[發明專利]二氧化鈦薄膜涂覆傾斜光纖光柵折射率傳感器及檢測系統

有效

• 申請號: 201810494921.6
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN108680531B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 李志紅;羅倩倩;嚴博騰;阮秀凱;張耀舉;戴瑜興;蔡振鬧
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 溫州甌越專利代理有限公司 33211
• 代理人: 陳千楷

本發明采用二氧化鈦薄膜涂覆傾斜光纖光柵作為傳感器，輸入偏振光進入該傳感器的極大傾角光柵區域后耦合至s偏振態TE_0,j包層模或p偏振態EH_2,j包層模而非傳統的HE/EH_1,j包層模，進一步通過調控傳感器的偏振耦合特性及諧振參數，可使其工作于s偏振態TE_0,j或p偏振態EH_2,j包層模雙峰諧振狀態，TE_0,j和EH_2,j包層模具有比HE/EH_1,j包層模更靈敏的環境響應特性，因此增強了傳感器與待測物質的互作用程度，從而獲得更優異的傳感特性；進一步的，該方案有效地利用了光纖模式資源，有利于開發多參量、更多優異光譜及傳感特性的光纖傳感器。

技術領域

本發明涉及光纖光柵折射率傳感器技術領域，尤其是一種二氧化鈦薄膜涂覆傾斜光纖光柵折射率傳感器及檢測系統。

背景技術

光纖光柵是一種重要的波長調制型無源光子器件，近年來被廣泛應用于傳感檢測領域。普通光纖光柵主要包括布拉格光纖光柵（FBG）和長周期光纖光柵（LPFG）兩大類。FBG由周期為幾十至幾百納米量級的光柵組成，能夠在滿足相位匹配條件的諧振波長處實現纖芯導模和反向傳輸纖芯導模之間的模式耦合，從而在其反射譜中產生諧振峰。通過監測諧振峰隨待測環境的變化即可實現傳感檢測。然而，FBG中參與模式耦合的均為纖芯導模，其光場分布限制在纖芯內，不能與待測環境發生有效的相互作用。因此，FBG傳感器通常對應變、溫度、應力、振動等變量的變化較為敏感，然而對包圍FBG的外界環境的酸堿度、折射率、濃度等參量卻缺乏敏感性，從而限制了FBG在生物醫學檢測、生化檢測、環境監測、氣液體分析等領域的應用。

相比于FBG，LPFG的光柵周期為幾十至幾百微米量級，能夠在滿足相位匹配條件的諧振波長處實現纖芯導模和同向傳輸包層模之間的模式耦合，從而在其透射譜中產生多個損耗峰。包層模能量主要分布于光纖包層中，并以倏逝場的形式延伸至包層外的待測物質中，從而增強了光場與待測物質的相互作用，因此LPFG傳感器具有比FBG傳感器更高的傳感靈敏度。近年來LPFG被廣泛應用于生物醫學、環境監測、污染物檢測等重要領域。研究表明，LPFG各個諧振峰對不同物理量的響應特性有所不同，該特性常用于實現高精度、多參量的傳感檢測。

為進一步提高LPFG傳感器的靈敏度，研究人員提出了多種方案，如通過蝕刻減小光纖包層半徑或在LPFG表面涂覆高折射率聚合物薄膜、特異性敏感納米材料、金屬膜激勵起表面等離子體波等。這些方法在一定程度上有效地提高了LPFG的傳感靈敏度。然而，傳統LPFG只能實現纖芯導模和低階對稱包層模LP_0,j或HE/EH_1,j之間的模式耦合。相比于LP_0,j或HE/EH_1,j模，高階包層模LP_v,j或TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）具有更靈敏的環境響應特性，因此高階包層模耦合（或諧振）更有利于提高LPFG傳感器件的傳感靈敏度，但傳統的光纖光柵不能實現TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）包層模諧振。傾斜光纖光柵為實現高階包層模諧振提供了理想的方案。通過在光纖中引入傾斜光柵結構且傾斜角度高于80°時（即極大傾角LPFG或Ex-TLPFG），可實現纖芯導模和同向傳輸高階包層模LP_v,j或TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）之間的模式耦合。然而，目前關于傾斜LPFG傳感器的研究主要集中于常規的傳感器設計及包層模單峰諧振，并未充分利用高階包層模的高靈敏特性。特別在低折射率區域，其傳感特性一般。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種二氧化鈦薄膜涂覆傾斜光纖光柵折射率傳感器，該傳感器具有傳感檢測精度高、靈敏度高等優點。