[发明专利]基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计及制作方法。

背景技术

折射率是物质的一种基本属性，它会随着外界温度、浓度、密度、压力的变化而变化；因此折射率的测量具有重要的实际应用意义，研究开发新型的折射率传感器已经引起了国内外学者的广泛关注。

传统的大体积折射率计已被应用在化学、食品、饮料、医疗等领域。然而，这些传统折射率计不适合远距离测量，并且在小体积领域受到限制。光纤传感器以其结构小、重量轻、复用能力强、适合在线和远距离监测、分辨率高等优点越来越受到人们的青睐，逐渐代替了传统的大体积折射率计。例如，光子晶体光纤、光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅都已经被广泛应用于各种液体折射率的测量中，开辟了折射率测量领域的新时代。然而，这些光纤传感器具有机械强度低、温度交叉敏感、测量范围小、非线性灵敏度低等缺点，在实际应用中受到限制。光纤法布里-珀罗(Fabry-Peort)干涉传感器，简称光纤F-P传感器，是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为广泛的一种光纤传感器，已经被成功用于测量温度、应变、压力、位移、超声波、折射率等参数，并商用化。特别是，由于光纤F-P传感器具有精度高、测量范围大、复用能力强、响应速度快等独特优势，用它进行折射率的测量已经引起了人们的广泛关注。非本征型光纤F-P传感器的干涉腔是空气，当腔体内的折射率发生改变时，其相位就会发生变化从而引起输出光强的变化，在光谱上表现为光谱的漂移。因此，可以通过监测其波长的漂移量从而检测气体折射率的改变。然而，由于非本征型光纤F-P传感器结构复杂，且由多种材料构成，导致其温度交叉敏感，从而不能进行外界折射率的准确测量。近来，一种基于飞秒激光加工的光纤F-P传感器已经被用来测量丙酮、酒精液体的折射率，这种光纤F-P传感器对温度不敏感，克服了温度交叉敏感效应，但是它制作复杂、机械强度差、成本高、且腔体容易受污染。

发明内容

本发明提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计，该折射率计包括：普通单模光纤、空心多模光纤、实心光子晶体光纤，普通单模光纤一端与空心多模光纤一端熔接，空心多模光纤的另一端与实心光子晶体光纤一端熔接；实心光子晶体光纤另一端端头的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤内部和外环境。

空心多模光纤选用纤芯掺锗的多模光纤，采用氢氟酸里腐蚀的方法除去多模光纤的纤芯，得到空心多模光纤。

外包层上的空气孔区域的直径为60μm，空气孔之间的间距Λ为8μm，归一化的空气孔直径d/Λ为0.46。

本发明还提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型折射率计的制作方法，其特征在于：该方法步骤如下：

1)将一段纤芯掺锗的多模光纤浸泡在氢氟酸里腐蚀直至去除纤芯，得到空心多模光纤；根据设计长度切割普通单模光纤；

2)采用手动熔接的方法将空心多模光纤一端与普通单模光纤一端熔接；

3)根据设计的F-P腔长度，在显微镜下切割空心多模光纤；

4)采用手动熔接的方法将空心多模光纤的另一端与一小段实心光子晶体光纤熔接；

5)在显微镜下切割实心光子晶体光纤，使实心光子晶体光纤长度满足：实心光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通空心多模光纤内部和外环境；

各个器件的参数如下：普通单模光纤、空心多模光纤和实心光子晶体光纤(3)三者的外径相同且都为120～130μm；空心多模光纤的内径为55～70μm；实心光子晶体光纤为无尽单模光子晶体光纤，即EPCF；实心光子晶体光纤的长度小于空心多模光纤长度。

步骤4)中，熔接空心多模光纤与实心光子晶体光纤时，使实心光子晶体光纤远离放电区域中心轴线25μm以上。

熔接操作的工艺参数为：电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。

本发明的有益技术效果是：本发明的折射率计具有：微型化、一体化、机械强度大、制作简单、测量准确性高、重复性好、受温度变化影响小等优点。

附图说明

图1，本发明的折射率计的结构示意图；

图2，本发明的折射率计的电子显微照片；

图3，理论计算的本发明折射率计在空气、酒精和丙酮中的干涉谱；

图4，实验得到的本发明折射率计在空气、酒精和丙酮中的干涉谱；

图5，采用本发明的折射率计检测外界折射率的实验原理图；

图6，本发明的折射率计的光程差与外界折射率的关系图；