一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器，包括微芯光纤，其特征在于：所述微芯光纤外径为120～170微米，设置在中心的内芯直径为0.5～3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，所述空气圆孔的半径为4～20微米；在内芯中写入布拉格光栅结构：光栅周期为5～500nm，周期数为20～300；所述微芯光纤的两端熔接标准光纤，连接各种光学仪器。该传感器具有更高的近场传感灵敏度，可以实现对微纳尺度下介质折射率微变量的实时传感和检测，在微纳尺度下的气体、液体的折射率传感，生物光子传感以及脉冲压缩、波长变换等种微纳光子器件的研究中有着巨大的应用潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅、微结构光纤和微纳光学技术领域，具体涉及一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法。

背景技术

微芯光纤是一种新颖的光纤结构，它的纤芯部分是由中心0.5～3微米的二氧化硅微芯以及微芯周围半径为5～20微米的空气圆孔构成，微芯的表面粗糙度可以低至原子量级，直径非常均匀，光传输损耗远远小于其他类型的亚波长尺度光波导，该微芯表现出强光场约束、大比例倏逝波、高非线性等特性，在微纳光子器件、光子传感、非线性光学和原子波导等方面具有潜在的应用价值。相比于普通亚波长尺度光波导线，微芯光纤具有较高的机械强度和稳定性，可应用于对微纳尺度下各种微小变化量的高灵敏度近场传感。

光纤布拉格光栅是利用分振幅干涉、紫外相位模板、准分子激光逐点写入等方法，使具有光敏特性的单模光纤纤芯折射率的呈周期性变化，在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。

由于现有报道中，基于普通光纤的布拉格光栅传感器，其光栅结构位于单模光纤的纤芯中，纤芯被周围的包层和涂覆层材料包裹，在光栅中传输的光场被约束在纤芯中，无法与外界物质作用，使得普通光纤布拉格光栅传感器主要用于位移、速度、加速度、温度等参数的测量，无法实现高灵敏度的折射率传感，而在微芯光纤中，光是以大比例倏逝波的形式在二氧化硅微芯表面传输、因此这样的倏逝波光场就有机会与周围空气孔的介质相互作用，从而在微芯中写入的布拉格光栅结构就能实现对周围介质折射率微变量的传感。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法，该传感器具有更高的近场传感灵敏度，可以实现对微纳尺度下介质折射率微变量的实时传感和检测，在微纳尺度下的气体、液体的折射率传感，生物光子传感以及脉冲压缩、波长变换等种微纳光子器件的研究中有着巨大的应用潜力。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器，包括微芯光纤，其特征在于：所述微芯光纤外径为120～170微米，设置在中心的内芯直径为0.5～3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔的半径为4～20微米；在内芯中写入布拉格光栅结构：光栅周期为5～500nm，周期数为20～300；所述微芯光纤的两端熔接标准光纤，连接各种光学仪器。

一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①选用微芯光纤的标准：外径为120～170微米，设置在中心的内芯直径为0.5～3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔的半径为4～20微米；

②通过将上述微芯光纤进行载氢处理，使得内芯具有光敏特性，利于光纤布拉格光栅的写入；

③利用准分子激光和相位掩膜法在内芯上一次性写入布拉格光栅结构，光栅周期为5～500nm，周期数为20～300；

④将步骤③所得到的微芯光纤布拉格光栅两端通过加热熔接与标准光纤连接，以用于连接各种光学仪器。

本发明利用微芯光纤作为基底，纤芯部分由二氧化硅材料(内芯)和空气圆孔构成，微芯光纤的外径为120～170微米，内芯直径为1～3微米周围的空气圆孔半径为4～20微米，通过准分子激光和掩膜投影成像的方法在微芯光纤的纤芯上写入布拉格光栅结构，其光栅周期为5～500nm，周期数为20～300，光在微芯光纤中以大比列的倏逝波形式传输，在其表面传输的倏逝波与周围空气孔的待测介质相互作用，可以改变光在微芯中传输时有效折射率，从而使微芯上布拉格光栅的反射波长发生变化，实现对空气孔中介质折射率变化的高灵敏传感。与普通光纤光栅传感器相比，此种微芯光纤布拉格光栅传感器具有更高的近场传感灵敏度，可以实现对微纳尺度下介质折射率微变量的实时传感和检测。

