一种光纤多元参量检测系统及方法

摘要

本发明提出了一种光纤多元参量检测系统及方法，由光源、环形器、光纤探针传感器、和光谱仪构成，其中，能在不改变待测物质性质的前提下将光纤探针传感器植入到待测物质内部，通过单次检测单个光纤端面泄漏模谐振的谐振波长和谐振强度变化情况，就可以得到光纤探针传感器周围的体参量即体折射率和面参量即表面介质层厚度的变化，即单次检测单个谐振峰就能同时得到光纤探针传感器周围待测物质中的多元参量。相比于现有的多通道、多次测量等传感技术，本发明的光纤多元参量检测系统实现了体参量和面参量的同时测量，提高了对待测物质的动态变化进行检测的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤多元参量检测系统及方法。

背景技术

为减小光纤传感系统的器件体积，提高设备的便携性，近年来光纤端面或光纤锥型端面传感方案受到关注，主要包括基于光纤端面贵金属纳米结构的表面等离子体共振、基于光纤端面介质纳米结构的光子晶体共振、基于光纤端面高低折射率周期介质结构的布洛赫共振等方案。相比于传统的光纤侧壁传感结构，光纤端面传感方案在减小器件尺寸、压缩谐振峰带宽、降低传感分辨率等方面均展现出一定优势。然而，物质间相互作用往往会导致光纤传感器件周围体环境与光纤传感器件表面环境多元参量的同时变化，表现为体环境折射率和面环境表面介质层厚度的同时变化。然而，目前报道的光纤传感技术主要面向外界环境体折射率测量，难以实现体、面参量同时区分测量，即传感信号不可避免地受到表面参量变化的影响。因此，发展能同时区分测量体、面参量变化的微型化高灵敏光纤传感器有重大需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤多元参量检测系统及方法，实现了体参量和面参量变化的同时测量，提高了对待测物质变化检测的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光纤多元参量检测系统，包括：光源、环形器、光纤探针传感器和光谱仪

所述光源与所述环形器的第一端口连接，用于将所述光源的输出光波传输到所述环形器中；

所述光纤探针传感器的首端与所述环形器的第二端口连接，所述光纤探针传感器的末端植入在待测物质中；所述环形器的第二端口的输出光波为所述光纤探针传感器的输入光波；所述输入光波在所述光纤探针传感器的末端产生泄漏损耗，即激发光纤端面泄漏模，剩余光波为反射光波，所述反射光波沿所述光纤探针传感器反射回到所述环形器中；

所述光谱仪与所述环形器的第三端口连接，所述光谱仪用于：获取所述反射光波，检测所述反射光波的谐振波长和谐振强度；根据所述谐振波长的变化确定所述待测物质的面参量，所述面参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器端面的介质层厚度；根据所述谐振强度的变化确定所述待测物质的体参量，所述体参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器周围的体折射率。

可选地，在需要进行偏振特性分析时，所述多元参量检测系统还包括：偏振控制器；

所述偏振控制器设置在所述光源和所述环形器的第一端口之间，所述光源与所述偏振控制器的输入端口连接，所述偏振控制器的输出端口与所述环形器的第一端口连接；所述偏振控制器用于将所述光源的输出光波转换为线偏振光并传输到所述环形器中。

可选地，所述偏振控制器包括：起偏器和检偏器；

所述起偏器用于将所述光源的输出光波转换为线偏振光；所述检偏器用于控制所述线偏振光的偏振方向。

可选地，所述光纤探针传感器包括：光纤和涂覆在所述光纤端面的微纳米薄膜；

所述光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯表面的包层；

所述微纳米薄膜用于，在所述待测物质发生动态变化时，与所述待测物质相互作用，会对应地改变所述介质层厚度。

可选地，所述微纳米薄膜为介质材料、金属材料、金属氧化物材料、半导体材料、二维材料和复合材料中的一种或多种。

可选地，所述光纤为单模光纤、少模光纤、多模光纤、微纳光纤和无芯光纤中的一种。

可选地，所述光纤探针传感器还包括：若干层保护层；所述若干层保护层设置在所述包层外表面。

对应于前述的光纤多元参量检测系统及方法，本发明还提供了一种光纤多元参量检测方法，包括：

通过所述光谱仪得到谐振波长和谐振强度；

根据所述光谱仪得到的所述谐振波长的变化，确定所述待测物质的面参量；所述面参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器端面的介质层厚度；

