申请/专利权人：华南师范大学

申请日：2019-01-31

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109799208B

主分类号：G01N21/45

分类号：G01N21/45

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.06.18#实质审查的生效;2019.05.24#公开

摘要：本发明公开了一种基于分光比可调马赫‑曾德干涉仪的传感器，包括依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。本发明对组成分束器合束器的多模光纤进行去包层处理，并在处理之后的多模光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用多模光纤纤芯与周围环境相互作用，实现分束器合束器的分光比的调制，达到传感的目的。

主权项：1.一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于包括：依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中，出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到光谱分析仪中；所述入射光纤由单模光纤构成，入射光由单模光纤中的纤芯传输进来；所述的分束器与合束器结构相同，均包括裸露的多模光纤纤芯和氧化石墨烯膜，且氧化石墨烯薄膜均匀的涂覆在裸露的多模光纤表面；多模光纤纤芯直径为80μm，长度为2mm；所述调制臂由单模光纤构成，且包括第一调制臂和第二调制臂，以及第一调制臂由单模光纤中的包层组成，第二调制臂由单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等，长度为36mm；所述出射光纤由单模光纤构成；光从单模光纤耦合到多模光纤中，激发出来的高阶模式与氧化石墨烯薄膜发生作用，随着相对湿度的增加，水分子作用于氧化石墨烯薄膜使其有效折射率减小，引发出强烈的倏逝场，有效折射率的变化影响了裸露多模光纤纤芯部分的本征模式激发，耦合进纤芯中的基模以及包层中的高阶传输模式强度发生变化，从而影响干涉理论中的分光比，导致透射光强的对比度增大。

