一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，包括宽带光源、偏振控制器、光隔离器、极大倾角长周期光纤光栅和光谱分析仪。宽带光源产生入射光，经偏振控制器偏振为单一偏振方向的p偏振光或s偏振光后，通过光隔离器并经光纤跳线输入至极大倾角长周期光纤光栅中，在极大倾角长周期光纤光栅中，通过设置合适的参数使得纤芯导模仅与简并的高阶LP1,j偏振包层模式发生模式耦合，并处于LP1,j偏振包层模式的双峰谐振状态，并结合参数优化，最终实现一种在低折射率区域具有较高传感灵敏度、分辨率高、结构简单、易制备等优点的低折射率传感器。

A low refractive index sensing device for high sensitive inclined fiber Bragg grating

The invention provides a highly sensitive tilt fiber grating low refractive index sensor detection device, which comprises a broadband light source, a polarization controller, an optical isolator, a large inclination long period fiber grating and a spectrum analyzer. Broadband light source incident light through a polarization controller, single polarization polarization direction of the polarized light p or S polarized light, the optical isolator and optical fiber jumper input extremely large angle of long period fiber grating, long period fiber grating in great angle, through the high order LP1 set the appropriate parameters to make the core mode only with Jane and the j polarization cladding mode coupling mode, and in LP1, Shuangfeng resonant J polarization cladding mode, and combined with the parameter optimization, and ultimately a rate region in the low refractive index with low refractive index sensor with high sensitivity, high resolution, simple structure and easy preparation etc..

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置
本专利技术涉及长周期光纤光栅
，尤其涉及一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置。
技术介绍
长周期光纤光栅(longperiodfibergrating,LPFG)是一种在纤芯、包层或二者中引入周期性折射率扰动的无源光子器件，能够在多个分立的谐振波长处实现纤芯导模和同向传输包层模之间的模式耦合，从而在其透射谱中产生多个分立的谐振峰。由于外界环境折射率的变化会对包层模的模式特性产生较大影响，且模次越高，外界环境对其影响越大，因此长周期光纤光栅是一种重要的折射率传感检测装置件。为提高LPFG的折射率传感灵敏度，目前常用的方法是应用双峰谐振LPFG(Opt.Express24(16),17680-17685,2016)。双峰谐振LPFG能在色散转折点(turningaroundpoint，TAP)附近的两个谐振波长处使纤芯导模耦合至同一阶次包层膜，从而在其透射谱中产生两个谐振峰。当环境折射率发生变化时，这两个谐振峰分别沿着相反的方向移动，通过监测谐振波长的移动，即可实现环境折射率的传感。与普通的LPFG相比，TAP附近的谐振波长随着环境折射率的变化会发生较大的漂移，因此双峰谐振LPFG具有非常高的传感灵敏度。在LPFG表面镀传感膜可以进一步提高LPFG的传感性能(Opt.Lett.37(19),4152-4154,2012)。例如，通过在LPFG表面引入亚微米量级高折射率(大于光纤包层折射率)传感膜构成镀膜LPFG，能有效增强光纤模式与外界环境的互作用程度。随着膜层厚度增加，高次包层模式逐渐转化为相邻的低次包层模式，相应的低次包层模式逐渐转化为膜层内传输模式。