[发明专利]光谱调制型双锥光纤传感器信号检测方法

说明书

本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种新的光谱调制型双锥光纤传感器信号检测方法。

双锥光纤是将一段单模光纤局部高温加热到软化后沿芯轴方向拉伸而成的，几何形状如图1所示，11为光纤包层，12为光纤芯，13为熔锥区。由于锥区直径(包括芯径)收细，在光纤中传输光波模场的分布发生改变，将产生纤芯中的基模与包层模之间的能量转换，按指数衰减的包层模消逝场将“渗出”包层-空气界面。如将光纤锥区置于折射率小于包层折射率的物质中，则将引起光纤中传输光波能量的“泄漏”而导致传输光功率的衰减，且其衰减量随外界物质折射率的增大而增大，测量双锥光纤输出光功率的变化即可得知外界物质的折射率。另外，当双锥光纤受外力作用而弯曲时，也可引起这种“泄漏”损耗增大，测量双锥光纤输出光功率的变化即可得知外界压力的大小。这就是普通光强调制型双锥光纤传感器的工作原理。利用双锥光纤作传感器可测量液体物质的物理、化学甚至生物参量。

典型光强调制型双锥光纤传感器的例子有如英国<电子学快报>1995年第31卷第20期所载的<单模光纤表面等离子波化学传感器>，美国<光学快报>1991年第16卷第2期所载<利用弯曲双锥单模光纤构成的压力传感器>等。这种光强调制型双锥光纤传感器的抗干扰能力差，容易受光源功率波动和光路损耗变化等因素的影响。为实用起见，在测量时必须采用补偿技术以消除各种不稳定因素的影响。这不仅增加了传感技术的复杂性，并使成本提高，而且补偿技术本身也会带来新的问题。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种新的光谱调制型双锥光纤传感信号检测方法，它是基于双锥光纤的透射谱随外界物质参量的改变而发生波长偏移的特性，具有测量精度高，工作稳定，且可实现对多个参量同时实时测量等优点。

双锥光纤除了前述单色光传输光功率可受外部物质参量的调制外，还有一个重要的特性，即由于芯模-锥区包层模的转换以及包层中传输光波能量的“泄漏”均与光波长有关，因而其输出特性对波长非常敏感。对于一个单色光源，双锥光纤的输出功率随锥区的增长及锥腰的变细而周期性增减；对于一个宽带光源，则双锥光纤的输出功率谱将呈现周期振荡特性。因此，利用双锥光纤可构成一个无反射的光学滤波器。图2给出一个典型1.5μm波段双锥光纤滤波器的透射谱，可见透射谷比透射峰更锐，5个透射谷相应的波长分别为λ₀₁，λ₀₂，λ₀₃，λ₀₄和λ₀₅。当双锥光纤周边环绕物质的折射率改变时，透射谷(或峰)的位置(即相应的波长)亦将产生偏移。本发明人从理论证明：在双锥光纤周边环绕物质折射率小于光纤包层折射率(～1.45)的范围内，透射谷(或峰)相应波长的位移Δλ与环绕物质折射率的变化ΔN成线性关系。图3给出其理论计算曲线，其中取参考波长λ₀＝1535nm，起始折射率N₀＝1.31(相应于坐标原点)。因此，测量透射谷(或峰)相应波长的位移，即可确定周边环绕物质的折射率。如将双锥光纤浸泡于液态物质中，由于溶液的折射率是浓度、温度以及压力等多种物理量的函数，因而利用双锥光纤滤波器透射谱对周边环绕物质折射率变化的敏感性，可实现对浓度、温度及压力等物理量的传感测量。

基于上述理论研究结果，实验证实了双锥光纤透射谷(或峰)相应波长的位移对周边环绕物质折射率变化的线性响应。

为此，本发明提出一种光谱调制型双锥光纤传感器单个参量信号实时检测方法，其特征在于包括以下步骤：

将所述双锥光纤滤波器浸没在已知参量N₀的物质中，选取一个透射谷(或峰)对应的波长λ₀作为参考点进行标定，当被测参量N发生变化时，该参考波长将发生相应的偏移Δλ＝λ-λ₀，通过测量参考波长的偏移量Δλ，即可由(1)式确定被测参量N。