[發明專利]一種基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器

在審

• 申請號: 202010693082.8
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111829986A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 蒙紅云;曾東;譚春華;黃旭光
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/01
• 代理公司: 廣州容大專利代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

1.一種基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：包括入射光纖(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束器(6)和出射光纖(7)；干涉臂(3)包括傳感臂(4)和參考臂(5)；入射光纖(1)的輸出端連接分束器(2)輸入端，分束器(2)的兩個輸出端一一對應連接傳感臂(4)和參考臂(5)的輸入端，傳感臂(4)和參考臂(5)的輸出端一一對應連接合束器(6)的兩個輸入端，合束器(6)的輸出端與出射光纖(7)的輸入端連接；入射光纖(1)用于輸入光信號，分束器(2)使得從入射光纖(1)中進來的光信號經過分束器(2)耦合到干涉臂(3)中，干涉臂(3)用于形成傳輸波導以篩選不同的光波傳輸模式，合束器(6)使得從干涉臂(3)中進來的光信號經過合束器(6)耦合到出射光纖(7)中，出射光纖(7)用于輸出光信號，并將光信號傳輸到外接的光譜儀中。

2.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述入射光纖(1)由單模光纖構成，其輸入端連接外接的寬帶光源。

3.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述分束器(2)與合束器(6)相同，均由無芯光纖構成。

4.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由單模光纖構成；其中，傳感臂(4)由單模光纖中的包層組成，參考臂(5)由單模光纖中的纖芯組成。

5.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述干涉臂(3)單模光纖的包層經過氫氟酸溶液化學腐蝕直徑減小，光纖腐蝕區域的外表面被氧化石墨烯薄膜(8)包覆。

6.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述出射光纖(7)由單模光纖構成，輸出端連接光譜儀。

7.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述分束器(2)為直徑125μm、長度10mm的無芯光纖；所述合束器(6)為直徑125μm、長度10mm的無芯光纖。

8.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由長度為35mm、直徑125μm的單模光纖組成，所述干涉臂(3)單模光纖使用氫氟酸溶液腐蝕掉單模光纖的部分包層，處理后的單模光纖直徑為91μm。

9.根據權利要求1所述的基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：傳感器輸出頻譜是多個傳輸模式干涉頻譜的疊加；模式之間的干擾強度表示為：

其中，I₁和I₂分別是纖芯模和包層模的強度；φ₀是初始相位；φ是纖芯模和包層模之間的相位差，由下式給出：

其中和是纖芯模式和第m階包層模式的有效折射率，L是干涉臂的長度，λ是工作波長，Δn_eff是有效折射率差；當參與干涉的兩種模式之間的相位差滿足π的奇數倍，即φ＝(2N+1)π時，傳感器輸出光譜中將存在最小干涉，損耗峰值波長給出為：

當傳感器的環境的折射率發生變化時，傳輸光波導的結構也會發生變化，這將改變纖芯基本模式和每個更高階模式之間的傳輸常數和耦合效率；光纖中傳輸模式的有效折射率相應地變化；因此，當外部環境的折射率發生變化時，損耗峰的波長偏移描述為：

因此，由傳感器頭周圍的濕度引起的環境的折射率變化與輸出光譜中的干涉極點處的波長之間存在對應關系；濕度測量是通過監視透射光譜的波長偏移來實現的。