根据所述光谱仪得到的所述谐振强度的变化，确定所述待测物质的体参量；所述体参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器周围的体折射率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种光纤多元参量检测系统及方法，包括：光源、环形器、光纤探针传感器和光谱仪；光源与环形器的第一端口连接，用于将光源的输出光波传输到环形器中；光纤探针传感器的首端与环形器的第二端口连接，光纤探针传感器的末端植入在待测物质中；环形器的第二端口的输出光波为光纤探针传感器的输入光波；输入光波在光纤探针传感器的末端产生泄漏损耗，即激发光纤端面泄漏模，剩余光波为反射光波，反射光波沿光纤探针传感器反射回到环形器中；光谱仪与环形器的第三端口连接，光谱仪用于：获取反射光波，检测反射光波的谐振波长和谐振强度；根据谐振波长的变化确定所述待测物质的面参量，面参量为待测物质在光纤探针传感器端面的介质层厚度；根据谐振强度的变化确定所述待测物质的体参量，体参量为待测物质在光纤探针传感器周围的体折射率。本发明提供的光纤多元参量检测系统，能在不改变待测物质性质的前提下将光纤探针传感器植入到待测物质内部，当待测物质发生动态变化时，通过单次检测光谱仪中光纤端面泄漏模的谐振波长和谐振强度变化情况，就可以得到光纤探针传感器周围的体参量体折射率和面参量介质层厚度的变化，即单次检测就可以同时得到光纤探针传感器周围待测物质中的多元参量，相比于现有的多通道、多次测量等传感技术，本发明的检测系统实现了体参量和面参量变化的同时测量，提高了对物质的动态变化进行检测的效率。

另外，本发明提供的检测系统中采用的光纤探针传感器包括光纤和涂覆在光纤端面的微纳米薄膜，相较于传统方案，保证了光纤结构的完整性，机械强度与稳定性好，具有微型化的优势，易于批量生产。同时，光纤探针传感器敏感区域尺寸仅在微纳米级别，可在微纳米级别的微环境内实现精准单点测量，同时能大幅减少待测试剂或样品的用量。

在进一步的方案中，微纳米薄膜材料的选择范围广，根据应用需求，可灵活选用介质材料、金属材料、金属氧化物材料、半导体材料、二维材料和复合材料中的一种或多种用于产生光纤端面泄漏模谐振，适用领域广。同时检测系统的输入信号和传感信号均在低损耗的全光纤结构中传输，光路简单，非常适用于远程在线原位检测，进一步结合波分、时分等信息处理技术以及薄膜材料的特异性响应特性，能方便地实现多点分布式特异性传感组网。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种光纤多元参量检测系统的示意图；

图2为本发明实施例1中光纤探针传感器的结构原理图；

图3为本发明实施例2提供的一种光纤多元参量检测方法的流程图；

图4(a)为本发明实施例2中入射角和反射率、透射率的关系图；

图4(b)为本发明实施例2中光纤探针传感器的反射谱；

图5为本发明实施例2光纤探针传感器(二氧化钛薄膜情况下)的体环境传感特性图；

图6为本发明实施例2光纤探针传感器(二氧化钛薄膜情况下)的面环境传感特性图；

图7为本发明实施例2光纤探针传感器(氟化镁薄膜情况下)的体环境传感特性图；

图8为本发明实施例2光纤探针传感器(氟化镁薄膜情况下)的面环境传感特性图。

符号解释：1：光源；2：偏振控制器；21：起偏器；22：检偏器；3：环形器；4：光纤探针传感器；41：纤芯；42：包层；43：微纳米薄膜；44：光纤纤芯模；45：光纤端面泄漏模；5：待测物质；51：体环境；52：面环境；53：待测物质分子；6：光谱仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光纤多元参量检测系统及方法，实现了体参量和面参量变化的同时测量，提高了对待测物质变化检测的效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例提供了一种光纤多元参量检测系统，如图1所示，多元参量检测系统包括：光源1、环形器3、光纤探针传感器4和光谱仪6；

所述光源1与所述环形器3的第一端口连接，用于将光源的输出光波传输到所述环形器3中；

所述光纤探针传感器4的首端与所述环形器3的第二端口连接，所述光纤探针传感器4的末端植入在待测物质5中；所述环形器3的第二端口的输出光波为所述光纤探针传感器4的输入光波；所述输入光波在所述光纤探针传感器4的末端产生泄漏损耗，即激发光纤端面泄漏模，剩余光波为反射光波，所述反射光波沿所述光纤探针传感器4反射回到所述环形器3中；所述待测物质5中包括若干个待测物质分子53；

