一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法

摘要

本发明公开了一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法。本发明是根据干涉仪输出光谱中参考波长位置处的目标自由光谱范围的大小、阶次与被测折射率的关系，跟踪指定阶次目标干涉谷的波长漂移位置，利用目标干涉谷波长与折射率的关系式计算出开放腔内介质的折射率。本发明克服了现有方法测量范围小的不足，可以实现大折射率范围的测量。此外，由于本发明所观察的波长范围可以出现多个干涉谷，因此在实现大折射率测量范围的情况下，干涉仪的FSR可以较小，从而导致：干涉波谷变得尖锐，提高波谷位置判定的准确性；允许较大尺寸的开放腔，降低传感器的制作难度。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法。

背景技术

光纤折射率传感器具有成本低、耐酸碱腐蚀、传输损耗低、响应速度快、可重复性强以及抗电磁干扰等优点，因此被广泛应用于物理，化学和生物医学等领域，近年来对它的研究也日益活跃。其中，开放式法珀干涉仪传感器具有超高的折射率灵敏度、很好的线性度和较低的温度交叉灵敏度，在微小折射率变化测量领域中具有很高的应用价值。

根据调制方式不同，光纤法珀干涉仪传感器信号处理主要分为强度解调和波长解调。强度解调方法简单，但灵敏度和精度不高、受光源波动影响。在要求高灵敏度的场合，往往采用波长解调。目前常用的波长解调方法有：傅里叶变换法(Pevec S,et al.Highresolution,all-fiber,micro-machined sensor for simultaneous measurement ofrefractive index and temperature.Optics Express,2014)、绝对光程差测量法(Li X,et al.A highly sensitive fiber-optic Fabry-Perot interferometer based oninternal reflection mirrors for refractive index measurement.Sensors,2016)和波长跟踪法(Zhang A P,et al.In-line open-cavity Fabry–Perot interferometerformed by C-shaped fiber fortemperature-insensitive refractive indexsensing.Optics Express,2014)。傅里叶变换法将周期性的干涉谱变换到频域，通过相位的变化来检测被测物的折射率，该方法可以有效解决温度交叉灵敏度的问题，但是折射率灵敏度较小。绝对光程差测量法通过检测某一指定波长附近的自由光谱范围(FreeSpectrum Range，FSR)来直接估算待测物折射率，这种方法虽然测量范围较大，但是测量灵敏度也较低。波长跟踪法通过观察某个干涉谷波长的漂移情况实现折射率的测量，这种方法具有较高的分辨率，但只有一个自由光谱范围的波长测量范围。

对于开放腔法珀干涉仪传感器，当法珀腔内介质折射率发生变化时，梳状干涉谱将发生漂移，干涉谷的波长变化与法珀腔内折射率的变化呈现线性关系，通过检测一定波长范围内的干涉谷漂移，可获得腔内折射率信息。传统的开放腔法珀干涉仪折射率测量通常采用波长跟踪法，要求在腔内折射率发生变化时，波长观察范围内仅出现一个干涉谷，且该干涉谷对应的阶次不能发生变化。该波长观察范围约等于所观察干涉谷在初始折射率条件下所对应的自由光谱范围。由于开放腔法珀干涉仪的折射率灵敏度非常高，而FSR相对较小，因此，传统的波长跟踪方法导致折射率测量范围很小，限制了其应用范围。

发明内容

本发明针对以上问题，根据腔内折射率变化时，某任意波长所处干涉峰的FSR大小、阶次的变化规律，提出一种新型的针对双光束干涉的开放腔法珀干涉仪折射率测量方法，能够在很大的波长范围内，跟踪目标干涉谷的变化，从而极大扩展了折射率的测量范围。

本发明一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法，是根据干涉仪输出光谱中参考波长位置处的目标自由光谱范围的大小、阶次与被测折射率的关系，跟踪指定阶次目标干涉谷的波长漂移位置，利用目标干涉谷波长与折射率的关系式计算出开放腔内介质的折射率；具体步骤如下：先用测量范围内一系列已知折射率的匹配液对开放腔法珀干涉仪进行标定，获取不同折射率下：目标自由光谱范围大小与阶次的关系式、目标干涉谷波长与被测折射率的关系式；然后将该开放腔法珀干涉仪用于实测，根据实测干涉谱中的目标FSR大小确定目标FSR的阶次，从而推断目标干涉谷的位置，最后利用已标定的目标干涉谷波长与折射率的关系式，计算出被测折射率的值。

