[实用新型]一种液滴型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器

说明书

本实用新型专利公开了一种液滴型空气腔的光纤马赫‑曾德尔折射率传感器，属于光纤折射率传感器技术领域。其从前往后依次包括第一单模光纤（1）、光子晶体光纤（2）和第二单模光纤（5），光子晶体光纤（2）的后端依次形成塌陷区（4）和光纤拉锥区（3），所述光纤拉锥区（3）内形成液滴型空气腔（31）和二氧化硅包层（33），一束光在液滴型空气腔（31）中传输，另一束光在二氧化硅包层（33）中传输，两束光在到达第二单模光纤（5）时发生耦合，发生马赫‑曾德尔干涉。本传感器可以通过测量传感器干涉信号的波谷波长的偏移来测量折射率，能直接解调，实现实时检测。

技术领域

本实用新型专利涉及一种液滴型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器，属于光纤折射率传感器技术领域。

背景技术

在线型马赫-曾德尔干涉仪具有体积小、灵敏度高、分辨率高、成本低、抗电磁干扰特性优异等优点，而且无需使用光纤耦合器，用单根光纤就可以实现光束干涉，因此被广泛应用于折射率、温度、湿度、应变、液位的传感测量中。

对于折射率的测量，需要在传播光场和周围介质之间存在较大的交叠区域。通过减小在线型马赫-曾德尔干涉仪波导尺寸来增大交叠区域，从而获得更高的灵敏度。在现有的在线型马赫-曾德尔干涉仪中，干涉发生在纤芯模和激励出的包层模之间，或者是多模光纤的基模和高阶模之间。参与干涉的光束主要是在二氧化硅中传播，它们之间的有效折射率差非常小。因此，往往需要几厘米长的干涉臂来获得足够相位差的干涉光谱，这增加了实际应用中封装的难度，难以得到微米级的马赫-曾德尔干涉仪。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种紧凑型微米级的基于液滴型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器，

本实用新型的技术方案：

本实用新型一种液滴型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器，其从前往后依次包括第一单模光纤 、光子晶体光纤和第二单模光纤，所述光子晶体光纤的包层内有规则排列的空气孔，通过熔接技术于所述光子晶体光纤的后端依次形成塌陷区和光纤拉锥区，所述光纤拉锥区内形成液滴型空气腔和二氧化硅包层，所述二氧化硅包层包覆液滴型空气腔；

光在第一单模光纤中传输，到达光子晶体光纤的塌陷区时，光由一束分为两束，其中一束光在液滴型空气腔中传输，另一束光在二氧化硅包层中传输，形成倏逝波；两束光在到达第二单模光纤时发生耦合，经第二单模光纤的纤芯传输；两束光耦合发生马赫-曾德尔干涉，干涉强度可表示为：

（1）

其中，I₁和I₂分别为第二单模光纤的纤芯模和包层模的传输光的强度，φ为第二单模光纤的包层模与纤芯模的相位差，表示为：

（2）

式中，L表示为液滴型空气腔的长度，λ表示为入射光波长， Δn_eff表示为第二单模光纤的包层模和纤芯模的有效折射率差，包层模有效折射率随环境折射率变化；由公式1和公式2可知，传输光的光强随相位差的变化而变化；对于m级和m-2级干涉条纹所对应的波谷波长可表示为：

（3）

（4）