级联宏弯曲和交替单模-多模光纤结构温度折射率传感器
阅读说明：本技术 级联宏弯曲和交替单模-多模光纤结构温度折射率传感器 (Cascade macrobend and alternative single mode-multimode fiber structure temperature refractive index sensor ) 是由 滕传新 朱永洁 苑立波 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的级联宏弯曲和交替单模-多模光纤(SMF-MMF)结构温度折射率传感器,用于同时测量折射率和温度变化。交替熔接的SMF-MMF结构形成了长周期光纤光栅结构,通过将其密封在热收缩套管中,可以提高其温度灵敏度。该传感器在传输光谱中可以观察到两个明显的共振峰,通过监测透射谱中两个波谷中心波长的变化可以实现对外界液体折射率和温度的同时测量,且具有较高的温度灵敏度。(The invention provides a cascaded macrobend and alternative single mode-multimode fiber (SMF-MMF) structure temperature refractive index sensor which is simple in structure, simple in preparation process and low in cost and is used for measuring refractive index and temperature change simultaneously. The alternately fused SMF-MMF structure forms a long period fiber grating structure, and the temperature sensitivity of the structure can be improved by sealing the structure in a heat shrinkable sleeve. The sensor can observe two obvious resonance peaks in a transmission spectrum, can realize simultaneous measurement of the refractive index and the temperature of external liquid by monitoring the change of the central wavelength of two wave troughs in the transmission spectrum, and has higher temperature sensitivity.)
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种增强温度灵敏的级联宏弯曲和交替单模-多模光纤(SMF-MMF)结构温度折射率传感器。
背景技术
光纤传感器因为具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、远程操作能力强等优点，在环境监测、生物工程等领域得到了广泛的研究。目前光纤传感器已经被广泛应用于医疗、化学、石油管道检测、特高压输电设备、航天、大型建筑工程等方面进行实时监控。
折射率作为物质的固有属性，是生物工程、环境监测、食品检测等领域的重要研究课题。但折射率的测量中往往存在着温度的交叉敏感问题，故实现温度和折射率的同时测量具有重要价值，引起了国内外科研工作者的关注。如：专利申请号201420024605.X的中国发明专利“基于长周期光纤光栅折射率温度双参数测量传感器”提供了一种光纤温度折射率传感器，其结构是由二氧化碳激光器在光纤上连续刻写两段相邻且周期不同的长周期光纤光栅(LPFG)实现的。如：专利申请号201811638117.7的中国发明专利“复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法”提供了一种复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法，其传感器结构是通过在光纤同一位置先后使用二氧化碳激光器通过逐点写入法刻写长周期光栅和使用紫外曝光法刻写倾斜光栅。如：专利申请号201910560522.X中国发明专利“复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法”提供了一种基于双芯光纤定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感，传感器是由光源、单模光纤、一段双芯光纤、单模光纤、探测器依次相连而成。但上述光纤温度折射率传感器的制作过程中，或者复杂的工艺过程或者需要特殊的光纤刻蚀设备和技术，这些都增加了传感器的制作难度和成本，阻碍了传感器的实用化，并且采用光纤光栅进行温度的传感，其灵敏度较低。因此，如何实现结构简单、制备成本低廉，以及高灵敏的光纤温度折射率传感器无疑具有重要的实际意义。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器，该器件的透射光谱可以形成两个明显的共振峰，通过监测其中心波长的变化，可以实现对外界液体的折射率和温度的同时测量。并且，通过采用热缩套管将交替SMF-MMF结构进行封装，可以提高其温度测量灵敏度。
