[实用新型]基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器

说明书

本实用新型公开了基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第一无芯光纤、至少有两个气孔且其中一部分气孔外露的边孔光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤、光谱仪。光场能量被第一无芯光纤分光分别进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的孔以及被封闭的孔。这三路光场能量被第二无芯光纤合并，再经第二单模光纤输出至光谱仪。边孔光纤纤芯以及与外界连通的孔中的两束光发生干涉，形成马赫曾德干涉，其干涉光谱随着外界环境变化；纤芯和被封闭的孔中的两束光也发生马赫曾德干涉，其干涉光谱不受外界环境的变化影响。两个马赫曾德干涉并联形成游标效应，使传感器具有44084.1nm/RIU的超高灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，属于光生化传感技术领域。

背景技术

折射率的检测一直在生物医学、物理、化学、工业等领域发挥着重要的作用。在众多折射率传感器中，光纤传感器具有响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等优点，在光学传感器中有很大的应用前景。但是光纤传感器目前遇到的一个普遍的问题就是，光纤内光场能量通过倏逝场与外界环境接触，光-物相互作用很弱，灵敏度很低。近年来，微结构光纤的出现，似乎使这一困境出现了转机。如何设计结构，使其内部的孔洞将导光路径与液体流通路径集成，以此来增强光-物相互作用，提高检测灵敏度，这是一个问题。

此外，光学游标效应与游标卡尺测量原理类似，当两种周期性干涉光谱的周期不同但差异很小时，两者叠加形成的光谱的包络具有更大的周期，而且相同的外界环境变化所引起的包络偏移量比原来任意一个的周期性干涉光谱的偏移量更大，从而实现传感相位灵敏度的倍增。光学游标效应在光纤传感器中的应用能显著提高其灵敏度，增强其传感性能。例如，哈尔滨理工大学2019年1月17日申请的基于光纤Sagnac 环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器将Sagnac干涉计与FP干涉计串联，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度，使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级。2019年2月18日，南方科技大学提出的基于微波光子技术的液体密度传感器系统利用双重的Sagnac环干涉形成游标效应实现了对被检测的液体密度的检测，提高检测精度。上述结构无疑成功的利用游标效应提高了光纤传感器的灵敏度，但是光路繁复，结构相当复杂，实际使用不方便。

发明内容

本发明针对上述问题，通过合理设计光纤结构，将两个马赫曾德干涉光路集成于同一根光纤中，形成游标效应提高光纤传感器的灵敏度的同时，使整体结构高度集成小型化。

为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，包括：宽带光源、将光场能量输入的第一单模光纤、进行分光的第一无芯光纤、至少具有两个气孔且有一部分个数的气孔外露的边孔光纤、耦合光场的第二无芯光纤、将光场能量输出给光谱仪的第二单模光纤、光谱仪。

其中，所述宽带光源与第一单模光纤通过光纤珐琅盘连接，第二单模光纤与光谱仪通过光纤珐琅盘连接，第一单模光纤、第一无芯光纤、边孔光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤依次用光纤熔接机进行熔接相连。

其中，所述的边孔光纤在纤芯旁具有两个或者两个以上与纤芯同向的气孔通道，并且有一部分个数的通道与外界环境连通，可以作为传感区域，其余气孔通道被两侧的第一无芯光纤和第二无芯光纤封闭，具体做法可以是事先对边孔光纤进行侧边抛磨直至有部分气孔外露，或者是在光纤熔接过程中进行错位熔接，使其中的部分气孔没有被两侧的无芯光纤完全堵住。

其中，所述第一单模光纤与第二单模光纤为普通的单模光纤，包层直径125微米，纤芯直径8.2微米；所述第一无芯光纤的直径、边孔光纤的包层直径、第二无芯光纤的直径与单模光纤包层直径相同。

其中，所述第一无芯光纤与第二无芯光纤的长度控制在1毫米左右，既能保证光路的分光与耦合，又避免引入明显的多模干涉。