[發明專利]一種微納光纖折射率傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201210081729.7
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102621099A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 孫立朋;李杰;關柏鷗
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及光纖折射率傳感器設計領域，特別涉及一種微納光纖折射率傳感器及其制備方法。

背景技術

與電子器件一樣，微型化、集成化也是光子器件發展的必然趨勢。實現在波長或者亞波長尺度對光信號的操控對于構建超緊湊的微納光子器件和高密集的集成光路具有重要意義。微納光纖作為一種典型的微納光波導，具有制備簡單的優點，且其良好的直徑均勻度和表面光滑度，可用于低損耗光傳輸，并在可見和近紅外光學傳輸中表現出強光場約束、倏逝波傳輸和大波導色散等優良特性。目前正被快速的應用于新型光纖傳感器研究，具有廣闊的發展前景。

光纖折射率傳感器，因其低損耗、耐化學腐蝕、抗電磁干擾等優良特點被廣泛應用于環境監測、食品安全、醫藥開發、臨床檢驗等領域。高靈敏度光纖折射率傳感器吸引了人們的研究興趣，利用微納光纖大的倏逝場效應和易于耦合的特性，許多實現方法被提了出來，其中包括微納光纖環形諧振腔、微納光纖耦合器、微納光纖布拉格光柵和微納光纖長周期光柵等。然而這些方法的傳感靈敏度和溫度穩定性目前仍受到很大的局限，例如文獻“Fei?Xu，Peter?Horak，and?Gilberto?Brambilla.Optical?microfiber?coil?resonator?refractometric?sensor.Optics?Express，2007，15：7888-7893.”中的方法理論獲得靈敏度為700nm/RIU(單位折射率)，“Yang?Ran，Yan-Nan?Tan，Li-Peng?Sun，Shuai?Gao，Jie?Li，LongJin，and?Bai-Ou?Guan.193nm?excimer?laser?inscribed?Bragg?gratings?in?microfibersfor?refratctive?index?sensing.Optics?Express，2011，19：18577-18583.”利用193nm準分子激光器在微納光纖上刻寫布拉格光柵制作折射率傳感器，這種方法制作工藝較復雜，實測靈敏度僅為165nm/RIU。再如文獻“Haifeng?Xuan，Wei?Jin，andMin?Zhang.CO2?laser?induced?long?period?gratings?in?optical?microfibers.OpticsExpress?2009，17：21882-21890.”測量的靈敏度達到1900nm/RIU，溫度敏感度為-130pm/℃，并且制作方法引入了光纖的表面損傷，結構缺乏韌性。

因此，研究一種不僅具有高靈敏度，且溫度穩定性強、結構緊湊的光纖折射率傳感器成為一個極具價值的課題。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種微納光纖折射率傳感器，該傳感器利用具有雙折射特性的微納光纖獨特的雙折射及其色散效應以及材料特性，獲得現有技術中所無法達到的超高靈敏度、極好的溫度穩定性和結構緊湊性。

本發明的另一目的在于，提供一種微納光纖折射率傳感器的制備方法，使之能夠以小巧的結構實現更高的折射率傳感靈敏度，并能排除溫度交叉敏感性，可以實現對外界環境折射率微變量高精度傳感測量。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種微納光纖折射率傳感器，包括依次相連的寬帶光源、微納光纖環和光譜分析儀，寬帶光源、光譜分析儀均通過標準光纖與微納光纖環相連；所述微納光纖環由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭轉或者對折形成，所述微納光纖兩端相互靠近的部分形成雙折射微納光纖耦合區，中部未靠近的部分形成雙折射微納光纖環；所述具有雙折射特性的微納光纖兩端與標準光纖熔接。在本發明中，寬帶光源發出的光經標準光纖進入雙折射微納光纖耦合區后，發生偏振態旋轉，并在雙折射微納光纖環中形成兩個相反方向傳播的光束，這兩束光在經過雙折射微納光纖環之后產生偏振相位差，經雙折射微納光纖耦合區合波后形成偏振干涉光譜，最后由光譜分析儀檢測輸出，改變雙折射微納光纖環周圍待測物質的折射率，計算干涉光譜的波長漂移量，進而推斷出待測物質折射率的變化。

優選的，所述具有雙折射特性的微納光纖具體是：將包層具有矩形或類矩形的二重對稱結構的光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后微納光纖橫截面的最長邊尺寸不高于10μm。或者將熊貓光纖進行熔融拉錐加工得到，拉錐后的微納光纖截面直徑尺寸不高于10μm。

優選的，所述雙折射微納光纖耦合區是雙絞線或平行結構。由具有雙折射特性的微納光纖兩端部扭轉形成的，則其光纖耦合區為雙絞線結構，由具有雙折射特性的微納光纖兩端部對折形成的，則其光纖耦合區為平行結構。