所述法珀干涉仪为双光束干涉的开放腔结构。

所述参考波长可指定为被测折射率达到测量最小值时法珀干涉仪干涉谱中任意一个干涉谷的波长。

所述参考波长位置处的目标自由光谱范围是指与参考波长短波方向相邻波谷同阶次的自由光谱范围。

所述指定阶次的目标干涉谷定义为被测折射率达到测量最小值时，干涉谱中参考波长短波方向相邻的干涉谷。

本发明的有益效果如下：

(1)极大扩展了开放腔法珀干涉仪传感器的折射率测量范围。

(2)由于同一阶次目标FSR大小与被测折射率呈现线性关系，因此标定过程中，在同一阶次目标FSR对应的折射率范围中，至少采样两点即可完成该部分关系式的拟合，从而大大减少了标定过程中采样点的个数。

(3)由于所观察的波长范围可以出现多个干涉谷，因此在实现大折射率测量范围的情况下，干涉仪的FSR可以较小，从而导致：干涉波谷变得尖锐，提高波谷位置判定的准确性；允许较大尺寸的开放腔，降低传感器的制作难度。

附图说明

图1是双光束干涉开放腔光纤法珀干涉仪结构示意图；

图2a是参考波长与目标FSR的对应关系示意图(参考波长在两干涉谷之间)；

图2b是参考波长与目标FSR的对应关系示意图(参考波长等于某一干涉谷)；

图3是目标FSR大小、阶次与SRI的对应关系；

图4是目标FSR大小和其对应阶次的关系示意图；

图5是实际制作传感器的显微镜照片；

图6是实际制作传感器在去离子水中的干涉谱及参考波长、目标波谷的选择；

图7a是实际制作传感器的标定曲线(目标FSR与SRI的关系曲线)；

图7b是实际制作传感器的标定曲线(目标干涉谷波长与SRI的关系曲线)。

具体实施方式

对本发明涉及的折射率测量方法阐述如下：

一、基础理论

一种开放腔光纤法珀干涉仪的结构如图1所示。图1中的开放腔干涉仪由单模光纤一1、单模光纤二2和另一段光纤3偏芯熔接而成，单模光纤一1、单模光纤二2，光纤3起连接作用，不能遮挡单模光纤一1、单模光纤二2的纤芯。单模光纤一1、单模光纤二2之间未熔接的部分4即为开放式的法珀腔，简称开放腔。单模光纤一1与开放腔介质的交界面构成反射镜一5，开放腔介质与单模光纤二2的交界面构成反射镜二6。当一束光经单模光纤一1传输到反射镜一5时一部分光被反射，记为反射光Ⅰ，其余光透过开放腔到达反射镜二6，再次发生反射。反射镜二6的反射光记为反射光Ⅱ，该束光再次经过开放腔耦合到单模光纤一1的纤芯中，与反射光Ⅰ产生法珀干涉。由于两个反射镜的反射率较低，因此，该干涉仪发生的是双光束干涉，其干涉谱为梳状。根据双光束干涉理论，第m阶干涉谷波长dip_m的表达式为：

式中，n为开放腔内介质折射率，即环境折射率(SRI)；L为开放腔的长度。可见，低阶次的干涉谷波长较大；在L不变的情况下，同一阶次的dip_m与SRI呈线性关系。因此，通过跟踪dip_m的变化，可以实现SRI的测量。

两个相邻干涉谷之间的波长范围称为自由光谱范围(FSR)，第m阶自由光谱范围FSR_m的表达式为：

可见，不同阶次的FSR略有不同；在L不变的情况下，同一阶次的FSR_m与SRI也呈线性关系。实验发现，在C波段范围内，dip_m较FSR_m对SRI更为敏感。

二、本发明的方案设计

在开放腔法珀干涉仪传感器的应用中，为获得较高的折射率灵敏度，通常采用跟踪干涉谷波长变化的方案。若要扩展折射率测量范围，需要扩大波长观察范围，但这将导致在波长观察范围内出现多个干涉谷。因此，如何识别所要跟踪的目标干涉谷是该类传感器扩展折射率测量范围的困难之处。

本发明的方案设计是：通过测量某一指定波长处FSR的大小，获取该FSR的阶数信息，根据该FSR的阶数与目标干涉谷阶数的关系，确定目标干涉谷的位置，利用目标干涉谷与SRI的关系式，计算出SRI。该方法允许在波长观察范围内出现多个干涉谷，因此理论上波长观察范围可扩展到无限大(实际中受到光源输出波长范围的限制)，从而实现大范围的折射率测量。