全文数据：一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器技术领域本发明属于光纤传感器领域，尤其涉及一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤传感器。背景技术湿度检测技术在食品加工、仪器制造、建筑以及结构健康监测等领域，发挥着极其重要的作用。目前市场上的电参量传感器如电阻式或电容式传感器，由于测量精度高、响应速度快等优点占据主导地位。但是，在易燃易爆、强电磁干扰等环境下，电参量传感器存在不可克服的本质不安全和稳定性差等缺点，所以寻求本质安全、稳定的传感器具有重要研究意义。光纤传感器是一种光学传感器，与传统电传感器相比，光纤传感器具有敏感度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单等优点，特别适合易燃易爆、强电磁干扰等环境中应用。因此，吸引了国内外诸多科研工作者的探索和研究。目前，已有多种光纤湿度传感器结构，包括聚合物涂层光纤布拉格光栅，涂有聚氯化钴氯化钴的长周期光栅，琼脂糖渗透光子晶体光纤PCF干涉仪，聚乙烯醇涂层PCF，涂有PDDAPolyR-478薄膜的非绝热锥形光纤，HECPVDF水凝胶涂层无芯光纤，涂有CoCl2掺杂的PVA薄膜的U型裸光纤，WS2涂层侧面抛光光纤，酚醛红掺杂PMMA包覆的U型光纤，和琼脂糖凝胶涂层锥形光纤。但是，这些方法所利用的涂层材料是利用水分子对薄膜的渗透能力改变材料折射率的变化，由于这些材料对水分子的渗透性差，会导致基于这些材料的传感器的线性度和可逆性比较差。另外，较差的渗透性会限制水分子的渗透，从而导致这类传感器的灵敏度较低。氧化石墨烯GO因其优异的水溶液加工性、两亲性、表面功能性、表面增强拉曼散射性和荧光猝灭能力而备受关注。GO中的二维原子结构和氧官能团，如羟基、羧基、环氧化物和羰基，使得GO膜超渗透并对水分子具有超吸附性，同时二维结构特点使得GO的电荷载流子电子或空穴密度对环境非常敏感。当GO表面吸附了化学分子，其载流子密度将发生改变，利用GO光频电导率的环境敏感性，可以制作基于GO与光波导消逝波相互作用的光学传感器。将GO与光波导相结合，GO的光频电导率会影响光波导的有效折射率，进而影响到光波导中的传输光场。现有基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，都是通过传感臂感知外界环境，引起参考臂和传感臂之间的相位差，导致干涉仪干涉波谷的波长移动。利用光谱分析仪等波长检测设备，探测波长的变化量，从而反推出外界的湿度变化。由于光谱仪等波长检测设备价格较为昂贵，因此这类传感器的成本较高，其实际应用受到了限制。发明内容本发明旨在提供一个低成本、高灵敏度、高稳定性的光纤传感器，提供了一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其包括依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；入射光纤，用于输入光信号，将宽带光源的输出光传输到传感装置中。分束器，其输入端与入射光纤连接，输出端与调制臂连接，使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器后进入到调制臂中。调制臂，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接，长度大约为36mm。调制臂用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式；合束器，结构与分束器相同，输入端与调制臂连接，输出端与出射光纤连接。出射光纤，将出射信号传输到检测设备中。所述入射光纤由普通单模光纤构成，入射光由单模光纤中的纤芯传输进来。作为一种优选的技术方案，所述的分束器和合束器结构相同，均为裸露的多模光纤纤芯并在其表面涂覆有氧化石墨烯，以实现分光比可调。所述裸露的多模光纤纤芯结构是用氢氟酸溶液腐蚀掉多模光纤105125μm的包层部分，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的多模光纤纤芯直径大约为80μm，长度大约为2mm。所述调制臂由单模光纤构成，且包括第一调制臂和第二调制臂，以及第一调制臂由单模光纤中的包层组成，第二调制臂由单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等。即调制臂的纤芯和包层构成马赫-曾德干涉仪的两个干涉臂。所述出射光纤结构由单模光纤组成。上述光纤传感器由两段多模光纤和三段单模光纤交替熔接而成。当光从单模光纤传播到多模光纤时，单模光纤的本征模式开始衍射，在MMFC内被激发出多个高阶模式，高阶模式的激发受到MMFC有效半径的调节。在多模光纤部分逐渐变细之后，在MMFC表面形成强烈的消逝场，并使外部涂层膜的折射率变化敏感。波导中的“有效”横向尺寸与折射率密切相关，改变纤芯以及环境的有效折射率能够改变波导中的横向模场分布。光信号经入射光纤中传输到分束器中，一部分耦合到第一调制臂，另一部分耦合到第二调制臂当中。在传输距离L之后，由于第一调制臂与第二调制臂之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟。最后，当两部分光经合束器到达出射光纤中时，干涉将发生在出射光纤的纤芯中。输出强度和相位差可表示如下：Icore和Icladding分别是纤芯和包层中传输的光强度，I是输出强度；L是调制臂的长度，Δneff是调制臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于2k+1π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长可以表示为:从等式1中知道输出强度是Icore、Icladding和Δneff的函数。此外，当Δneff变化时，透射谱波谷的波长也将发生偏移。通常，基于MZI的传感器通过测量如上所述的透射谱波谷波长的偏移来获得环境参数。而本发明中，通过MMFC表面的石墨烯感知外界湿度，从而引起Icore和Icladding的变化，最终引起输出强度I的变化。通过测量I的大小，即可反推出环境湿度。涂覆在MMFC表面的氧化石墨烯薄膜作为湿度敏感材料是传感器增敏的重要环节，水分子与氧化石墨烯的结合改变氧化石墨烯的有效折射率，因而可以达到对湿度增强敏感性的作用。MMFC部分覆盖的GO膜层的外表层可被认为是拼接起来的多原子层氧化石墨烯，其在湿度传感中发挥了关键作用。随着相对湿度的增加，GO薄膜将吸收更多的水分子。吸收的水分子将填充GO层的切片，这将导致GO膜直接膨胀，从而改变GO薄膜的有效折射率。