本发明所提供的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感探头的制备方法，包括：传感探头由交替SMF-MMF结构和裸宏弯曲SMF组成。其中，SMF和MMF交替结构构成了长周期光纤光栅结构。该结构是通过利用光纤熔接机先将SMF和MMF熔接在一起，然后利用高精度的光纤切割装置截取固定长度的MMF，然后再将其与SMF熔接在一起，重复上述过程，就可以制备得到交替SMF-MMF结构。之后将备好的交替SMF-MMF结构用热缩套管封装起来，并将其插入并固定在另一个塑料管中，通过将光纤的另一端也放入管中，就可以形成一个级联的宏弯曲结构。通过拉光纤端可以改变宏弯曲直径，最后，利用UV固化胶将纤维固定在塑料管上，便可获得稳定的宏弯曲结构。在这个过程中，需要使用光谱分析仪来监测输出光谱，直到观察到明显的马赫增德尔干涉(MZI)共振峰。
本发明还可以包括：
1、所述的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器中单模光纤长度为200-400μm，多模光纤长度为100-300μm，所述的长周期光纤光栅一共2-6个周期，周期长度为400-800μm，栅区长度为1-5mm。所述的宏弯曲SMF的直径为5-15mm，且弯曲段的保护涂层被剥离，以提高环境与光信号之间的相互作用。
2、所述的长周期光纤光栅中单模和多模光纤的外径为125μm，单模纤芯直径范围为8-9μm，多模纤芯直径范围为50-65μm。
3、本发明提供了一种级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器的制备方法，具有结构简单，制备工艺简单，成本低廉，且光纤光栅的长度和周期以及宏弯曲SMF的直径均可控等优点。
本发明的工作原理为：交替SMF-MMF结构形成了长周期光栅效应，产生一个共振峰，而弯曲结构会产生MZI效应，也会产生一个干涉峰，两者级联，可以产生两个相互独立的共振峰，进而可以实现温度与折射率的同时测量。其工作原理分别阐述如下：对于交替SMF-MMF结构，宽谱光源发出的光首先进入到单模光纤当中传输，当其传输经过到第一个SMF-MMF交界面时，单模光纤纤芯中传输的基模入射到多模光纤中会转变成高阶模；而当光继续在多模光纤中传输经过MMF-SMF交界面时，由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不匹配，一部分光会回到单模光纤的纤芯内转变成其纤芯中的基模，而另一部分光能进入单模光纤的包层中变成易被涂覆层损耗的包层模。由于这种MMF-SMF结构中单模光纤的长度很短，包层模传输到下一个多模光纤时未被完全损耗，一部分能量又重新耦合回纤芯并与纤芯中的基模发生干涉作用。所以当SMF-MMF光纤呈周期性结构排列时，基模能量被周期性地耦合成高阶模而后又耦合回纤芯，从而形成长周期光纤光栅效应。当特定的波长的光波满足相位匹配条件时，纤芯基模与特定包层模的干涉作用最强，从而在输出光谱上会出现一个共振峰。由于热缩套的隔离作用，折射率变化时，该结构的输出光谱不会产生响应。但是当温度变化时，由于光纤的热光效应和热膨胀效应，其有效折射率和结构尺寸会发生微小的变化，从而会引起共振峰的偏移。另一方面，由于热缩套的受热收缩特性，会改变光纤的轴向应力，由于弹光效应，交替SMF-MMF结构的周期和光纤的有效折射率均会进一步发生变化，会导致共振峰产生进一步的偏移，从而可以增加温度传感灵敏度。
对于宏弯曲结构，当光进入弯曲单模光纤后，被分成两部分：一部分光泄漏到包层中，使几种包层模被激发并沿光纤传播；剩余的光继续纤芯传播。在弯曲区的另一端，包层模态耦合回纤芯，由于传输的光路不同，从而产生干涉现象，在输出光谱中出现共振干涉峰。当折射率发生变化时，包层的有效折射率将发生改变，进而会导致干涉峰产生偏移；而当温度变化时光纤纤芯和包层的有效折射率均会产生变化，且宏弯曲的结构也会产生一定的变化，从而会导致干涉峰的位置发生移动。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器的制作工艺简单，不需要昂贵的光栅写入设备，结构稳定，成本低廉。
2、本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器的制备方法灵活，可以通过控制所熔接单模或者多模光纤的长度来调节光栅周期的大小，也可以通过改变宏弯曲SMF的直径获取不同的传感探头。
3、本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器可以实现对温度和折射率的同时测量，且具有的灵敏度，在传感领域具有重要应用价值。
附图说明
图1是本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器结构示意图；
图2是传感器在室温下的透射谱；
图3是交替SMF-MMF结构光纤的光场能量分布仿真结果；
图4是传感器的透射谱随外界折射率的变化情况，以及LPFG和MZI共振峰局部放大图；
图5是LPFG和MZI共振峰随外界折射率的变化曲线；
图6是传感器的透射谱随外界温度的变化情况，以及LPFG和MZI共振峰局部放大图；
图7是LPFG和MZI共振峰的中心波长随外界温度的变化曲线；
