[發明專利]一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201010168622.7
• 申請日: 2010-05-11
• 公開（公告）號: CN101832924A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 吳宇;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G02B6/02;G02B6/255
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技術領域

本發明涉及光纖光柵、微結構光纖和微納光學技術領域，具體涉及一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器及其制備方法。

背景技術

微芯光纖是一種新穎的光纖結構，它的纖芯部分是由中心0.5～3微米的二氧化硅微芯以及微芯周圍半徑為5～20微米的空氣圓孔構成，微芯的表面粗糙度可以低至原子量級，直徑非常均勻，光傳輸損耗遠遠小于其他類型的亞波長尺度光波導，該微芯表現出強光場約束、大比例倏逝波、高非線性等特性，在微納光子器件、光子傳感、非線性光學和原子波導等方面具有潛在的應用價值。相比于普通亞波長尺度光波導線，微芯光纖具有較高的機械強度和穩定性，可應用于對微納尺度下各種微小變化量的高靈敏度近場傳感。

光纖布拉格光柵是利用分振幅干涉、紫外相位模板、準分子激光逐點寫入等方法，使具有光敏特性的單模光纖纖芯折射率的呈周期性變化，在纖芯內形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環境塵埃影響等一系列優異性能。目前應用主要集中在光纖通信領域和光纖傳感器領域。

由于現有報道中，基于普通光纖的布拉格光柵傳感器，其光柵結構位于單模光纖的纖芯中，纖芯被周圍的包層和涂覆層材料包裹，在光柵中傳輸的光場被約束在纖芯中，無法與外界物質作用，使得普通光纖布拉格光柵傳感器主要用于位移、速度、加速度、溫度等參數的測量，無法實現高靈敏度的折射率傳感，而在微芯光纖中，光是以大比例倏逝波的形式在二氧化硅微芯表面傳輸、因此這樣的倏逝波光場就有機會與周圍空氣孔的介質相互作用，從而在微芯中寫入的布拉格光柵結構就能實現對周圍介質折射率微變量的傳感。

發明內容

本發明所要解決的問題是：如何提供一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器及其制備方法，該傳感器具有更高的近場傳感靈敏度，可以實現對微納尺度下介質折射率微變量的實時傳感和檢測，在微納尺度下的氣體、液體的折射率傳感，生物光子傳感以及脈沖壓縮、波長變換等種微納光子器件的研究中有著巨大的應用潛力。

本發明所提出的技術問題是這樣解決的：提供一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器，包括微芯光纖，其特征在于：所述微芯光纖外徑為120～170微米，設置在中心的內芯直徑為0.5～3微米，在內芯的周圍設置有空氣圓孔，該空氣圓孔的半徑為4～20微米；在內芯中寫入布拉格光柵結構：光柵周期為5～500nm，周期數為20～300；所述微芯光纖的兩端熔接標準光纖，連接各種光學儀器。

一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

①選用微芯光纖的標準：外徑為120～170微米，設置在中心的內芯直徑為0.5～3微米，在內芯的周圍設置有空氣圓孔，該空氣圓孔的半徑為4～20微米；

②通過將上述微芯光纖進行載氫處理，使得內芯具有光敏特性，利于光纖布拉格光柵的寫入；

③利用準分子激光和相位掩膜法在內芯上一次性寫入布拉格光柵結構，光柵周期為5～500nm，周期數為20～300；

④將步驟③所得到的微芯光纖布拉格光柵兩端通過加熱熔接與標準光纖連接，以用于連接各種光學儀器。

本發明利用微芯光纖作為基底，纖芯部分由二氧化硅材料(內芯)和空氣圓孔構成，微芯光纖的外徑為120～170微米，內芯直徑為1～3微米周圍的空氣圓孔半徑為4～20微米，通過準分子激光和掩膜投影成像的方法在微芯光纖的纖芯上寫入布拉格光柵結構，其光柵周期為5～500nm，周期數為20～300，光在微芯光纖中以大比列的倏逝波形式傳輸，在其表面傳輸的倏逝波與周圍空氣孔的待測介質相互作用，可以改變光在微芯中傳輸時有效折射率，從而使微芯上布拉格光柵的反射波長發生變化，實現對空氣孔中介質折射率變化的高靈敏傳感。與普通光纖光柵傳感器相比，此種微芯光纖布拉格光柵傳感器具有更高的近場傳感靈敏度，可以實現對微納尺度下介質折射率微變量的實時傳感和檢測。

本發明首次提出將微芯光纖與布拉格光纖光柵結構相結合，通過準分子激光和掩膜投影成像的方法在微芯光纖的纖芯上寫入布拉格光柵結構，使其構成一種波長測量型的近場倏逝波折射率傳感器，該傳感器在微納尺度下的氣體、液體的折射率傳感，生物光子傳感以及脈沖壓縮、波長變換等種微納光子器件的研究中有著巨大的應用潛力。

附圖說明

圖1是本發明的結構簡圖；

圖2是微芯光纖的纖芯結構顯微圖；