另一方面，GO具有p型半导体导电特性，而水分子则是电子的受主，所以水分子在GO表面的吸附会增加GO表面载流子空穴的密度。随着湿度的增加，越来越多的水分子被吸附于GO膜层的表面，GO载流子密度随之增加。然后，GO的费米能级在狄拉克点上增加，这导致带间跃迁的阻滞和导电率的降低。GO膜的有效折射率对化学势μc的变化敏感。电导率σ和GO的μc之间的关系可以通过等式计算。其中e是电子的电荷，kB是玻尔兹曼常数，Τ是环境温度，而是普朗克常数，ω，Γ分别代表传输光的角频率和散射率，为虚数单位，因此，GO膜的有效折射率将随着吸收的水分子的增加而降低。导致MMFC的纤芯有效折射率降低，影响MMFC中本征模式的激发，进而影响分光比导致透射光谱波谷强度的变化。本发明是基于马赫-曾德干涉仪，通过改变两个干涉臂的光强，可以改变干涉仪干涉波谷的强度，通过探测波谷强度的变化，就可以反推出外界湿度的变化。具体来说是对组成分束器合束器的多模光纤进行去包层处理，并在处理之后的多模光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用多模光纤纤芯与周围环境相互作用，即通过改变裸露的多模光纤纤芯部分的有效折射率，使得光波在多模光纤部分的传播模式发生相应的改变，实现分束器合束器的分光比的改变，从而实现最终输出光强度的变化，达到传感的目的。本发明所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性的特点。附图说明图1是本发明实施例基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器的传感头结构示意图；图2是本发明实施例基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器透射谱波谷强度随环境湿度的变化；图3是本发明实施例基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器干涉光谱波谷功率随相对湿度的变化；其中：1、入射光纤；21、氧化石墨烯薄膜；22、分束器；31、第一调制臂；32、第二调制臂；41、氧化石墨烯薄膜；42、合束器；5、出射光纤。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，如图1所示，包括：入射光纤1，该光纤用以输入光信号；分束器22，作为一种优选的技术方案，所述的分束器为裸露的多模光纤纤芯MMFC并涂覆有氧化石墨烯涂层21，多模光纤纤芯直径大约为80μm，长度大约为2mm，其与入射光纤和调制臂连接，使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到马赫-曾德结构中。第一调制臂31与第二调制臂32分别由单模光纤中的包层与芯层组成，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接，长度大约为36mm。用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式。合束器42，作为一种优选的技术方案，所述的合束器为裸露的多模光纤纤芯并涂覆有氧化石墨烯涂层41，多模光纤纤芯直径大约为80μm，长度大约为2mm，其与出射光纤和调制臂连接，使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤结构中。出射光纤5，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。在湿度测量实验中，将所述光纤传感头放入一个封闭的恒温恒湿箱内，湿度箱的温度保持在室温条件下，传感器的输入端连接宽带光源，输出端连接光谱分析仪。图2及图3所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为35％增加到85％。很明显观察到干涉波形波谷的强度变化，这是由于光从单模光纤耦合到多模光纤中，激发出来的高阶模式与氧化石墨烯薄膜发生作用。随着相对湿度的增加，水分子作用于氧化石墨烯薄膜使其有效折射率减小，引发出强烈的倏逝场。有效折射率的变化影响了裸露多模光纤纤芯部分的本征模式激发，耦合进纤芯中的基膜以及包层中的高阶传输模式强度发生变化，从而影响干涉理论中的分光比，导致透射光强的对比度增大。为了获得传感器的敏感度，测量了波长在1567nm处共振谷强度随相对湿度的变化，如图3所示。其中，离散点表示的是光强的变化，而实线则表示对应的线性拟合。从图3可以看出，共振谷强度随相对湿度线性变化，线性灵敏度为0.26dBRH％，相应的线性相关性为98.7％。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于包括：依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中，出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到光谱分析仪中。2.根据权利要求1所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于：所述入射光纤由单模光纤构成，入射光由单模光纤中的纤芯传输进来。3.根据权利要求1所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于：所述的分束器结构与合束器结构相同，均包括裸露的多模光纤纤芯和氧化石墨烯膜，且氧化石墨烯薄膜均匀的涂覆在裸露的多模光纤表面。4.根据权利要求3所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于：所述裸露的多模光纤纤芯结构是多模光纤由氢氟酸溶液腐蚀处理得到。5.根据权利要求1所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于：所述调制臂由单模光纤构成，且包括第一调制臂和第二调制臂，以及第一调制臂由单模光纤中的包层组成，第二调制臂由单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等。6.根据权利要求1所述的基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器，其特征在于：所述出射光纤结构由单模光纤组成。

百度查询： 华南师范大学 一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器

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