又如，通过设置合适的膜层厚度和折射率，可以优化镀膜LPFG的折射率传感特性。同时，在双峰谐振LPFG表面引入单层或多层传感膜，即构成镀膜双峰谐振LPFG，从而结合双峰谐振和模式转换效应，可极大提高LPFG器件的传感性能。此外，镀膜双峰谐振LPFG可针对性地选择对待测样品特异性敏感的膜层材料，因而扩展了LPFG的应用领域。然而，镀膜双峰谐振LPFG需要精确控制膜层参数，如膜层厚度、折射率和表面均匀度等，因此在实际应用中传感检测装置需要较复杂的制备工艺和过程。通常情况下，目前广泛应用的双峰谐振LPFG或镀膜双峰谐振LPFG通常是基于纤芯导模和低阶对称包层模LP0,j或HE1,j之间的模式耦合效应，因而其传感性能主要依赖于外界环境对纤芯导模和包层模LP0,j或HE1,j之间模式耦合特性的影响，且在低折射率区域的感知能力较差。相比于低阶包层模，外界环境的变化对高阶包层模LPv,j(v≥1)的模式特性会产生更大的影响。因此基于高阶包层模谐振的LPFG器件会具有比普通LPFG器件更高的传感灵敏度。然而，普通的LPFG只能实现纤芯导模和低阶对称包层模LP0,j或HE1,j之间的模式耦合。相比于普通的LPFG器件，倾斜LPFG(TLPFG)能够实现纤芯导模和高阶包层模LPv,j(v≥1)之间的模式耦合，从而为实现高灵敏LPFG器件提供了可能。然而，目前广泛研究的TLPFG折射率传感检测装置主要是基于常规的模式耦合特性，即多个分立谐振波长处的不同阶包层模(同时包括低阶和高阶包层模式)谐振效应(Opt.LaserTechnol.48(2013),60-66,2013)，这在一定程度上增加了TLPFG器件的光谱解调难度，且传感灵敏度提高范围有限，难以满足生化领域低折射率样品的传感检测。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于LP1,j模式双峰谐振的高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，实现了低折射率区域的高灵敏传感，且传感分辨率高，具有结构简单、易制备等优点。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，包括：一宽带光源，用于产生具有一定宽波段的入射光；一偏振控制器，用于接收所述宽带光源形成的入射光，并输出单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光或s偏振光；一光隔离器，用于允许所述偏振控制器发出的偏振光通过，并阻止与所述偏振控制器输出光传输方向相反的光通过；一具有一定光栅倾角极大倾角长周期光纤光栅，所述极大倾角长周期光纤光栅放置于具有待测样品的一反应池中并与所述待测样品发生相互作用，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器相连，用于接收所述光隔离器允许通过的偏振光；根据所述接收到的偏振光并设置合适的倾角极大倾角长周期光纤光栅参数，使得光栅区域内纤芯导模仅与简并的高阶LP1,j偏振包层模式发生模式耦合，并处于双峰谐振状态，从而在其透射谱中产生两个谐振峰；其中，所述简并的LP1,j偏振模式包括p偏振LP1,j模式和s偏振LP1,j模式；当所述偏振光为p偏振光时，参与模式耦合的LP1,j模式为p偏振LP1,j模式；当所述偏振光为s偏振光时，参与模式耦合的LP1,j模式为s偏振LP1,j模式；一光谱分析仪，所述光谱分析仪通过光纤跳线与所述极大倾角长周期光纤光栅的另一端相连，用于接收所述极大倾角长周期光纤光栅产生的与偏振相关的双峰谐振透射谱；所述接收到的双峰谐振波长随待测样品参数(如液体浓度、分子浓度、气液体折射率等)变化而沿相反方向发生漂移，通过确定双峰谐振波长之间的间距来实现对所述待测样品的检测。其中，所述p偏振LP1,j模式是由TM0,j和p偏振HE2,j矢量模式组成；所述s偏振LP1,j模式是由TE0,j和s偏振HE2,j矢量模式组成。其中，所述长周期光纤光栅为光栅倾角为87°的长周期光纤光栅，其上所预设的参数包括光纤纤芯半径、光纤包层半径、光栅周期、折射率调制幅度和光栅长度。其中，所述光纤跳线为单模光纤跳线；所述长周期光纤光栅为光栅倾角为87°的单模倾斜长周期光纤光栅，其上所预设的一组典型参数为：光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径介于14.6μm～62.5μm之间，光栅周期介于177μm～277μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度介于15mm～30mm之间。其中，所述长周期光纤光栅上所预设的一组典型参数为：光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径为62.5μm，光栅周期275.3μm，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度29mm。