[发明专利]二氧化钛薄膜涂覆倾斜光纤光栅折射率传感器及检测系统

说明书

本发明采用二氧化钛薄膜涂覆倾斜光纤光栅作为传感器，输入偏振光进入该传感器的极大倾角光栅区域后耦合至s偏振态TE_0,j包层模或p偏振态EH_2,j包层模而非传统的HE/EH_1,j包层模，进一步通过调控传感器的偏振耦合特性及谐振参数，可使其工作于s偏振态TE_0,j或p偏振态EH_2,j包层模双峰谐振状态，TE_0,j和EH_2,j包层模具有比HE/EH_1,j包层模更灵敏的环境响应特性，因此增强了传感器与待测物质的互作用程度，从而获得更优异的传感特性；进一步的，该方案有效地利用了光纤模式资源，有利于开发多参量、更多优异光谱及传感特性的光纤传感器。

技术领域

本发明涉及光纤光栅折射率传感器技术领域，尤其是一种二氧化钛薄膜涂覆倾斜光纤光栅折射率传感器及检测系统。

背景技术

光纤光栅是一种重要的波长调制型无源光子器件，近年来被广泛应用于传感检测领域。普通光纤光栅主要包括布拉格光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）两大类。FBG由周期为几十至几百纳米量级的光栅组成，能够在满足相位匹配条件的谐振波长处实现纤芯导模和反向传输纤芯导模之间的模式耦合，从而在其反射谱中产生谐振峰。通过监测谐振峰随待测环境的变化即可实现传感检测。然而，FBG中参与模式耦合的均为纤芯导模，其光场分布限制在纤芯内，不能与待测环境发生有效的相互作用。因此，FBG传感器通常对应变、温度、应力、振动等变量的变化较为敏感，然而对包围FBG的外界环境的酸碱度、折射率、浓度等参量却缺乏敏感性，从而限制了FBG在生物医学检测、生化检测、环境监测、气液体分析等领域的应用。

相比于FBG，LPFG的光栅周期为几十至几百微米量级，能够在满足相位匹配条件的谐振波长处实现纤芯导模和同向传输包层模之间的模式耦合，从而在其透射谱中产生多个损耗峰。包层模能量主要分布于光纤包层中，并以倏逝场的形式延伸至包层外的待测物质中，从而增强了光场与待测物质的相互作用，因此LPFG传感器具有比FBG传感器更高的传感灵敏度。近年来LPFG被广泛应用于生物医学、环境监测、污染物检测等重要领域。研究表明，LPFG各个谐振峰对不同物理量的响应特性有所不同，该特性常用于实现高精度、多参量的传感检测。

为进一步提高LPFG传感器的灵敏度，研究人员提出了多种方案，如通过蚀刻减小光纤包层半径或在LPFG表面涂覆高折射率聚合物薄膜、特异性敏感纳米材料、金属膜激励起表面等离子体波等。这些方法在一定程度上有效地提高了LPFG的传感灵敏度。然而，传统LPFG只能实现纤芯导模和低阶对称包层模LP_0,j或HE/EH_1,j之间的模式耦合。相比于LP_0,j或HE/EH_1,j模，高阶包层模LP_v,j或TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）具有更灵敏的环境响应特性，因此高阶包层模耦合（或谐振）更有利于提高LPFG传感器件的传感灵敏度，但传统的光纤光栅不能实现TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）包层模谐振。倾斜光纤光栅为实现高阶包层模谐振提供了理想的方案。通过在光纤中引入倾斜光栅结构且倾斜角度高于80°时（即极大倾角LPFG或Ex-TLPFG），可实现纤芯导模和同向传输高阶包层模LP_v,j或TE/TM_0,j及HE/EH_v,j（v=2,3…）之间的模式耦合。然而，目前关于倾斜LPFG传感器的研究主要集中于常规的传感器设计及包层模单峰谐振，并未充分利用高阶包层模的高灵敏特性。特别在低折射率区域，其传感特性一般。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种二氧化钛薄膜涂覆倾斜光纤光栅折射率传感器，该传感器具有传感检测精度高、灵敏度高等优点。