[发明专利]一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器及其制备方法。

背景技术

折射率传感用于探测外界环境的折射率的变化，由于折射率是物质的基本属性，它在物理、生物、化学等学科领域是一个重要的参数，因此折射率传感对环境监测、食品安全、医药开发、临床检验等相关领域有重要的意义和用途。光纤折射率传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰能力强、响应速度快、抗生化腐蚀、体积小、重量轻、无毒、操控灵活方便以及低能量损耗的远距离传输能力等优点，克服了传统方法包括掠入射法、衍射光栅法、宽带吸收光谱法等不足，其发展一直受到人们的关注。许多光纤型折射率传感器应运而生，其实现原理包括表面等离子体、长周期光栅、模间干涉、微流控多孔光纤等多种类型。

近年来微纳光纤吸引了人们的研究兴趣，由于微纳光纤具有强消逝场效应，对折射率传感有着先天的优势，提出的实现方法包括微纳光纤环形结、布拉格光栅、长周期光栅、传输能量检测等，然而这些方法的传感灵敏度目前仍受到很大的局限，例如文献“Fei Xu，Valerio Pruneri，Vittoria Finazzi，Gilberto Brambilla.An embedded optical nanowire loop resonator refractometric sensor.Optics Express，2008，16(2)：1062-1067.”提出将微纳光纤打成环形结并用聚合物封装，这种方法制作工艺较复杂，理论获得灵敏度为700nm/RIU(单位折射率)。又如文献“X.Fang，C.R.Liao，D.N.Wang.Femtosecond laser fabricated fiber Bragg grating in microfiber for refractive index sensing.Optics Letters，2010，35(7)：1007-1009.”利用飞秒激光器在微纳光纤上刻写布拉格光栅制作折射率传感器，测量获得的灵敏度最大为234.1nm/RIU。再如文献“Haifeng Xuan，Wei Jin，and Shujing Liu.Long-period gratings in wavelength-scale microfibers.Optics Letters，2010，35(1)：85-87.”利用飞秒激光刻写技术在微纳光纤中写入长周期光栅，测量的灵敏度达到1900nm/RIU，灵敏度稍低且飞秒激光昂贵，另外飞秒激光刻写技术对光纤结构有破坏作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器，利用双折射微纳光纤的独特的双折射及其色散效应，获得现有方法中所无法达到的超高灵敏度。

本发明的另一目的在于，提供一种高灵敏度微纳光纤折射率传感器的制备方法，使之具有更高的折射率传感灵敏度，可以实现对外界环境折射率微变量的实时传感和快速检测。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明高灵敏度微纳光纤折射率传感器，包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、光纤环形镜和光谱分析仪，其中光纤环形镜包括沿光传输路径连接的光纤耦合器、双折射微纳光纤和第一偏振控制器；由宽带光源发出的光经光纤耦合器进入光纤环形镜后，形成两个相反方向传播的光束，其中一束依次经过第一偏振控制器和双折射微纳光纤，另一束则依次经过双折射微纳光纤和第一偏振控制器，这两束光产生偏振相位差，经光纤耦合器合波后形成偏振干涉光谱，最后由光谱分析仪检测输出。

所述双折射微纳光纤通常在具有矩形或类矩形的二重对称结构包层的光纤上，采用传统光纤熔拉技术，对光纤进行高温加热和熔融拉锥，使横截面的最长边尺寸小于10μm，两端熔接标准光纤，连接各种光纤仪器。

优选的，所述光纤环形镜还包括第二偏振控制器和保偏光纤，所述光纤耦合器、第一偏振控制器、双折射微纳光纤、第二偏振控制器及保偏光纤沿光传输路径顺序连接，所述第二偏振控制器用于调节干涉光谱的疏密程度，所述保偏光纤作为参考光纤，可以提高传感器的灵敏度。

优选的，所述保偏光纤是双折射微纳光纤、熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆型保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

优选的，所述光纤耦合器分光比通常为50％∶50％。

优选的，所述双折射微纳光纤的横截面为矩形或类矩形的二重对称结构。

所述双折射微纳光纤包括光纤纤芯和将所述光纤纤芯包围的光纤包层。

所述光纤纤芯折射率高于光纤包层折射率。