[發明專利]基于拉錐扭轉偏孔光纖的液體折射率傳感器

在審

• 申請號: 202110590416.3
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113310944A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 周愛;劉佳欣;趙雨佳;徐明靖
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/45
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

本發明公開了一種基于拉錐扭轉偏孔光纖的液體折射率傳感器，包括第一單模光纖、偏孔光纖和第二單模光纖，所述偏孔光纖的兩端分別與第一單模光纖和第二單模光纖連接，所述偏孔光纖的中間部分通過拉錐扭轉形成螺旋錐腰區，所述偏孔光纖內沿直線傳輸的纖芯模與螺旋錐腰區內沿螺旋路徑傳輸的包層模相干涉形成光纖馬赫?澤德干涉。本發明的液體折射率傳感器靈敏度大大提升，且機械強度好，結構更加穩定。

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，具體涉一種基于拉錐扭轉偏孔光纖的液體折射率傳感器。

背景技術

光纖液體折射率傳感器是生物傳感、環境監測等領域的重要器件。常見的光纖折射率傳感器主要包括光纖干涉儀型、光纖光柵型和表面等離子體共振型等結構。其中，光纖干涉儀型折射率傳感器因其結構緊湊、制作方便等特點受到研究者的廣泛關注。然而，常規光纖干涉儀的折射率靈敏度通常只有幾百至上千納米/折射率單位(RIU)，無法滿足需求痕量檢測等對靈敏度需求較高的領域。為了提高折射率傳感器的靈敏度，人們將目光放在色散轉折點上，通過色散轉折點可以大幅提高傳感器的靈敏度，目前實驗可以得到10^4nm/RIU數量級的折射率靈敏度。

色散轉折點是通過研究模式干涉以及靈敏度公式而得到的一種提高傳感器靈敏度的方式，是發生干涉的兩個模式的群有效折射率相差為零時所對應的傳感器工作狀態。對于光纖內兩個不同模式之間的干涉，其干涉譜的一個波谷對應的波長可以表示為：

其中n_ex為環境折射率。對(2)式合并同類項，得-

進一步，將公式(1)帶入公式(3)可得

從公式(4)可以看出，當兩個模式的群有效折射率相同時，傳感器的靈敏度為無窮大，而n_g1＝n_g2所對應的工作波長被稱為色散轉折點。雖然工作在色散轉折點能夠極大地提高傳感器的測量靈敏度，但是要想獲得色散轉折點卻并不容易，相干涉的兩個模式的色散曲線需要在傳感器工作波段內具有交點。現有的工作是將單根單模光纖拉錐至直徑小于5微米的微錐，在錐區形成色散曲線差異足夠大的HE₁₂和HE₁₁模式，并產生模間干涉；或者將兩根單模光纖拉制成直徑小于5微米的微耦合器，使微耦合器的奇模和偶模互相干涉。這種基于微錐或微耦合器的結構，發生干涉的兩個模式的傳輸路徑的物理長度使相同的，因此只能通過犧牲直徑來獲得某個波長下群有效折射率相同的兩個模式，從而實現靈敏度的提高。這類光纖傳感器存在獲得色散轉折點的條件苛刻、機械強度低和結構不穩定等問題。

發明內容

本發明旨在解決現有的光纖折射率傳感器需要在超細微錐或微耦合器下才能實現超高靈敏度測量的問題，提供一種基于拉錐扭轉偏孔光纖的超高靈敏度液體折射率傳感器。

本發明所采用的技術方案是：

提供一種基于拉錐扭轉偏孔光纖的液體折射率傳感器，包括第一單模光纖、偏孔光纖和第二單模光纖，所述偏孔光纖的兩端分別與第一單模光纖和第二單模光纖連接，所述偏孔光纖的中間部分通過拉錐扭轉形成螺旋錐腰區，所述偏孔光纖內沿直線傳輸的纖芯模與螺旋錐腰區內沿螺旋路徑傳輸的包層模相干涉形成光纖馬赫-澤德干涉。

接上述技術方案，所述偏孔光纖包括纖芯、空氣孔和包層，所述纖芯位于偏孔光纖的軸芯，所述空氣孔位于偏孔光纖的包層，空氣孔中心距離光纖軸心距離為20-35微米，所述空氣孔直徑為20-40微米，所述纖芯直徑為8-10微米。

接上述技術方案，所述包層直徑為125微米。

接上述技術方案，所述偏孔光纖的兩端通過熔接的方式與兩端的單模光纖連接，偏孔光纖的長度大于5厘米。

接上述技術方案，拉錐扭轉區的直徑大于50微米。