基于环形腔衰落的环形芯光纤传感器

摘要

本发明提供的是一种基于环形腔衰落的环形芯光纤传感器。一段具有大直径环形芯光纤的两端分别与两个具有高分光比的1×2光纤耦合器分光比高的一端相连，两个1×2光纤耦合器具有1个端口的一侧彼此互联，进而形成环形腔，脉冲光源和探测器分别与两个1×2光纤耦合器的分光比低的一端相连。环形芯光纤传感部分纤芯距离外界很近，有强的倏逝场，可以通过测量衰荡时间来测得外界液体或气体折射率等环境的变化。该传感器能将光源波动起伏带来的不利影响降低到最小，测量装置结构简单，轻便，灵敏度高，抗干扰能力强，在溶液或气体浓度，温度等传感方面都将有广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于外界环境折射率、气体浓度等传 感测量的环形芯光纤传感器。

背景技术

光腔衰落(CRD,Cavity Ringdown)光谱技术是20世纪80年代末兴起的一种超高灵敏探测 吸收光谱的技术，具有不受光强度波动的影响和响应迅速等特性，因而在制造新一代的光学 压力传感器和传感系统上极具潜力。但是CRD技术为保持光路的准直特性对反射镜的反射率 和位置调整的精度有很高的要求,因而很难实际投入使用。

光纤环形腔衰落技术(FLRD,Fiber Loop Ring Down)是传统CRD技术的发展，该技术最 初是Stewart,et al.在2001年提出来的,最初用于气体浓度的测量。它利用光纤和耦合器构成等 效光反射镜，传输的激光被限制在光纤中，通过测量光强衰减到阀值的时间来探测外部作用 对传输损耗的影响。由于FLRD传感技术所测的物理量为时间，不需要任何光放大设备，不会 引入ASE噪声，因而具有灵敏度高、反应速度快、精确性高、光源功率低，对光源功率稳定性 要求低等优点。还可通过装配不同结构的传感头，实现如压力、温度、张力、折射率、化学 成分等多种传感，在应用上具有较大的灵活性。FLRD的这些特性使得制造新一代的光纤传 感器成为了可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，轻便，灵敏度高，抗干扰能力强的基于环形腔衰 落的环形芯光纤传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一段具有大直径环形芯光纤的两端分别与两个具有高分光比的1×2光纤耦合器分光比高 的一端相连，两个1×2光纤耦合器具有1个端口的一侧彼此互联，进而形成环形腔，脉冲光 源和探测器分别与两个1×2光纤耦合器的分光比低的一端相连。

所述的具有大直径环形芯的光纤是光纤直径为125微米，光纤纤芯形状为环形，纤芯壁 厚为4-8微米，环形芯的外径为80-125微米的光纤，其纤芯折射率n_core大于包层折射率n_clad。

所述的具有大直径环形芯光纤用于传感部分的长度为2-5厘米。

所述的具有大直径环形芯光纤用于传感部分的环形纤芯波导距离外界空气距离小于1微 米。

所述的具有大直径环形芯光纤是外径为80-123微米的光纤，通过化学刻蚀的方法来减薄 光纤的包层，使纤芯裸露于外界。

所述的高分光比1×2光纤耦合器的分光比高于99：1。

所述的具有大直径环形芯光纤与光纤耦合器的连接是通过将具有大直径环形芯光纤的 两端与高分光比1×2光纤耦合器轴心对准直接焊接，然后在焊点处进行熔融拉锥来实现。

所述的具有大直径环形芯光纤与光纤耦合器的连接是通过将具有大直径环形芯光纤的 入射端环形波导处某一点与一个高分光比1×2光纤耦合器光纤纤芯对准焊接，而具有大直径 环形芯光纤出射端则与另一个高分光比1×2光纤耦合器光纤轴心对准直接焊接，然后在焊点 处进行熔融拉锥来实现。

所述的具有大直径环形芯光纤传感部分增镀一层敏感膜。提高系统的灵敏度。

环形芯光纤传感部分纤芯距离外界很近，有强的倏逝场，可以通过测量衰荡时间来测得 外界液体或气体折射率等环境的变化。该传感器能将光源波动起伏带来的不利影响降低到最 小，测量装置结构简单，轻便，灵敏度高，抗干扰能力强，在溶液或气体浓度，温度等传感 方面都将有广泛的应用。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、利用环形芯光纤纤芯表面作为传感探头部分，由于其倏逝场透出的能量更均匀，传 感面积更大，使得传感器的灵敏度更高；

2、利用光纤环形腔衰荡技术使得测量获取数据更方便，利用两个耦合器就能实现，价 格更加便宜，性价比高；

3、大直径环形芯光纤当纤芯裸露于外界时，其敏感于外界温度、弯曲、压力、折射率等 多种变化，在其表面做化学或物理修饰也比较方便，使得这种基于环形腔衰落的环形芯光纤 传感器能变化多样，有较广的应用范围。

