[发明专利]一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米光纤折射率传感器，尤其涉及一种具有高灵敏度和大动态测量范围的纳米光纤折射率传感器。

背景技术

纳米技术是当今科技的一个研究热点。在光电子领域，随着对微纳尺度上的材料和结构的深入研究，人们发现了很多奇特而又有趣的新的光学现象，并基于这些现象研究具有各种功能的微纳光子器件。其中，纳米光纤以其特有的性能成为研究热点。光在纳米光纤中传输时，与普通光纤相比一个突出特点就是纤芯周围有很强的倏逝场，光场有很大一部分能量是以倏逝场的形式在分布在光纤表面，这部分处在光纤表面的倏逝场与环境发生相互作用时，便可以得到高灵敏度的传感器。基于纳米光纤的折射率传感器便是利用纳米光纤倏逝场与环境折射率的相互作用而提高探测灵敏度的一类传感器。基于纳米光纤环形谐振腔的折射率传感器具有较高的灵敏度，这类器件依靠很高的Q值有效的减小器件尺寸以及探测所需的分析物量，但是折射率测量的动态范围是受到限制的，因为纳米光纤环形谐振腔折射率传感器是基于谐振峰值波长的移动来测量折射率的，折射率变化导致的谐振峰值波长的移动必须在一个自由光谱范围(FSR)内，否则便不可区分，这样必然导致折射率测量范围的受限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有高灵敏度和大测量范围的纳米光纤折射率传感器，包括：光源、第一单模光纤、第二单模光纤、第一纳米光纤、第二纳米光纤、探测器；其中，所述光源与第一单模光纤相连，第一单模光纤分别与第一纳米光纤和第二纳米光纤耦合相连，形成第一耦合区；所述第一纳米光纤由第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段组成，绕成环状形成纳米光纤环形谐振腔；第一纳米光纤第一段、第一纳米光纤第二段、第一纳米光纤第三段相交处形成第三耦合区；第一纳米光纤和第二纳米光纤再与第二单模光纤耦合相连，形成第二耦合区；第二单模光纤与探测器相连；由光源发出的光经过第一单模光纤进入第一耦合区后分为两路光，第一路光经过纳米光纤环形谐振腔后进入第二耦合区，第二路光直接经过第二纳米光纤后进入第二耦合区，两路光之间具有相位差，构成M-Z干涉仪，两路光共同经过第二耦合区耦合进第二单模光纤后，输出经过干涉包络调制的谐振透射光谱进入探测器。

本发明的有益效果：通过纳米光纤环形谐振腔保证高的折射率测量灵敏度，通过M-Z干涉调制包络提高折射率的测量动态范围。装置结构简单，测量方便，且易于小型化集成。

附图说明

图1 为本发明的折射率传感器结构示意图；

图2 为纳米光纤与普通单模光纤锥形耦合示意图；

图3 为本发明的折射率传感器具有干涉调制包络的谐振透射光谱图；

图4 为折射率变化导致传感器谐振峰值波长移动在一个自由光谱范围内的示意图；

图5 为折射率变化导致传感器谐振峰值波长移动超过一个自由光谱范围的示意图；

图中，光源1、第一单模光纤2、第一耦合区3、第一纳米光纤第一段4、第三耦合区5、第一纳米光纤第二段7、第一纳米光纤第三段6、第二纳米光纤8、第二耦合区9、第二单模光纤10、探测器11。

具体实施方式

本发明的工作原理如下：

传感器的输出光谱为经过M-Z干涉包络调制的谐振透射谱，两根纳米光纤均为折射率传感元，将分析物附着于纳米光纤传感元上，此时纳米光纤包层环境折射率将变化，输出谐振光谱会发生谐振峰值波长的移动，当谐振峰值移动在一个自由光谱范围(FSR)内时，探测谐振峰值波长的移动量便可以测得分析物折射率值；当谐振峰值波长移动超过一个自由光谱范围(FSR)但仍处于一个M-Z干涉调制包络内时，我们可以通过光强变化来辅助确定谐振峰值波长的偏移量，进而探测到变化的分析物折射率值。

下面参照附图并结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。