图8显示了传感器的波长随周围折射率和温度变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明。
参见图1,本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器的结构示意图。传感探头由交替SMF-MMF结构和裸宏弯曲SMF组成。其中，SMF-MMF交替结构形成了长周期光纤光栅效应。该结构是通过利用光纤熔接机先将SMF和MMF熔接在一起，然后利用高精度的光纤切割装置截取固定长度的MMF，然后再将其与SMF熔接在一起，重复上述过程，就可以制备得到交替SMF-MMF结构。之后将备好的交替SMF-MMF结构用热缩套管封装起来，并将其插入并固定在另一个塑料管中，通过将光纤的另一端也放入管中，就可以形成一个级联的宏弯曲结构。通过拉光纤端可以改变宏弯曲直径，最后，利用UV固化胶将纤维固定在塑料管上，便可获得稳定的宏弯曲结构。
参见图2，本发明的级联宏弯曲和交替SMF-MMF结构温度折射率传感器的透射光谱图。其工作原理分别阐述如下：对于交替SMF-MMF结构，宽谱光源发出的光首先进入到单模光纤当中传输，当其传输经过到第一个SMF-MMF交界面时，单模光纤纤芯中传输的基模入射到多模光纤中会转变成高阶模；而当光继续在多模光纤中传输经过MMF-SMF交界面时，由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不匹配，一部分光会回到单模光纤的纤芯内转变成其纤芯中的基模，而另一部分光能进入单模光纤的包层中变成易被涂覆层损耗的包层模。由于这种MMF-SMF结构中单模光纤的长度很短，包层模传输到下一个多模光纤时未被完全损耗，一部分能量又重新耦合回纤芯并与纤芯中的基模发生干涉作用。所以当SMF-MMF光纤呈周期性结构排列时，基模能量被周期性地耦合成高阶模而后又耦合回纤芯，从而形成长周期光纤光栅。当特定的波长的光波满足相位匹配条件时，纤芯基模与特定包层模的干涉作用最强，从而在输出光谱上会出现一个共振峰。由于热缩套的隔离作用，折射率变化时，该结构的输出光谱不会产生响应。但是当温度变化时，由于光纤的热光效应和热膨胀效应，其有效折射率和结构尺寸会发生微小的变化，从而会引起共振峰的偏移。另一方面，由于热缩套的受热收缩特性，会改变光纤的轴向应力，由于弹光效应，交替SMF-MMF结构的周期和光纤的有效折射率均会进一步发生变化，会导致共振峰产生进一步的偏移，从而可以增加温度传感灵敏度。
对于宏弯曲结构，当光进入弯曲单模光纤后，被分成两部分：一部分光泄漏到包层中，使几种包层模被激发并沿光纤传播；剩余的光继续纤芯传播。在弯曲区的另一端，包层模态耦合回纤芯，由于传输的光路不同，从而产生干涉现象，在输出光谱中出现共振干涉峰。当折射率发生变化时，包层的有效折射率将发生改变，进而会导致干涉峰产生偏移；而当温度变化时光纤纤芯和包层的有效折射率均会产生变化，且宏弯曲的结构也会产生一定的变化，从而会导致干涉峰的位置发生移动。
综上所述，本发明的传感器的透射谱上会出现两个共振峰：一类是由LPFG效应引起的，一类是由宏弯曲结构引起的。交替SMF-MMF结构形成了长周期光栅效应，产生一个共振峰，而弯曲结构会产生MZI效应，也会产生一个干涉峰，两者级联，可以产生两个相互独立的共振峰。通过同时监测这两类共振峰波长的变化，实现对外界折射率和温度的同时测量。从图中可以看到，在传输光谱上在波长约1217.8nm和1621.2nm的位置上出现两个明显的LPFG和MZI共振峰，分别由LPFG结构和宏弯曲结构产生。
参见图3，是交替SMF-MMF结构光纤的光场能量分布仿真结果，其结果显示了由于SMF和MMF的纤芯半径的不同，光波能量周期性地扩散到包层中，并在SMF-MMF结构中进行能量交换。
参见图4，显示了在不同折射率的液体中传感器的传输光谱。从图4(a)中可以周围的折射率从1.335增大到1.38时，MZI共振峰发生了红移，而LPFG峰值在1217.6±0.2nm时几乎保持不变，因为它密封在热收缩管中，不受外界折射率的影响。图4(b)和4(c)分别显示了LPFG和MZI共振峰区域的放大图像。当周围的折射率变化时，可以看到LPFG共振峰的微弱波动，这可能是由宏弯曲结构的干扰效应引起的。
参见图5，显示了LPFG和MZI共振峰随外界折射率1.335到1.38的折射率函数曲线。从线性拟合中，得到MZI共振峰的折射率灵敏度为165.04nm/RIU。
参见图6，显示了传感器的透射谱随外界温度的变化情况。实验时，传感器探头被放入水浴中，温度变化为80℃至35℃，传输光谱每5℃记录一次。温度计用于实时监测探头周围的温度。如图6(a)所示，随着温度的降低，LPFG峰值向长波长方向，而MZI峰值的波长位置几乎不变。图6(b)和(c)分别是LPFG和MZI共振峰区域的放大图像。
参见图7，显示了温度变化和波长变化之间的关系。从线性拟合中，分别获得LPFG和MZI共振峰的平均温度敏感度-255.52pm/℃和-5.82pm/℃。
参见图8，显示了传感器在不同环境温度和折射率下的响应曲线。当RI变化时，光纤包层的有效折射率将发生变化，这会导致MZI共振峰的移动。而当温度变化时，由于光纤的热光效应和热膨胀效应，LPFG与MZI的共振峰也会发生移动。因此，当周围折射率和温度同时变化时，LPFG与MZI共振峰的变化ΔλLPFG和ΔλMZI可以描述为：
其中，KRI和KT分别是折射率灵敏度和温度灵敏度系数。Δn和ΔT分别是折射率和温度变化。