光纤传感器折射率研究分析电子信息专业.doc

1引言 光纤传感器保持数字的优势传统电传感器。前者是廉价的，紧凑，重量轻，抗电磁干扰。这导致在生化传感应用光纤传感器的需求量很大。近年来，光纤的折射率（RI）传感器已经吸引了很多的关注，因为你是有用的在许多领域包括环境监测，生物医学传感。两个光纤布拉格光栅（FBG）和长周期的光栅（LPGS）已被用于在RI光纤传感器。基于RI传感器的光纤光栅，光纤光栅是经常蚀刻或抛光的增益制导模式的倏逝场进入包围被测材料[ 1-3 ]。随着光纤光栅型RI传感器相比，基于LPG [4-7]传感器更适用的因为他们的内在耦合机制。一种基于法布里-佩罗特RI传感器（F-P）干涉仪也有报道[ 8 ]。这种传感结构，利用对干涉条纹测量日最大对比的变化。法朗兹ã[ 9 ]提出了一种基于高双折射仪蚀刻的D型光纤环镜。RI测量倏逝场增加了使用蚀刻的D型结构纤维的基于光子晶体光纤的折射，也提出了[ 10 ]。然而，这些折射仪的测量原理是利用波长位移来检测外部RI变化，这是面对温度交叉敏感的一个大问题。因此，温度补偿是必要的。同时，所获得的灵敏度在RI传感结构，这是以前的报告不够高。因此，光纤折射仪可以在没有额外的温度补偿部分需要实现高灵敏度的实际应用中是可取的。 在这项工作中，一个传感头组成的光纤环镜上刻有高双折射光子晶体光纤（高双折射光子晶体光纤）提出并被实验验证了。高双折射光子晶体光纤是完全倒塌的剪接点附近，因此在高双折射光子晶体光纤的包层模式就很兴奋，这是敏感的折射率（RI）周围介质。由于低温光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤传感头，在我们的设计中的温度不敏感的。高双折射光子晶体光纤的倒塌的工作就像一个Mach森德interfermater（MZI），考虑到平面结构，interfermater组合形成，导致高灵敏度。液体的RI值可通过检测干涉条纹位移测量对应于FLM与MZI。液体的RI值可通过检测干涉条纹位移测量对应于FLM与MZI。 2 传感器的制造和操作原则 提出的传感器头示意图是图1所示。放大的自发辐射（ASE）1450～1650nm波长范围源连接到该FLM的输入，和输出光谱与光谱分析仪（OSA的检测，aq6370，爱德，日本）。的OSA是最高分辨率20PM。在FLM拼接而成（使用一个商用光纤熔接机（藤仓fsm-40s））一段高双折射光子晶体光纤（lma-10）到22 3dB耦合器的武器。长度在5cm和它的两端被倒塌的融合拼接两identicalsingle模式纤维之间的高双折射光纤（SMF-28）是在耦合器的武器。图1的插图显示的高双折射光子晶体光纤的截面图，其中有一个坚实的核心μ直径11 m包围四层与125μM.外直径的空气。 图1（a）所提出的RI传感器示意图；（b）的高双折射光子晶体光纤的使用等；（C）的局部放大的传感头图。 拼接的光纤到光纤进行了使用商用光纤熔接机（Fujikurafsm-40s）。强烈的电弧放电引起的局部加热的PCF，导致在熔覆区的加热段空气孔塌陷PCF。它可以从预制拼接点的照片看到，那里的PCF的空气孔结构塌陷的剪接点附近，在很短的长度的~ 140μM. PCF不再是单一模式由于纤维无芯包结构更在塌陷区的区域。当引入光纤基模的传播到光子晶体光纤的折叠区域，其模场直径将被拓宽，由于衍射，允许核心激发和在完整的光子晶体光纤截面[11,12]包层模式。然后，兴奋的纤芯和包层模式进一步衍射和重新连接回了引出SMF在第二拼接点的核心模式。因此，它就像一种MZI的工作 从ASE输入光同样分裂成两个计数器的3dB耦合器传输光，随后他们将在耦合器后顺时针和逆时针光束周围的环。偏振控制器（PC）是用来调节两个光的偏振态。介绍了反向传播的光束引起的高双折射光子晶体光纤的双折射特性插入的相对相位差。所以当他们干扰产生的重组在耦合器。透射光强度在相位差的术语可以被描述为， (1) 和 (2) 相位差在哪里。是光源的中心波长。我是高双折射光子晶体光纤的长度。高双折射光子晶体光纤的双折射率。是快速和慢速轴的有效折射率，分别为。谐振浸波长满足方程，其中k是一个随机整数。 因此，谐振浸波长可以被描述为， （3） 对应于在频谱FLM和MZI具有不同的谐振波长的干涉条纹倾角结果重叠，如图2所示。 图2初始的干扰频谱的RI传感器 3 实验和讨论 测试基于高双折射光子晶体光纤传感器液体里的FLM，熔接的高双折射光子晶体光纤的崩溃是沉浸在与不同比例的甘油液结合样本。通过与标称精度为0.0001个阿贝折射仪校准液样本。我们可以得到方程（2）， （3） 波长移放在液体变折射率光纤，是由相应的光子晶体光纤快慢轴的有效折射率变化引起的折射指数的变化。从方程（3），可以看出，是成正比的。外部RI的变化可以通过测量干涉光谱的波长移位检测。 作为高双折射PCF沉浸在液体在室温范围从1.41 ~ 1.43 RI值的变化（25°C），为FLM的干扰频谱的变化，如图3所示。可以看出，谐振波长的干涉条纹倾角2从1556.11 nm到1549.66 nm。谐振浸波长偏移的的FLM干涉谱作为一个功能的RI变化如图4所示。它能很好的满足与理论推导。 