所述光谱仪6与所述环形器3的第三端口连接，所述光谱仪6用于：获取所述反射光波，检测所述反射光波的谐振波长和谐振强度；根据所述谐振波长的变化确定所述待测物质5的面参量，所述面参量为所述待测物质5在所述光纤探针传感器4端面的介质层厚度；根据所述谐振强度的变化确定所述待测物质5的体参量，所述体参量为所述待测物质5在所述光纤探针传感器4周围的体折射率。

为了使检测系统能够适应不同分析试验，如在需要进行偏振特性分析时，所述光纤多元参量检测系统还包括：偏振控制器2；

所述偏振控制器2设置在所述光源和所述环形器3的第一端口之间，所述光源1与所述偏振控制器2的输入端口连接，所述偏振控制器2的输出端口与所述环形器3的第一端口连接；所述偏振控制器2用于将所述光源的输出光波转换为线偏振光传输到所述环形器3中。

本实施例中的偏振控制器2包括：起偏器21和检偏器22；

起偏器21用于将所述光源的输出光波转换为线偏振光；所述检偏器22用于控制所述线偏振光的偏振方向。

在本实施例中，光纤探针传感器4包括：光纤、和涂覆在所述光纤41端面的微纳米薄膜43；

所述光纤包括纤芯41和包覆在所述纤芯41表面的包层42；

所述微纳米薄膜43用于，在所述待测物质5发生动态变化时，与所述待测物质5相互作用，会对应地改变所述介质层厚度。

光纤探针传感器4中的微纳米薄膜可以为介质材料、金属材料、金属氧化物材料、半导体材料、二维材料和复合材料中的一种或多种。

光纤探针传感器4中的光纤可以为单模光纤、少模光纤、多模光纤、微纳光纤和无芯光纤中的一种。

为了保障光纤探针传感器4内部纤芯41和包层42不被待测物质5腐蚀损坏，光纤探针传感器4还包括：若干层保护层；所述若干层保护层设置在所述包层42外表面。

如图2所示，利用光纤探针传感器4进行多元参量检测的原理为；

光源1的输出光依次通过偏振控制器2(偏振控制器2为可选元件)和环形器3后入射至光纤探针传感器4的纤芯41内，即激发光纤纤芯模44；光纤纤芯模44在纤芯41和包层42的分界面发生多次全反射后，以入射角为θ传输至纤芯41和微纳米薄膜43的分界面；由于纤芯41和包层42界面全反射的限制，入射角θ非常小，导致只有特定波长即谐振波长处的光纤纤芯模44的能量才能泄漏或耦合至微纳米薄膜43和待测物质5内，即激发光纤端面泄漏模45，其模场主要分布于待测物质5内；因在谐振波长处光纤纤芯模44的能量泄漏，在光纤探针传感器4的反射光谱中的谐振波长处出现相应的光纤端面泄漏模谐振。

将光纤探针传感器4植入至待测物质5内部；当光纤探针传感器4周围微环境内的待测物质5发生动态变化时，会引起光纤探针传感器4周围的体环境51的特征参量即体折射率发生变化；同时，待测物质5与光纤探针传感器4的面环境52之间的相互作用，如沉积、分子键合、溶解等，会导致面环境52的特征参量即介质层厚度发生变化；体参量和面参量变化的共同作用会引起光谱仪6中光纤端面泄漏模谐振的特征参量，包括谐振波长和谐振强度的变化，通过监测光纤端面泄漏模谐振的特征参量的变化，即可实现对体参量和面参量的实时监测。

实施例2：

如图3所示，对应于实施例1所提供的一种光纤多元参量检测系统，本实施例提供了一种光纤多元参量检测方法，包括以下步骤：

A1、通过光谱仪得到光纤端面泄漏模谐振的谐振波长和谐振强度。

A2、根据所述谐振波长，确定所述待测物质的面参量；所述面参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器端面的介质层厚度。

A3、根据所述谐振强度，确定所述待测物质的体参量；所述体参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器周围的体折射率。

为了使检测系统能够适应不同分析试验，如在需要进行偏振特性分析时，在所述光源和所述环形器的第一端口之间还设置有偏振控制器，光纤多元参量检测方法，包括以下步骤：

B1、通过偏振控制器向环形器的第一端口输入线偏振光，并通过光谱仪得到谐振波长和谐振强度。

B2、根据所述光谱仪得到的所述谐振波长的变化，确定所述待测物质的面参量；所述面参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器末端的介质层厚度。

