[发明专利]一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法。

背景技术

折射率是常用的光学参数之一，物质的许多物理、化学参数与折射率有关，测量折射率在石油化工、环境监测、医学诊断等应用领域具有重要的研究意义。传统的测量折射率的方法有：最小偏向角法、阿贝折射仪临界角法、干涉法等，这些技术方法易受空间以及应用环境条件限制。随着光纤传感技术的发展，光纤传感器由于体积小、耐腐蚀、耐电磁干扰等特点，在科研、工业、环境、医疗、军事等领域的应用显示了突出的优势。

光纤传感技术与折射率测量方法的有机结合，诞生了基于长周期光纤光栅的折射率测量方法。虽然长周期光纤光栅( LPG)对周围介质折射率变化具有较高的灵敏度而且能够消除小空间、腐蚀和电磁干扰等应用环境条件限制，但存在多谐振峰和传输峰带宽大等问题，限制了折射率测量的准确性，降低了光纤光栅折射率传感器的复用能力，影响长周期光纤光栅折射率传感器的推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法，具有结构简单、不受空间以及应用环境条件限制，有较高灵敏度，具有结构简单、测量准确、信噪比高的特点。

为解决实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器，包括有一有机玻璃板，有机玻璃板与光纤布拉格光栅的两端固定相连，光纤布拉格光栅的中段为无包层的纤芯栅区。

所述的光纤布拉格光栅采用普通光纤布拉格光栅。

所述的光纤布拉格光栅采用微纳光纤布拉格光栅。

所述的无包层的纤芯栅区的直径在1-8μm量级。

所述的机玻璃板与光纤布拉格光栅的两端采用石蜡固定连接。

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的制作方法，包括如下步骤：

1）将普通光纤布拉格光栅的两端固定在有机玻璃上，将其置于可调温箱内，将温度控制在17℃～25℃内一恒定温度；

2）在步骤1）的光纤布拉格光栅栅区包层上滴加氢氟酸0.8～1.2ml，腐蚀时间为80～125分钟，腐蚀掉栅区的包层，使栅区纤芯直接裸露；

3）将步骤2）腐蚀的微纳光纤布拉格光栅连同有机玻璃取出，用吸管吸去残留的腐蚀液，用清水清洗后再涂上浓度为40%的NaOH溶液浸泡10分钟，确保残余氢氟酸被完全中和，最后用去离子水清洗干净即可。

一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器折射率检测装置，包括有折射率匹配液槽，折射率匹配液槽与可调温箱内的微纳光纤布拉格光栅折射率传感器的一端相连，微纳光纤布拉格光栅传感器的另一端在与光纤环形器相连，光纤环形器还分别与宽带光源和光谱分析仪相连。

宽带光源输出光经光纤环形器进入传感器探头，满足布拉格反射条件的光被反射再次通过光纤环形器，并由光纤环形器的另一端传输进入光谱分析仪进行探测分析，其中折射率匹配槽用于消除光纤端面反射，防止信号干扰提高传感信号的信噪比。

折射率传感器工作原理如下：

光纤Bragg光栅(FBG)是一种光纤芯区折射率受周期性调制的光纤波导。根据耦合模理论，其导模谐中心波长                                                与纤芯有效折射率、光栅周期满足关系。光栅周期和有效折射率的任何改变均可引起中心波长的改变，光纤光栅温度、应变以及压力等传感正是基于此原理而实现的。然而，普通的光纤布拉格光栅是刻写在光纤芯区的并不是直接暴露在环境中，因此导模有效折射率并不随外界环境折射率改变。但是当包层被腐蚀掉以后，刻有光栅的纤芯便暴露在具有一定折射率的环境中，一部分传输光就会以倏逝场的形式在纤芯外的介质中传输，当环境折射率发生变化时，就会影响纤芯中传输模的有效折射率，使微纳光纤光栅的布拉格波长发生飘移，根据波长与环境折射率变化关系即可实现对环境折射率的测量。

理论研究已表明，微纳光纤光栅直径尺寸越小，传输的倏逝场的比例就会越大，外界环境较小的折射率变化就会导致较大的导模折有效射率变化，使微纳光纤光栅谐振波长产生较大的飘移，因而能够实现较高灵敏度的折射率传感检测。有文献已经报道，当光栅直径为400nm时，其折射率灵敏度可以达到993nm/RIU。但随着直径的变小，微纳光纤光栅的机械强度就会变弱非常容易断裂，即要提高灵敏度就得以损失机械强度为代价。因而，在一定的测量灵敏度要求下，通过模型设计和优化总可以使其机械强度保持在最好状态，这也成为本发明要解决的的重点问题。