三、本发明的基本原理

本发明的基本原理实质上是指定波长处FSR的大小和其阶次随SRI的变化规律。为便于表述，将指定波长称为参考波长；参考波长处的FSR称为目标FSR。由参考波长确定目标FSR时有两种情况：一种是参考波长位于两干涉谷之间；一种是参考波长等于某一干涉谷波长。两种情况均以与参考波长左侧(短波方向)相邻的干涉波谷同阶次的FSR为目标FSR。如图2a和图2b所示，点划线为参考波长，虚线为目标FSR。

由于干涉谱随SRI增大发生红移，因此将被测折射率的最小值作为初始折射率，记为n₀，此时所对应的干涉谱为初始干涉谱。取初始干涉谱中任意干涉谷对应的波长为参考波长，将该参考波长短波方向相邻的干涉谷作为目标干涉谷，其阶次定义为m，表示为dip_m(n)，其中n为该干涉谱对应的SRI。初始态下的目标干涉谷波长为dip_m(n₀)，目标FSR为m阶，其大小为FSR_m(n₀)。根据理论推导，目标FSR的大小和阶次与SRI的对应关系如图3所示，其中n_i＝[2m+(2i-1)]n₀/(2m-1)，i＝0,1,2,3…。

可见，随着SRI的增加，存在以下规律：(1)目标FSR对应的阶次逐渐增加；(2)同一阶次的目标FSR大小线性增加；(3)较低阶次的目标FSR的大小和折射率灵敏度均大于较高阶次的目标FSR；(4)某一阶次目标FSR的最大值等于较低一阶目标FSR的最小值；(5)目标FSR的大小与SRI是一一对应的。利用该规律可以得到目标FSR大小与其对应阶次的关系，如图4所示。

实际测量中，可根据如图4所示的目标FSR大小和其对应阶次的关系，确定当前SRI下，目标FSR的阶次，从而确定目标干涉谷dip_m的位置。例如，目标FSR的阶次为m+i(i＝0,1,2…)，则以参考波长短波方向相邻波谷为起点，向长波方向数i个波谷即为目标干涉谷dip_m。

根据以上原理可以实现在波长观察范围内出现多个干涉谷时，对目标干涉谷的连续跟踪，从而实现开放腔折射率测量范围的扩展。

四、本发明的具体步骤

本发明提出的开放腔法珀干涉仪折射率测量方法分为两个步骤：标定与实测。标定的目的是获取开放腔法珀干涉仪的目标FSR大小与阶次的关系式、目标干涉谷波长与被测折射率的关系式。实测中，通过获取目标FSR的大小得到目标FSR的阶次，然后确定目标干涉谷的位置，最后根据目标干涉谷波长与SRI的关系式，计算出被测折射率的数值。

实施例：

根据前述测量方法，制作了一个腔长约为68μm的开放腔法珀干涉仪传感器，其实物显微镜照片如图5所示。

以去离子水中的干涉谱为初始干涉谱，选择1518.84nm处的干涉谷为参考波长，此时的目标干涉波谷dip_m和目标FSR(此时为FSR_m)如图6所示。

在折射率为1.333～1.4RIU范围内进行标定。用该传感器测量折射率范围在1.333～1.4RIU内的21组折射率匹配液，每种匹配液分别测量3次，得到不同SRI下目标FSR和目标干涉波谷dip_m的变化规律，分别如图7(a)和图7(b)所示。取图7(a)中目标FSR三次测量的平均值拟合目标FSR与SRI的关系曲线，可见，同阶次下目标FSR随SRI的增加单调递增，不同阶次下目标FSR随着阶次的增大逐级递减，呈现出阶梯状曲线，这些与理论推导相吻合。同样，取图7(b)中目标干涉波谷dip_m三次测量的平均值拟合目标干涉波谷与SRI的关系曲线。实验结果表明该传感器的折射率灵敏度可达1260.282nm/RIU，线性拟合度达到0.99992，在被测折射率范围内保持良好的线性关系，这与前述理论推导也相符。

利用该标定曲线进行实测，分别将传感头浸入到3种折射率不同的匹配液中，首先测量目标FSR的大小以确定目标干涉谷的位置，然后通过目标干涉谷的中心波长与SRI的关系函数计算出被测匹配液的折射率。表1为实测结果与相对误差，可见平均相对误差仅为9.73×10^-5％，具有较高的准确性。上述测量结果验证了本发明所述方法的有效性。表1实际制作传感器的测量结果与误差

测量组实际值测量值相对误差第一组1.34141.34140139.69×10^-5％第二组1.36451.3645017.33×10^-5％第三组1.39831.398301712.16×10^-5％