[发明专利]一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法

说明书

本发明公开了一种瓣状光纤光栅折射率传感器，包括：所述瓣在光纤径向方向，在包层等角度的设置有n个凹槽，形成瓣状结构，n≥3；所述凹槽的底部和纤芯的距离为L，L大于零；在光纤轴向方向，在包层等间距的设置有k个瓣状结构，k≥1，在任一个凹槽内刻写有布拉格光栅。本方案提供了一种新型瓣状光纤光栅折射率传感器，该传感器在加工过程无需大范围的改变直径，仅需稍微改变形状，保证了结构的稳定性，且纤芯趋于裸露，可以获得较大的倏逝场，在凹槽内刻上布拉格光栅，应用其较强的波长选择性，对所测对象的特性会更加明显，获得了超高灵敏度、极好的结构稳定性和结构紧凑性。

技术领域

本发明涉及光纤光栅折射率传感器技术领域，具体涉及一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法。

背景技术

光纤折射率传感器因折射率的变化能反映出物质的异动，进而能探测外界环境的变化。光纤折射率传感以其灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等许多优良的特性，弥补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。其在化工、医药、食品等相关工业领域有重要的意义和用途。伴随着光纤折射率传感器的广泛应用，许多光纤传感技术应运而生，比如表面等离子体、长周期光栅、模间干涉、微流控多孔光纤等方法。然而这些方法的传感灵敏度和结构稳定性目前仍受到很大的局限，下面通过三个例子简要概述其局限。

微结构光纤折射率传感器件开发方面，已经进行了多种尝试，例如，文献“Highlysensitive refractive index fiber inline Mach–Zehnder interferometerfabricated by femtosecond laser micromachining and chemical etching[J].(Sun XY,Chu D K,Dong X R,et al.)OpticsLaser Technology,2016,77:11-15.”采用构造开槽，将一部分光引入到纤芯外，构成干涉仪的方式，实现传感，这种采用透射测量，不利于狭小密闭环境传感测量，而且采用双光束干涉的方式，光谱宽度太宽，不利于高精度传感应用。

在改变光纤结构上，还如下有这种尝试，例如文献“Single-mode D-shapedoptical fiber sensor for the refractive index monitoring of liquid[J].(Qazi HH,Mohammad A B,Ahmad H,et al)Journal of Modern Optics,2016,63(8):750-755.”采用了侧边抛磨的方法，将光纤单侧(纵向)进行顺序抛光，得到D型截面，但其倏逝场不够强，折射率测量的范围有限，如若想增强倏逝场，还需外镀金属或敏感材料，工艺复杂，不利于加工。

微纳光纤光栅方面，在测量折射率方面也进行过一些尝试，例如，“193nm excimerlaser inscribed Bragg gratings in microfibers for refractive index sensing”，为了增强倏逝场作用，将光纤直径缩小，这样可以大幅增加灵敏度，但是缩小直径的结果是光纤尺寸太细，在很小的作用力下易断，移动需要特别小心，结构稳定性过差。

因此，行业内急需研究一种不仅具有高灵敏度，且结构稳定性强、结构紧凑的光纤折射率传感器。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种瓣状光纤光栅折射率传感器及其传感方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：