附图说明

图1是基于环形腔衰落的环形芯光纤传感器结构图；

图2（a）是环形表面芯光纤的横截面示意图；图2（b）是环形芯外径小于125微米时 环形芯光纤横截面示意图；

图3是环形表面芯光纤和单模光纤端面轴心对准焊接示意图；

图4是环形表面芯光纤和单模光纤轴心对准焊接后拉锥示意图；

图5是环形芯外径小于125微米时环形芯光纤腐蚀程序示意图；

图6是利用环形芯外径小于125微米时环形芯光纤用作传感单元及其与单模光纤耦合 示意图；

图7是环形表面芯光纤纤芯外侧增镀一层敏感膜结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本方案为：基于环形腔衰落效应的环形芯光纤传感器是由一段具有大直径环 形芯光纤1的两端1-1和1-2分别与两个具有高分光比的1×2光纤耦合器2、3分光比高的 一端2-2、3-2相连，两个1×2光纤耦合器具有1个端口的一侧2-3和3-3彼此互联，进而形 成环形腔，脉冲光源4和探测器5分别与两个1×2光纤耦合器的分光比低的一端2-1和3-1 相连构成。高分光比1×2光纤耦合器的分光比至少要高于99：1。具有大直径环形芯的光纤 是一种光纤直径为125微米，光纤纤芯形状为环形，纤芯6壁厚为4-8微米，环形芯6的外 径为80-125微米的特种光纤，其用于传感部分的长度为2-5厘米，传感部分的环形纤芯波导 6距离外界空气距离小于1微米。若环形芯6外径为80-123微米的光纤，可以通过HF酸等化 学刻蚀的方法来减薄光纤的包层7，使纤芯波导6距离外界空气距离小于1微米，尽可能的 裸露于外界，来尽可能增加光纤的倏逝场，进而提高系统的灵敏度。基于环形衰荡腔的环形 芯光纤传感器，其工作原理是当窄脉冲激光光源4从2-1端注入，且脉冲宽度小于光在腔内 运动一周所需的时间，入射光每经过一次环形芯光纤其输出端的光强度会有由于环形芯光纤 强的倏逝场而衰减，光强将随时间呈指数下降，进而可测量系统的衰减时间，衰减时间会由 于传感探头周围的物质变化而改变，进而得出相应的待测量的变化。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例1：

结合图1-图4，一种基于光纤环形腔衰荡的表面环形芯光纤传感器传感单元是一段长3 厘米的环形芯6外径为125微米的环形表面芯光纤1，其两端1-1和1-2分别与两个分光比为 99.0：1.0的1×2光纤耦合器2、3分光比为99.0的一端2-2、3-2相连，两个1×2光纤耦合器 具有1个端口的一侧2-3和3-3彼此互联，从而形成环形腔。脉冲光源4和探测器5分别与 两个1×2光纤耦合器的分光比为1.0的一端2-1和3-1相连。其中环形芯光纤1与光纤耦合器 2和3的连接是通过将环形芯光纤1的两端1-1和1-2与耦合器光纤3-2和2-2轴心对准直接 焊接（图3），然后在焊点处进行熔融拉锥(图4)，通过锥形过渡区8来实现能量耦合。当光 源4由一端注入，另一端由光电探测器5和示波器探测并显示出射光强度随时间的变化，进 而测量其衰减时间，若把传感单元置于食盐水中，当食盐水的浓度变化时，液体折射率便会 变化，此时探测器观测到的光衰减值和所测到的衰减时间将会随着传感单元周围折射率的变 化而变化，根据测量的衰减时间便会很容易得到未知浓度的食盐水的折射率及其浓度。

实施例2:

结合图1、图5和图6，一种基于光纤环形腔衰荡的环形芯光纤传感器传感单元是一段环 形芯6外径为100微米的环形芯光纤1，其两端1-1和1-2分别与两个分光比为99.0：1.0的 1×2光纤耦合器2、3分光比为99.0的一端2-2、3-2相连，两个1×2光纤耦合器具有1个输 出端口的一侧2-3和3-3彼此互联，从而形成环形腔。脉冲光源4和探测器5分别与两个1×2 光纤耦合器的分光比为1.0的一端2-1和3-1相连。其中环形芯光纤1的出射端1-2与耦合器 2的光纤2-2端是通过轴心对准直接焊接，然后在焊点处进行熔融拉锥，利用锥形过渡区8 来实现能量耦合；而环形芯光纤1的入射端1-1与耦合器3的光纤3-2端是利用将光纤3-2的 纤芯对准环形芯光纤环形波导处某一点10，然后进行焊接实现能量耦合的(图6)。外径为100 微米的环形芯光纤1利用氢氟酸将其外包层7腐蚀到100微米，腐蚀长度为2厘米。当光源 4由一端注入，另一端由光电探测器5和示波器探测并显示出射光强度随时间的变化，进而 测量其衰减时间，若把传感单元置于气室中，当气体浓度变化时，气体折射率也会变化，此 时探测器观测到的光衰减值和所测到的衰减时间将会随着传感单元周围气体浓度的变化而变 化，根据测量的衰减时间便会很容易得到未知浓度的气体浓度。

实施例3：

结合图1和图7，种基于光纤环形腔衰荡的环形芯光纤传感器，与实施例1不同的是， 在环形表面芯的传感部分的表层镀一层薄薄的金属膜或介质膜9来增加传感器的灵敏度。