本发明首次提出将微芯光纤与布拉格光纤光栅结构相结合，通过准分子激光和掩膜投影成像的方法在微芯光纤的纤芯上写入布拉格光栅结构，使其构成一种波长测量型的近场倏逝波折射率传感器，该传感器在微纳尺度下的气体、液体的折射率传感，生物光子传感以及脉冲压缩、波长变换等种微纳光子器件的研究中有着巨大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明的结构简图；

图2是微芯光纤的纤芯结构显微图；

图3是微芯光纤写入布拉格光栅过程示意图；

图4是微芯光纤布拉格光纤光栅结构的折射率传感装置简图；

图5是微芯光纤布拉格光纤光栅的折射率传感效应简图。

其中，1、微芯光纤外径部分，2、二氧化硅内芯，3、空气圆孔，4、布拉格光栅，5、准分子激光器，6、隔离器，7、准直透镜，8、CCD，9、分光器，10、相位模板，11、聚焦透镜，12、微动台，13、微芯光纤，14、电脑，15、空气微孔中的介质。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1和图2所示，此种微芯光纤布拉格光纤光栅折射率传感器的结构参数如下：微芯光纤的外径为120～170微米，中心二氧化硅内芯直径为1～3微米，内芯周围的空气圆孔的半径为4～20微米；在内芯中写入光栅周期5～500nm，周期数为20～300。该微芯光纤布拉格光栅的两端可以熔接标准光纤，用于与各种光学仪器相连。

微芯光纤布拉格光栅写入过程原理如图3所示：准分子激光器5发出的激光通过准直后照射到掩膜板10，透过模板后的激光聚焦到微芯光纤的纤芯，在二氧化硅的内芯2上写入布拉格光栅4。

如图3所示，制备系统结构包括：准分子激光器5、隔离器6、准直透镜7、CCD 8、分光器9、相位模板10、聚焦透镜11、微动台12、微芯光纤13、电脑14。制备的基本过程为，微芯光纤通过光纤夹具固定在三维微动台上，准分子激光器发出的激光通过光隔离器后被准直后照射到掩膜板上，通过相位模板的激光在空间形成周期性的能量分布，这样能量周期分布的激光再通过一个聚焦透镜后照射到微芯光纤的内芯，从而在二氧化硅的内芯上写入布拉格光栅结构。激光写入次数和三维微动台可以通过电脑精确控制，CCD可用于实时监测光栅周期分布和写入情况。

该微芯光纤布拉格光栅的制备参数如下：制作微芯光纤布拉格光栅所采用的准分子激光波长为248nm，单脉冲能量＞10mJ，重复频率为1KHz。所使用的微芯光纤外径为160微米，二氧化硅内芯直径为1.6微米，空气圆孔半径为6微米。写入布拉格光栅周期为50nm，周期数为100。

实施例1

利用外径为160微米，二氧化硅内芯直径为1.6微米，空气圆孔半径为6微米的微芯光纤，微芯光纤两端通过熔接后与标准单模光纤连接，然后利用光纤夹具固定在三维微动台上。通过电脑精确控制三维微动台，是微芯光纤移动到准分子激光的光场范围内。调节准分子激光器，使激光器发出单脉冲能量为10MJ，重复频率达到1KHz。准分子激光器发出的激光通过光隔离器后被准直后照射到掩膜板上，通过相位模板的激光在空间形成周期性的能量分布，然后再通过一个聚焦透镜后照射到微芯光纤的内芯，从而在二氧化硅的微芯上写入布拉格光栅结构。该布拉格光栅周期为50nm，周期数为100，相应布拉格波长的光强反射率＞80％.相对抑制比＞13dB，通过该方法构成的微芯光纤布拉格光栅结构可以作为一种高灵敏度和高精度的折射率传感器。图5是微芯光纤布拉格光纤光栅的折射率传感效应简图。

上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护范围。