基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)量或者測(cè)試裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種入射光根據(jù)所測(cè)試的材 料性質(zhì)而改變的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖折射率傳感器因其具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、體積小、重量輕、功耗小、可 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和分布式傳感等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)藥開(kāi)發(fā)、食品安 全等領(lǐng)域。目前，許多基于光纖的折射率傳感器結(jié)構(gòu)已被提出，例如：基于光纖布拉格光柵 的折射率傳感器、基于長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感器、基于光纖表面等離子體的折射率 傳感器、基于多模干涉的折射率傳感器等。大部分光纖折射率傳感器的傳感機(jī)理是基于光 纖周?chē)馁渴艌?chǎng)與周?chē)橘|(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率傳感。
[0003] 由于微納光纖具有倏逝場(chǎng)強(qiáng)、損耗低、柔韌性好、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)良的光學(xué)和機(jī)械 特性，為光纖折射率傳感器向高靈敏度、微型化、集成化方向發(fā)展，提供了嶄新的研究思路。 研究人員已提出了許多基于微納光纖的折射率傳感器結(jié)構(gòu)，其中包括基于微納光纖布拉格 光柵的折射率傳感器、基于微納光纖長(zhǎng)周期光柵的折射率傳感器、基于微納光纖耦合器的 折射率傳感器等。但是，損耗大、制作難度高、穩(wěn)定性不理想等問(wèn)題，在很大程度上制約了基 于微納光纖倏逝場(chǎng)特性的光纖折射率傳感器的發(fā)展及應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有光纖折射率傳感器的缺點(diǎn)，提供一種結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、體積微小的適于測(cè)量氣體折射率的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感 器。
[0005] 解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案：在底板的中部設(shè)置有介質(zhì)柱，介質(zhì)柱側(cè)壁 軸向加工有8~10個(gè)矩形槽a，錐形微納光纖的腰區(qū)纏繞在介質(zhì)柱上纏繞2圈，錐形微納光 纖兩錐區(qū)末端用膠固定在底板上。
[0006] 本發(fā)明的錐形微納光纖3的錐區(qū)長(zhǎng)度1丨為30mm~50mm、腰區(qū)直徑為1~5 μ m、 腰區(qū)長(zhǎng)度12為10~20mm〇
[0007] 本發(fā)明的介質(zhì)柱2為聚四氟乙烯柱、直徑為20 μπι~2mm。
[0008] 本發(fā)明矩形槽a的寬度為3. 14 μ m~0. 314mm、深度為1~100 μ m。
[0009] 本發(fā)明的膠4為紫外膠。
[0010] 本發(fā)明具有制作簡(jiǎn)單，輸出不受光源功率浮動(dòng)影響，穩(wěn)定性好，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和分 布式傳感等優(yōu)點(diǎn)，適合測(cè)量氣體折射率。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是錐形微納光纖3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的折射率傳感效應(yīng)簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施方 式。
[0015] 實(shí)施例1
[0016] 在圖1、2中，本實(shí)施例的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器由底板1、介質(zhì)柱2、 錐形微納光纖3連接構(gòu)成，在底板1的中部設(shè)置有介質(zhì)柱2,介質(zhì)柱2和底板1 一次模壓成 型，底板1和介質(zhì)柱2的材料為聚四氟乙烯，由杜邦公司生產(chǎn)的特氟龍i)AF1600,介質(zhì)柱2直 徑為1mm，在介質(zhì)柱2側(cè)壁軸向均勾分布有9個(gè)矩形槽a，矩形槽a的寬度為0. 1mm、深度為 50 μ m，矩形槽a用于減小光在微光纖環(huán)諧振腔中的傳輸損耗，增加倏逝場(chǎng)與周?chē)粰z測(cè)物 質(zhì)的接觸面積，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質(zhì)柱2上，纏繞圈數(shù)為2圈，錐形微納光纖 3的腰區(qū)直徑為3 μ m、腰區(qū)長(zhǎng)度12為15mm、錐區(qū)長(zhǎng)度1丨為40mm，錐形微納光纖3的兩端拉 緊并用膠4固定在底板1上，膠4選用紫外膠。
[0017] 錐形微納光纖3-端接寬帶光源、另一端接光譜分析儀，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)錐 形微納光纖3的一端進(jìn)入由具有較強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性的錐形微納光纖纏繞在低折射率的介質(zhì) 柱上構(gòu)成的微光纖環(huán)諧振腔，光在微光纖環(huán)諧振腔中傳播時(shí)，一方面，是沿著光纖的長(zhǎng)度方 向傳播，另一方面，是相鄰微光纖環(huán)間的倏逝場(chǎng)耦合，光在微光纖環(huán)諧振腔中傳播和耦合過(guò) 程可以用如下的耦合波方程來(lái)描述：