图3在不同的液体里FLM干扰频谱变化 如图4所示，如预期的那样，对FLM的波长偏移与外部的RI变化的线性关系。由于一个组合干涉结构的使用，实现了306.60.2nm/riu灵敏度高，这是比以前的报告[ 13 ]高5倍。均方根偏差值（SD）的线性拟合和测量的数据之间的为0.2，这相当于我们的校准测量的不确定性用阿贝折射仪。所提出的RI传感器的分辨率是6.510-5 RIU由OSA分辨率的限制。大范围的波长偏移会导致边缘重叠。因此，测量范围的FLM干涉光谱条纹间距有限公司。相邻干扰频谱之间的波长间隔可表示为 4。 在实际应用中，该传感器的测量范围可以通过改变光子晶体光纤的双折射率调高双折射。 图5温度响应所提出的RI传感器 RI变化的实验测量是在温度控制的环境中进行的，与温度的变化是小于0.1°C.所以位移测量温度引起的误差可以忽略不计。但在实际的应用中，周围的温度并不是一成不变的。温度对提出的RI传感器的影响也进行了研究。总平面的部分放在一个温度控制的容器。控制箱的温度设定从10增加到100°°C C C 10°步骤如图5所示，该FLM谐振浸波长有很小的移动，随着温度的增加。这个结果使低热光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤的双折射，并将由温度变化的影响小。该传感器的温度误差图如图6所示。我们选择了相应的λ= 1537nm干扰模式，1552nm和1575nm作为实验参数。当周围温度从10增加到100°°C C，最大温度误差0.52nm，0.49nm和0.48nmat 1537nm的波长，1552nm和1575nm，分别。对6.45nm波长变化范围内，温度变化引起的测量误差很小，可在实际应用中被忽视的。 图6图所提出的传感器温度误差。 4 结论 我们描述了一个传感头由光纤环镜上刻有高双折射光子晶体光纤（高双折射光子晶体光纤）。由于低温光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤传感头，在我们的设计中的温度不敏感的。高灵敏度（306.6±0.2）纳米/ RIU（折射率单位），分辨率为6.5×10-5 RIU已经提出的液体折射率传感器实现的。与其它折射率传感器相比，该传感器可以结合使用干涉结构获得高灵敏度。由于低温光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤传感头，在我们的设计中的温度不敏感的没有额外的温度补偿部分的。 5 参考文献 [1]英国施罗德，W.艾克，R.缪勒，R. willsch，A. Andreev，光纤布拉格光栅折射仪测量，SCIE。和技术。12（2001）757-764。 [2]W梁，Y Y Y黄，徐，R. K. Lee，A. Yariv，高度敏感的光纤布拉格光栅的折射率传感器，应用。物理。快报。86 2005 15112。 [3]A.印狄西柯，A. Cusano，A. Cutolo，R.贝尔尼尼，M.佐丹奴，薄的光纤布拉格光栅的高灵敏度折射率传感器，IEEE光子。技术。快报。16（2004）1149-1151。 [4]A. M. Rios，医学博士埃尔南德斯，I. T.戈麦斯，高度敏感的包层蚀刻电弧引起的长周期光纤光栅的折射率传感，优化。通讯。283（2010）958-962。 [5]I. D.维拉尔，即马蒂亚斯，F. J.大约，在低折射率材料沉积的长周期光纤光栅的灵敏度增强，选择。快报。30（2005）2363-2365。 [6]T.朱，Y. J.饶，QJ钼，使用一个单一的ultralongperiod光纤光栅的折射率和温度的同时测量，IEEE光子。技术。快报。17（2005）2700-2702。 [7]A.印狄西柯，美国坎波皮亚诺，佐丹奴先生，A. Cusano，薄的长周期光栅光谱行为：纤维直径对折射率灵敏度的影响，应用。选择。46（2007）6945-6952。 [8]Z.L.跑，Y. W. J. J.饶，刘，X。辽，K. S.蒋介石，激光微法布里-佩罗特光纤传感器的折射率分辨率温度的独立测量，选择。expr。16（2008）2252-2263。 [9]O.法朗兹ãO，B.V.马克斯，P.豪尔赫，J. M.巴普蒂斯塔，J. L.桑托斯，作为折射计高双折射的D型光纤环镜，传感器和执行器。乙：化工135（2008）5108-5111。 [10]·席尔瓦，J. L.桑托斯，F X malcata，J.科贝尔克，K.舒斯特，O.法朗兹ãO，基于大芯空气包层光子晶体光纤折射仪，优化。快报。366（2011）852-854。 [11]J.维拉度路，V. P. minkovich，诉pruneri，和G. Badenes简单微结构光纤干涉仪，所有通过熔接，光学快报，15（4）1491-1496（2007）。 [12]G. A. Cá纳斯塞维利亚，诉芬拿斯，J.维拉度路，诉pruneri。光子晶体光纤传感器阵列基于模式重叠，光学快报，19（8）7596-7602（2011）。 [13]C中，C. Y.沈，你，J. L.楚，十周，X、Y、东，Y X金，J. F.王，基液体折射率的绝对测量传感器的偏振保持光纤环镜致动器，传感器B 168，360-364（2012）。