记为nclad。记参考单模光纤5的纤芯模和包层模的有效折射率分别为n'core和n'clad。由于纤芯模有效折射率与外界折射率无关，故n'core＝ncore。假设传感单模光纤3与参考单模光纤5的长度分别为l和l'。那么最终产生的干涉光谱条纹的强度以及相位差为：其中，第m级次干涉峰与折射率之间的关系为：当传感单模光纤3的外界折射率发生改变时，包层模折射率nclad会发生改变，干涉峰发生漂移，其灵敏度为：从式中可看出，(n'clad-ncore)l'/l项的存在使折射率传感灵敏度大大提高。本专利技术实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：第一，参考单模光纤5的光程补偿使自由光谱范围大大增大，干涉条纹漂移量增大，检测灵敏度增高。第二，传感单模光纤3和参考单模光纤5中的包层模和纤芯模进行切换，二者的配合具有温度补偿效应，传感单模光纤3和参考单模光纤5的温度扰动对光程差的调制量近似抵消，可大幅消除温度、应变的干扰，而第一长周期光纤光栅2和第二长周期光纤光栅4的温度、应变形成的漂移对干涉条纹影响可以忽略。第三，该传感器采用激光波长解调方式，使干涉峰值大大锐化，解调精度大大提高，进而提高了折射率变化的检测精度。在本专利技术实施例中，要将第一长周期光纤光栅2、传感单模光纤3、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5及多模光纤6的包层外的涂覆层去掉，以免包层中的光进入涂覆层增加损耗。进一步地，第一单模光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，在进行折射率检测时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；激光自所述第一单模光纤输入，通过所述第一长周期光纤光栅耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于所述第二长周期光纤光栅处发生模式转换，将所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，将所述传感单模光纤中的包层模耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述多模光纤中合光干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行激光波长解调，获得待检测物质折射率变化。

【技术特征摘要】
1.一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，在进行折射率检测时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；激光自所述第一单模光纤输入，通过所述第一长周期光纤光栅耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于所述第二长周期光纤光栅处发生模式转换，将所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，将所述传感单模光纤中的包层模耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述多模光纤中合光干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行激光波长解调，获得待检测物质折射率变化。2.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤及多模光纤的包层外不设有涂覆层。3.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤保持拉直状态。4.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一长周期光纤光栅的损耗峰深度大于3dB且小...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，鲁远甫，焦国华，董玉明，陈四海，吕建成，罗阿郁，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44