[发明专利]用于光学检测的涂覆波导

说明书

本发明涉及一种包含光栅的波导、一种包含该波导的光学传感器以及该传感器在测量环境效应(environmental effect)中的应用。

光学传感器具有许多优于电子测量系统的优势。光学传感器在例如难于接近和/或对人类有危害的环境中如在石油工业以及天然气工业中常见的环境中更加可靠，并且通常不会受到电磁辐射的不利影响，该电磁辐射通常产生于例如电力电缆系统、感应炉或用于核磁共振测量的设备，如MRI或NMR设备中。其他优势在于光学传感器在远距离易于操作、其尺寸小、其柔性、和/或其可以形成由离散传感器(其全部可通过单个光学纤维分别读出)的阵列构成的传感器系统。

基于波导光栅的典型传感器系统例如详细描述于US 5 380 995、US 5 402 231、US 5 592 965、US 5 841 131、US 6 144 026、US 2005/0105841、US 7 038 190、US 2003/156287中。

这类传感器系统所基于的一个原理是，以波导的轴向应变作为待检测的环境效应的结果，例如，通过在波导上使用一种涂层，其在环境效应的影响下变形。当引导特定光谱的波导光栅在这种轴向应变下拉伸或收缩时，透射的光的光谱特性曲线(spectral pattern)和/或反射的光的光谱特性曲线(即，光谱响应)改变。光谱响应的这类改变在测量时提供关于环境效应的定量信息。

美国专利申请2005/0105841涉及在长周期光栅波导上使用一种聚乙烯亚胺(PEI)单层涂层。该涂层在吸水的条件下膨胀，其使得包含这种涂层的传感器适合用于基于该涂层的折射率的改变而测量相对湿度(RH)。然而，折射率的改变对于水的检测不是选择性的，这使得传感器对于环境污染敏感。由于单层的缓慢沉积，该传感器的制备并不方便。同时，响应时间相对较长，尤其是在湿度高的条件下更是如此，并且似乎非常高的湿度无法被测出，这导致传感器的动态范围小。该涂层的折射率应根据特定波导光栅而调整，因此其不能一般性用于其他的波导。因此，折射率传感器技术主要限于长周期光栅波导，而这种波导不能用于长周期的多传感器波导(long multiple sensor waveguide)中。

由J.L.Elster撰写的论文(“Long Period Grating-based pH sensors for corrosion monitoring，Blacksburg，Virginia，1999”)涉及长周期光栅波导上的一种聚丙烯酸涂层，其用于构成pH传感器。这类pH传感器是基于H⁺浓度改变所造成的包层周围涂层的折射率的改变。这类传感器具有类似于美国专利申请2005/0105841描述的相对湿度传感器的缺点。

US 7 038 190涉及一种利用医用级聚氨酯泡沫或聚酰亚胺来感应湿度的光学湿度传感器。其中，该申请描述了提供具有环氧丙稀酸酯的纤维，其具有与聚酰亚胺类似的热响应，但其对于湿度相对不敏感。因此，与聚酰亚胺组合使用，其可用作纤维光栅过滤器，以校准涂覆有聚酰亚胺的光栅由于温度的改变所导致的信号的改变。由于聚合物层的厚度，响应时间长(数小时)。没有关于该传感器的制备及特定性能的信息。

Xiamomei Liu等人(Sensors and Actuators B 96 2003，468-472)描述了一种具有聚丙烯酰胺水凝胶涂层的基于纤维布拉格光栅的传感器。膨胀的水凝胶一经与NaCl溶液接触即收缩，因此建议将该传感器用于直接测定NaCl的浓度。所述涂层作为一种水凝胶，使得传感器容易受到损坏，这是由于聚丙烯酰胺水凝胶具有相对低的硬度。此外，这种传感器包含一种厚水凝胶层，其不能应用于细管中。

本发明的一个目的是提供一种包含光栅的新型波导，该波导可用于光学传感器中，尤其用于利用布拉格反射或基于长周期光栅的检测机制的传感器中，其可用作已知波导光栅的一种替代，尤其用于测量湿度或测量其他分析物、或其他环境条件(的变化)，如物理参数(的变化)。本发明的一个具体目的是提供一种经改进的新型波导，尤其是包含该波导的检测系统被改善，因为其提供了如下至少一种优点：对于特定环境效应更高的选择性、更大的动态范围、更高的准确度、更强的稳健性(robustness)、更低的检测极限、更高的灵敏度、用单一波导重复测量方面更高的再现性、以及更高的制造再现性(即，来自不同波导的结果，尤其是源自不同制造批次的结果提高)。

用于测量某种环境条件的检测系统的选择性是指：在所选环境条件下，不受其他条件变化的影响，检测器对于变化的特定反应的程度。