B3、根据所述光谱仪得到的所述谐振强度的变化，确定所述待测物质的体参量；所述体参量为所述待测物质在所述光纤探针传感器周围的体折射率。

通过监测光纤端面泄漏模谐振的特征参量的变化，即可实现对体参量和面参量的实时监测的原理包括：体环境的变化会引起光纤端面泄漏模谐振的谐振强度变化、而谐振波长保持稳定，通过监测光谱仪中光纤端面泄漏模谐振的谐振强度变化，即可获取体环境的特征参量即体折射率的动态变化信息。而面环境的变化会引起所述光纤端面泄漏模谐振的谐振波长发生漂移、而谐振强度基本保持稳定，通过监测光谱仪中光纤端面泄漏模的谐振波长的变化，即可获取面环境的特征参量即介质层厚度的动态变化信息。

下面结合几个具体的例子，来说明本发明通过监测光纤端面泄漏模的特征参量的变化，实现对体参量和面参量的实时监测的原理：

第一个例子利用包括光源、环形器、光纤探针传感器和光谱仪的多元参量检测系统来进行试验，光源的输出光谱范围为0.4μm至2.0μm。

光纤探针传感器包括多模光纤和涂覆在光纤端面的高折射率二氧化钛薄膜，其中，多模光纤型号为Thorlabs公司的FT200EMT多模光纤，光纤和包层的直径分别为200μm和225μm，二氧化钛薄膜的厚度为400nm。

待测物质周围微环境由体环境和面环境构成，其中，体环境为液体状态，初始体折射率为1.315，并增大至1.355，即对应体参量的动态变化，面环境为二氧化钛薄膜表面的介质层，其介质层厚度从0nm增大至20nm，即对应面参量的动态变化。

图4为不考虑偏振控制器时光纤-二氧化钛薄膜界面的反射率和面环境-体环境界面的透射率。如图4(a)所示，入射角大于约61°时会发生全反射，即光纤纤芯模会在二氧化钛薄膜内激发传导模(传统的表面等离子体共振和损耗模共振均是在全反射区域产生)，反之，则激发泄漏模，体现为反射率快速减小、透射率快速增大，即光纤纤芯模的能量泄漏至体环境内。

对于实际的FT200EMT多模光纤，由于光纤纤芯-包层界面全反射的限制，实际入射角θ的范围为0°≤θ≤θ

图5为光纤探针传感器(二氧化钛薄膜情况下)的体环境传感特性。如图5(a)所示，体环境的特征参量即体折射率的增大(从1.315增大至1.355)引起了所有光纤端面泄漏模谐振强度的持续增大，说明有更多的光纤纤芯模泄漏至体环境内。图5(b)给出了前三个光纤端面泄漏模谐振强度随体折射率的详细变化过程，在谐振强度增大的过程中，谐振波形保持不变；同时谐振波长λ

图6为光纤探针传感器(二氧化钛薄膜情况下)的面环境传感特性。如图6(a)所示，面环境的特征参量即介质层厚度的增大(从0nm增大至20nm)导致所有光纤端面泄漏模谐振波长λ

综合图5和图6关于体环境和面环境的传感特性可知，第一个谐振峰的介质层厚度变化引起较大的谐振波长变化、而谐振强度变化非常小，即具有最小的体环境和面环境交叉敏感。即第一个光纤端面泄漏模的谐振变化同时具有最高体环境传感灵敏度和最高的面环境传感灵敏度，且具有最小的体环境和面环境交叉敏感，这清晰地说明仅使用一个光纤端面泄漏模谐振就能同时实现体参量和面参量的高灵敏区分测量。

另一个例子中的光纤探针传感器包括多模光纤和涂覆在光纤端面的低折射率氟化镁薄膜，其中，氟化镁薄膜的厚度为260nm，其余元器件与上一个例子一致。

图7为光纤探针传感器(氟化镁薄膜情况下)的体环境传感特性。图7(a)为光纤探针传感器的反射光谱随体环境特征参量即体折射率的变化过程，光谱中产生了两个光纤端面泄漏模谐振，分别标注为1

图8为光纤探针传感器(氟化镁薄膜情况下)的面环境传感特性。如图8(a)所示，面环境的特征参量即表面介质层厚度的增大(从0nm增大至10nm)引起所有光纤端面泄漏模谐振波长λ

本文中应用了具体个例，但以上描述仅是对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域的技术人员应该理解，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。