[0019] 式（1)中，A1(S)為介質(zhì)柱上第一個(gè)微納光纖環(huán)在沿光纖長(zhǎng)度方向的自然坐標(biāo)s處 的光場(chǎng)慢變幅近似，A2 (s)為第二個(gè)微納光纖環(huán)在沿光纖長(zhǎng)度方向的自然坐標(biāo)s處的光場(chǎng)慢 變幅近似，k為相鄰兩微納光纖環(huán)環(huán)間的耦合系數(shù)，i為虛數(shù)單位。由于錐形微納光纖是連 續(xù)的，所以第一環(huán)輸出的光與第二環(huán)輸入的光是相等的，因此，存在如下的連續(xù)性條件：
[0022] 式（2)、⑶中，IWf為有效折射率，α為損耗系數(shù)，1為介質(zhì)柱上微納光纖環(huán)的周 長(zhǎng)，則微光纖環(huán)諧振腔的光波幅值透射系數(shù)T為：
[0024] 所以微光纖環(huán)諧振腔的光波功率透射系數(shù)P為：
[0025] P = TXT* (5)
[0026] 式（5)中，T是微光纖環(huán)諧振腔的光波幅值透射系數(shù)，壙是T的共輒。
[0027] 當(dāng)微光纖環(huán)諧振腔周?chē)恼凵渎拾l(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起微光纖環(huán)諧振腔中傳播光波 的有效折射率n rff發(fā)生變化，從而會(huì)導(dǎo)致微光纖環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，采用光譜分 析儀對(duì)其諧振波長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而可知被檢測(cè)物質(zhì)的折射率。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 在本實(shí)施例中，底板1的中部設(shè)置有介質(zhì)柱2,介質(zhì)柱2和底板1 一次模壓成型，底 板1和介質(zhì)柱2的材料為聚四氟乙烯、直徑為20 μ m，在介質(zhì)柱2 ?壁軸向均勻分布有10個(gè) 矩形槽a，矩形槽a的寬度為3. 14 μ m、深度為1 μ m，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質(zhì)柱2 上，纏繞圈數(shù)為2圈，錐形微納光纖3的腰區(qū)直徑為1 μm、腰區(qū)長(zhǎng)度12為10mm、錐區(qū)長(zhǎng)度I i 為30_。其他零部件及零部件的連接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
[0030] 圖3是本實(shí)施例的折射率傳感效應(yīng)簡(jiǎn)圖，設(shè)置微光纖環(huán)諧振腔周?chē)橘|(zhì)的折射率 na分別為1. 000、1. 005、1. 010、1. 015、1. 020,用光譜分析儀監(jiān)測(cè)其諧振波長(zhǎng)的移動(dòng)情況。
[0031] 實(shí)施例3
[0032] 在本實(shí)施例中，底板1的中部設(shè)置有介質(zhì)柱2,介質(zhì)柱2和底板1 一次模壓成型，底 板1和介質(zhì)柱2的材料為聚四氟乙烯、直徑為2mm，在介質(zhì)柱2側(cè)壁軸向均勻分布有8個(gè)矩 形槽a，矩形槽a的寬度為0. 314_、深度為100 μ m，錐形微納光纖3的腰區(qū)纏繞在介質(zhì)柱2 上，纏繞圈數(shù)為2圈，錐形微納光纖3的腰區(qū)直徑為5 μm、腰區(qū)長(zhǎng)度12為20mm、錐區(qū)長(zhǎng)度I i 為50_。其他零部件及零部件的連接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：在底板（1)的中部設(shè)置有 介質(zhì)柱（2)，介質(zhì)柱（2)側(cè)壁軸向加工有8~10個(gè)矩形槽（a)，錐形微納光纖（3)的腰區(qū)纏 繞在介質(zhì)柱（2)上纏繞2圈，錐形微納光纖（3)兩錐區(qū)末端用膠（4)固定在底板（1)上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 錐形微納光纖（3)的錐區(qū)長(zhǎng)度^為30mm~50mm、腰區(qū)直徑為1~5μm、腰區(qū)長(zhǎng)度12為10~ 20mm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 介質(zhì)柱⑵為聚四氟乙稀柱、直徑為20μπι~2mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述矩 形槽（a)的寬度為3. 14μπι~0·314mm、深度為1~100 μπι。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：所述的 膠⑷為紫外膠。
【專(zhuān)利摘要】一種基于微光纖環(huán)諧振腔的折射率傳感器，其特征在于：在底板的中部設(shè)置有介質(zhì)柱，介質(zhì)柱側(cè)壁軸向加工有8～10個(gè)矩形槽a，錐形微納光纖的腰區(qū)纏繞在介質(zhì)柱上，纏繞圈數(shù)為2圈，錐形微納光纖兩錐區(qū)末端用膠固定在底板上。本發(fā)明具有制作簡(jiǎn)單，輸出不受光源功率浮動(dòng)影響，穩(wěn)定性好，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)，適合測(cè)量氣體折射率。
【IPC分類(lèi)】G01N21/41
【公開(kāi)號(hào)】CN105300926
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510661030
【發(fā)明人】馬成舉, 馮德全, 文進(jìn), 傅海威, 劉穎剛, 王煒
【申請(qǐng)人】西安石油大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月14日