[发明专利]一种光纤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,尤其涉及一种悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器及其制作方法。

背景技术

折射率是物质的一个重要物理参数，在生化传感和检测中具有重要的意义。相对于其他传感器，光纤传感器结构小、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀以及远距离遥测等优点，使其在折射率测量具有一定程度的优势。目前典型的光纤折射率传感器包括：光纤表面等离子体共振(SPR)折射率传感器、光纤光栅折射率传感器、基于倏逝波的光纤折射率传感器。这几种光纤折射率传感器都是利用光纤的线性效应，灵敏度为10⁴nm/RIU量级，对于生化检测，灵敏度还有待于进一步的提高。此外，这些传感光纤都需要经过后处理(比如光纤侧抛、光栅刻写、光纤拉锥等)，增加了传感器制作的难度和复杂性，并且传感器比较脆弱易断。

四波混频效应是介质中四个光波相互作用所引起的非线性光学效应。当两个泵浦波长频率相同时，称为简并四波混频，产生的上、下频移的两个信号波称为斯托克斯波和反斯托克斯波。当泵浦波长位于光纤零色散波长附近时，容易满足相位匹配条件，产生四波混频效应，并且斯托克斯波和反斯托克斯波对光纤色散非常敏感。当光纤结构(折射率等)或者外界环境(温度、压强、拉力、压力等)发生微小变化时，光纤的零色散波长会发生变化，从而导致产生的斯托克斯波和反斯托克斯波波长发生漂移。通过斯托克斯波或反斯托克斯波的漂移情况来反映光纤结构或外界环境的变化，就是基于四波混频效应的光纤传感机理。

在此领域，丹麦技术大学提出了利用高非线性光子晶体光纤中的四波混频效应实现高灵敏度折射率传感。但是其采用的光纤零色散波长未靠近光源的泵浦波长，折射率灵敏度还有待于提高。此外，此种光纤的空气孔尺寸都非常小，光纤的非线性系数比较低，传感光纤长度大约为1米左右。在用于折射率传感时，液体只能采用高压泵注入的方式，耗时几个小时，才能完全填充进光纤的空气孔中，降低了此种传感器在生物检测方面的实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种光纤折射率传感器及其制作方法，旨在解决光纤空气孔尺寸小，光纤的非线性系数低，传感光纤长度长，液体不易注入光纤空气孔的问题，并进一步提高传感器的灵敏度。

本发明是这样实现的，一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器沿光路方向包括高功率激光器、第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透镜、悬挂芯光子晶体光纤和光谱仪；

所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯,其中,包层中具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径，且所述空气孔中填充有待测液体样品。

进一步地，所述高功率激光器的中心波长为1064nm，脉冲宽度为ns量级，重复频率<10KHz，峰值功率>10KW。

进一步地，所述耦合透镜放大倍数为20倍。

进一步地，所述悬挂芯光子晶体光纤芯径<1μm，石英臂厚度<1μm，空气孔的孔径为20μm-30μm，光纤的零色散波长接近泵浦波长1064nm。

进一步地，所述悬挂芯光子晶体光纤空气孔中固定有生物膜。

本发明还提供了一种光纤折射率传感器的制作方法，包括下述步骤：

A.将悬挂芯光子晶体光纤两端切平，令气孔开放，将待测液体样品填充到悬挂芯光子晶体光纤包层的空气孔中；所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯,其中,包层中具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，且所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径，光纤的零色散波长接近泵浦波长1064nm；

B.沿光路方向依次将第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透镜、填充有待测液体样品后的悬挂芯光子晶体光纤以可实现空间耦合的位置关系固定在调整架上，将第一半波片与高功率激光器通过空间耦合的方式连接，并将悬挂芯光子晶体光纤的一端通过连接头接入光谱仪。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：采用的悬挂芯光子晶体光纤，其包层为几个空气孔通过亚波长石英臂悬挂在石英纤芯周围，光纤纤芯小，包层空气孔大，既能保证光纤高非线性系数缩短传感光纤长度，又方便空气孔中液体的填充。另外，提供一种基于四波混频效应的悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器的制作方法，由于悬挂芯光子晶体光纤的零色散波长位于泵浦波长附近，产生的斯托克斯波和反斯托克斯波对光纤色散非常敏感，可实现超高灵敏度的折射率传感，灵敏度可高达10⁵nm/RIU量级。并且避免温度交叉敏感性，实现对外界环境折射率微变量高精度传感测量。

附图说明