其中，所述长周期光纤光栅上所预设的一组典型参数为：光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径为14.6μm，光栅周期276.4μm，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度15mm。其中，所述宽带光源产生具有波段介于1200nm～1700nm之间的红外光。其中，所述待测样品包括气体、液体等。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：1)通过采用极大倾角(如87°)长周期光纤光栅(Ex-TLPFG)并设置合适的参数，如光栅周期等，使Ex-TLPFG工作于高阶简并偏振模式LP1,j的双峰谐振状态。由于高阶简并偏振模式LP1,j的模式特性(如有效折射率)易受环境影响，因此Ex-TLPFG的LP1,j模式双峰谐振对待测环境参数(如液体浓度、分子浓度、气液体折射率等)变化具有非常高的感知能力；2)通过简单、低成本且有效的腐蚀半径的方法，可进一步提高Ex-TLPFG传感器的灵敏度，特别是在普通LPFG和TLPFG传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，其特征在于，包括：一宽带光源(1)，用于产生具有一定宽波段的入射光；一偏振控制器(2)，用于接收所述宽带光源(1)形成的入射光，并将所述入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光或s偏振光；一光隔离器(3)，用于允许从所述偏振控制器(2)入射的偏振光通过，并阻止与所述偏振控制器(2)入射光方向相反的光通过；一具有一定光栅倾角的极大倾角长周期光纤光栅(4)，所述极大倾角长周期光纤光栅(4)放置于具有待测样品的一反应池(5)中并与所述待测样品发生相互作用，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器(3)相连，用于接收所述光隔离器(3)允许通过的偏振光，根据所述接收到的偏振光并设置合适的所述极大倾角长周期光纤光栅(4)的参数，使得光栅区域内纤芯导模仅与简并的高阶LP1,j偏振包层模式发生模式耦合，并处于双峰谐振状态；其中，所述简并的LP1,j偏振包层模式包括p偏振LP1,j模式和s偏振LP1,j模式；当所述偏振光为p偏振光时，发生模式耦合的LP1,j模式为p偏振LP1,j模式；当所述偏振光为s偏振光时，发生模式耦合的LP1,j模式为s偏振LP1,j模式；一光谱分析仪(6)，所述光谱分析仪(6)通过光纤跳线与所述极大倾角长周期光纤光栅(4)的另一端相连，用于接收所述工作于双峰谐振状态的极大倾角长周期光纤光栅(4)的输出光，并根据所述接收到的处于双峰谐振状态的输出光，通过确定其双峰谐振波长随环境参数变化的漂移来实现对所述待测样品的检测。...

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，其特征在于，包括：一宽带光源(1)，用于产生具有一定宽波段的入射光；一偏振控制器(2)，用于接收所述宽带光源(1)形成的入射光，并将所述入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光或s偏振光；一光隔离器(3)，用于允许从所述偏振控制器(2)入射的偏振光通过，并阻止与所述偏振控制器(2)入射光方向相反的光通过；一具有一定光栅倾角的极大倾角长周期光纤光栅(4)，所述极大倾角长周期光纤光栅(4)放置于具有待测样品的一反应池(5)中并与所述待测样品发生相互作用，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器(3)相连，用于接收所述光隔离器(3)允许通过的偏振光，根据所述接收到的偏振光并设置合适的所述极大倾角长周期光纤光栅(4)的参数，使得光栅区域内纤芯导模仅与简并的高阶LP1,j偏振包层模式发生模式耦合，并处于双峰谐振状态；其中，所述简并的LP1,j偏振包层模式包括p偏振LP1,j模式和s偏振LP1,j模式；当所述偏振光为p偏振光时，发生模式耦合的LP1,j模式为p偏振LP1,j模式；当所述偏振光为s偏振光时，发生模式耦合的LP1,j模式为s偏振LP1,j模式；一光谱分析仪(6)，所述光谱分析仪(6)通过光纤跳线与所述极大倾角长周期光纤光栅(4)的另一端相连，用于接收所述工作于双峰谐振状态的极大倾角长周期光纤光栅(4)的输出光，并根据所述接收到的处于双峰谐振状态的输出光，通过确定其双峰谐振波长随环境参数变化的漂移来实现对所述待测样品的检测。2.如权利要求1所述的高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置，其特征在于，所述p偏振LP1,j模式是由TM0,j和p偏振HE2,j矢量模式组成；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志红，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33