一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统

摘要

本发明请求保护一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤‑微结构光纤流体传感系统，其为一种光纤流体传感系统，包括抛磨光纤、微结构光纤、压力装置、三通管、光纤耦合器、偏振控制器、超连续光源与光谱仪。所述抛磨光纤的抛磨端口与微结构光纤相熔接构成抛磨光纤‑微结构光纤的单侧抛磨结构，抛磨光纤的抛磨区域内嵌于三通管中；光纤耦合器的一端两个接口分别接上抛磨光纤‑微结构光纤结构和偏振控制器，光纤耦合器的另一端两个接口分别接上超连续光源与光谱仪；本发明抛磨光纤抛磨区域的深度灵活可控，通过改变抛磨深度，可控制微结构光纤流体通道层数，影响系统灵敏度特性，且抛磨技术成熟、精度高、成本低，可被广泛应用于光传感领域。

说明书

技术领域

本发明属于光纤流体控制领域，具体涉及一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统。

背景技术

光纤微流体控制技术通过流体循环装置的搭建，使得功能材料能在光纤系统内部流动且在流动的同时与光场发生作用，实现流体材料的实时监测，可广泛应用于生化分析、环境监测等众多领域。

现存市面上的光纤流体传感系统主要有以下结构：将一段端面带有倾角的单模光纤与端面无倾角的空芯光纤(或毛细管)熔接，通过对熔接参数的控制，使熔接处留有缝隙，从而实现流体材料的导入与导出。但光纤带倾角熔接其开口效果依赖于光纤端面抛磨倾角及熔接时的放电量、对准情况等，故稳定性不足，且其开口较小，对流体流速有一定的限制；利用D形PCF结构的流体传感系统，通过将功能材料填充进裸露的通道，实现其特性检测，但是流体通道需要前期镀金属膜，工艺复杂；通过刻蚀光纤表面进出口的微孔，实现了微流体通道，由于通道远离核心，因此检测灵敏度不高，且微加工技术需要高精度的定位，因此难以推广；光子带隙型光纤流体传感系统，无法检测低于纤芯折射率的溶液特性，因此在检测上有一定的局限性。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统。本发明的技术方案如下：

一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统，其包括：包括抛磨光纤(1)、微结构光纤(2)、三通管(3)、压力装置(4)、光纤耦合器(5)、偏振控制器(6)、超连续光源(7)与光谱仪(8)，所述抛磨光纤(1)的抛磨端口与微结构光纤(2)相熔构成抛磨光纤-微结构光纤的单侧抛磨结构，抛磨光纤(1)的抛磨区域内嵌于三通管(3)中，所述三通管(3)两侧平行端分别与抛磨光纤(1)的未抛磨区域和微结构光纤(2)连接，垂直端外接压力装置(4)；所述光纤耦合器(5)的一端两个接口分别接上抛磨光纤-微结构光纤的单侧抛磨结构和偏振控制器(6)，光纤耦合器(5)的另一端两个接口分别接上超连续光源(7)与光谱仪(8)，其中抛磨光纤(1)用于光纤熔接，微结构光纤(2)包层中的空气孔用于充当流体通道，三通管(3)用于流体材料的导入与导出，压力装置(4)用于调节三通管内的压力，光纤耦合器(5)用于光信号的分路与合路，偏振控制器(6)用于调节光信号的偏振态，超连续光源(7)用于发射光信号，光谱仪(8)用于检测光信号。

进一步的，所述抛磨光纤(1)由单模光纤经过侧向抛磨加工制成，抛磨区域的光纤端面呈“D”型。

进一步的，所述抛磨光纤(1)为普通单模光纤进行侧向抛磨，抛磨深度为35um-65um，抛磨长度大于等于1cm。

进一步的，所述微结构光纤(2)为包层分布六角形规则排列空气孔的微结构光纤。

进一步的，所述微结构光纤(2)与抛磨光纤(1)相熔接时，对齐方式为纤芯对接，使抛磨区域对应微结构光纤(2)包层中的空气孔得以露出。

进一步的，所述三通管(3)、抛磨光纤(1)、微结构光纤(2)连接，外接压力装置(4)的各个接口处做密封处理，通过对压力装置(4)进行增压和减压控制，实现流体材料的导入与导出。

进一步的，当将不同折射率的流体材料填充入微结构光纤(2)的空气孔中时，微结构光纤(2)无法满足折射率绝对圆对称的条件，引入了不对称性，得到双折射。

进一步的，将抛磨光纤-微结构光纤接入Sagnac干涉仪，光纤耦合器(5)分离光源入射光产生的相反方向传播的两束光经过传输后，会在出射端输出相干光谱，通过监测干涉峰峰值波长的变化实现对流体材料的折射率、浓度在内的相关物理特性的检测。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明抛磨深度与抛磨形状灵活可控，通过调整抛磨光纤的抛磨形状和深度，可以控制微结构光纤包层中作为流体通道的范围，从而实现选择性填充功能材料，产生不同大小的双折射。

(2)通过对外部压力装置的增压或减压操作，使得流体传感系统易于实现流体材料的更改，且对流体材料的折射率大小没有限制，可以实现不同流体材料的检测。

(3)光纤流体传感系统灵敏度高、制造方便、结构紧凑、损耗小、对环境不敏感，且其抛磨技术成熟、成本低。因此可应用于其他流体材料的折射率、浓度、温度等相关物理特性的检测，可以灵活应用到各种全光器件中。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例抛磨光纤-微结构光纤流体控制结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统示意图；

图3为抛磨光纤与微结构光纤结构立体图；

图4为透射谱随折射率变化的漂移曲线图，图4(a)为具体实施中不同折射率的流体材料的透射光谱，图4(b)为所选观测点的波长随流体材料折射率响应的线性拟合曲线；

其中，1、抛磨光纤；2、微结构光纤；3、三通管；4、压力装置；5、光纤耦合器；6、偏振控制器；7、超连续光源；8、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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于Sagnac干涉仪的抛磨光纤-微结构光纤流体传感系统，其为一种流体控制系统，包括抛磨光纤1、微结构光纤2、三通管3、压力装置4、光纤耦合器5、偏振控制器、超连续光源7与光谱仪8。如图1所示抛磨光纤的抛磨区域内嵌于三通管中，另一端接上微结构光纤，三通管的垂直端外接压力装置；如图2所示，光纤耦合器右端两个接口分别接上抛磨光纤-微结构光纤结构和偏振控制器，光纤耦合器左端两个接口分别接上光源和光谱仪；

所述抛磨光纤是采用轮式机械抛磨法进行侧向抛磨加工制成的，利用夹具将单模光纤两端固定，中间用带砂纸的滚轮轴向研磨去掉部分包层，抛磨区域的光纤端面呈“D”型；最后需进行高压火抛光处理以确保抛磨面平整均匀，从而防止表面细微裂纹引起抛磨区域断裂。其中，抛磨深度采用三维实时对径系统测量值结合传输光的功率损耗值来共同测算以保证其准确可控；抛磨长度由旋转砂轮沿光纤轴向水平运动的距离决定，可以在研磨进程开始前在PC控制机中设置其参数的大小。

所述三通管两侧平行端分别与抛磨光纤的未抛磨区域和微结构光纤相连接，垂直端外接压力装置，各个接口处做密封处理。通过对外接压力装置进行增压或减压操作，即可实现流体材料的导入导出。

抛磨光纤-微结构光纤结构如图3所示，采用纤芯对齐的方式将抛磨光纤与微结构光纤进行熔接，通过改变抛磨光纤的形状及抛磨深度，可以使微结构光纤露出不同位置及数量的空气孔，保证流体材料能充分进入微结构光纤内部不同空气孔中，这种选择性填充流体材料的方式使得微结构光纤无法满足折射率绝对圆对称的条件，引入不对称性，使其得到双折射。将具有双折射的抛磨光纤-微结构光纤接入Sagnac干涉仪后，利用光纤耦合器将光源发出的入射光分为沿顺时针和逆时针传播的两束光，在同一环路内沿反方向传播，当这两束光经过具有较高双折射的抛磨光纤-微结构光纤后，将会以一定的偏振角度在光纤耦合器的出射端相干输出，因光程差而导致干涉条纹的产生。通过监测干涉峰峰值波长的变化可以实现对流体材料的折射率、浓度等相关物理特性的检测。

在实施例中，利用Comsol软件进行理论模拟，设定抛磨光纤的抛磨区域抛磨长度为2cm，抛磨深度为59um，填充的流体材料折射率变化范围率从1.4000增加到1.42626，间隔为0.00202，得到透射谱随折射率变化的漂移曲线如图4所示,波长从955.426357nm向短波方向漂移到了882.48974nm，共移动了72.9366nm。经计算，折射率灵敏度S约为-2777.48nm/RIU。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。